李一鳴

（河南能源焦煤集團(tuán)趙固一礦，河南 輝縣 453600）

引言

從煤礦巷道支護(hù)情況來看，巷道兩幫相對于頂板、底板圍巖不僅強(qiáng)度相對較低，同時，其往往存在較多的原生節(jié)理裂隙，影響到巷道兩幫承載能力，特別是在采動影響下，煤幫出現(xiàn)較大變形破壞的問題更多。因此，選擇具體工程案例，對深部煤幫巷道變形機(jī)理及返修控制技術(shù)進(jìn)行分析有著較為重要的意義。

1 工程概況

趙固一礦3213 巷道設(shè)計(jì)為矩形，沿著煤層頂板布置，長度為1 980 m，與旁邊巷道之間設(shè)計(jì)有厚度為35 m 的煤柱，巷道所處地段的煤層柱狀圖見圖1。從巷道原支護(hù)來看，選擇使用錨網(wǎng)索支護(hù)，見圖2。因?yàn)榈V井整體瓦斯含量偏高，服務(wù)的工作面是兩個相鄰面，在上區(qū)段需要承擔(dān)瓦斯抽采任務(wù)，在下區(qū)段需要承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)。但是從實(shí)際使用情況來看，由于受到周邊工作面開采擾動的影響，3213 巷道出現(xiàn)了較為明顯的變形破壞問題，巷道斷面整體收斂嚴(yán)重，圍巖出現(xiàn)了較大的松動破壞圈，給巷道支護(hù)帶來了較大的難度，已經(jīng)不能滿足正常使用要求，特別是煤幫出現(xiàn)了明顯變形破壞，錨桿支護(hù)失去效果，巷道斷面整體減少，對煤礦巷道通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)日Ｗ饔玫陌l(fā)揮帶來嚴(yán)重影響，巷道整體亟需進(jìn)行返修[1]。巷道現(xiàn)場變形破壞圖見圖3。

圖1 煤層柱狀圖

圖2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)圖

圖3 巷道變形破壞圖

2 采動影響煤幫變形機(jī)理

2.1 覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

在完成了3213 巷道周邊工作面開采之后，現(xiàn)場出現(xiàn)了直接頂垮落的問題。從頂板斷裂看，主要分為四個方面，見圖4，其中圖4（a）是基本頂在周圍工作面采空區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)了斷裂，這種情況下，基本頂B 出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)和下沉的問題，對3213 巷道帶來的影響較小，因?yàn)榛径ㄕw處于煤柱上方，隨著巖層的不斷破斷，圍巖中的應(yīng)力集中問題將逐步得到有效釋放，巷道整體的穩(wěn)定性也相對較好[2]。在出現(xiàn)了斷裂的位置，煤柱受到的載荷主要是基本頂出現(xiàn)破斷，產(chǎn)生的重力載荷，在高應(yīng)力的影響下，煤幫容易出現(xiàn)變形破壞問題，技術(shù)人員需制定針對性舉措，全面增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，對巷道圍巖出現(xiàn)的變形情況進(jìn)行全面控制。出現(xiàn)斷裂的位置在巷道內(nèi)側(cè)煤體上方，整體的載荷由多方共同承擔(dān)，圍巖穩(wěn)定性相對較好，容易進(jìn)行控制。對于斷裂位置在3213 巷道頂板上方，見圖4（d），這種情況下，煤層上方的頂板出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的破壞，巖塊B 將出現(xiàn)明顯的回轉(zhuǎn)，巷道圍巖整體的破碎程度相對較大，對巷道支護(hù)提出了較高的要求，巷道整體維護(hù)難度相對較大[3-4]。

圖4 3213 巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 煤柱變形破壞分析

為了對煤柱出現(xiàn)的破壞情況進(jìn)行全面的分析，重點(diǎn)研究了在巷道服務(wù)的過程中，煤柱應(yīng)力環(huán)境出現(xiàn)的演化情況，由于受到周圍工作面開采擾動帶來的影響，導(dǎo)致在煤柱側(cè)向基本頂出現(xiàn)了集中載荷，在高應(yīng)力的影響下，煤柱整體表現(xiàn)出分層破裂的情況，直到在上方形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3 采動影響煤幫變形破壞控制技術(shù)要點(diǎn)

3.1 煤幫變形控制分析

從煤柱產(chǎn)生破壞的機(jī)理來看，為了最大限度的控制，由于開采擾動導(dǎo)致的煤幫變形破壞問題，需要對巷道圍巖承載能力、力學(xué)性能等進(jìn)行最大限度的改善。一方面要施加較高預(yù)緊力。通過采取提升支護(hù)構(gòu)件剛度、預(yù)緊力的方式，能夠有效增強(qiáng)圍巖整體的殘余承載能力，對錨固巖體力學(xué)性能進(jìn)行有效改善，從而實(shí)現(xiàn)對圍巖變形的有效控制。通過施加高預(yù)應(yīng)力的方式，能夠有效改善煤柱承受的應(yīng)力狀態(tài)，推動從雙向應(yīng)力狀態(tài)，升級為三向應(yīng)力狀態(tài)，有效提升支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另一方面，通過注漿實(shí)現(xiàn)改性。由于3213 巷道受到周圍開采工作面的影響，煤巖體出現(xiàn)了較為明顯的破壞失穩(wěn)問題，圍巖整體變形顯著。因?yàn)橄锏乐苯禹敗⒚簬驼w的結(jié)構(gòu)較為松軟，錨桿等支護(hù)構(gòu)件不能有效發(fā)揮錨固效果，通過注漿加固的方式，可以實(shí)現(xiàn)對煤巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、完整性的有效改善，提升巷道煤巖體自身承載能力。對出現(xiàn)破壞的煤巖體采取加固措施，有效提升預(yù)緊效果，煤巖體水平應(yīng)力也會明顯提升。同時，通過施加注漿的方式，煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度也會明顯提升，煤巖體抗壓強(qiáng)度得到了有效改善。對于產(chǎn)生破碎的圍巖，通過注漿加固的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)圍巖內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力的有效改善，煤巖體可以從極限平衡狀態(tài)升級為彈性安全狀態(tài)[5]。

3.2 返修控制參數(shù)設(shè)計(jì)

分析了3213 巷道所處的實(shí)際地質(zhì)條件，通過采取注漿錨索+注漿管的方式，對巷道圍巖進(jìn)行整體的加固，見圖5。

圖5 3213 巷道圍巖加固示意圖

對于頂板采取加強(qiáng)支護(hù)的方式。具體支護(hù)參數(shù)為：設(shè)置兩個深度為3 m 的注漿孔，對巷道圍巖進(jìn)行淺層注漿，間距設(shè)計(jì)為1.5 m，排距設(shè)計(jì)為1 m。在垂直的方向上，本次設(shè)計(jì)了三根注漿錨索，參數(shù)為φ22 mm×6 m，間排距設(shè)計(jì)為1.5 m×2 m，通過對深部圍巖體進(jìn)行注漿，提升深部圍巖的穩(wěn)定性。對于巷道兩幫采取加強(qiáng)支護(hù)措施。具體支護(hù)參數(shù)為：在距離巷道兩幫和底板0.85m的位置，設(shè)置三個深度為3 m 的注漿孔，間距設(shè)計(jì)為0.9 m，排距設(shè)計(jì)為1 m。同時，在與巷道兩幫垂直的方向，設(shè)置2 根長度為6 m，直徑為22 mm 的注漿錨索，間距設(shè)計(jì)為0.9 m，排距設(shè)計(jì)為1 m[6-7]。

4 巷道煤幫變形控制效果

為了對破碎煤幫穩(wěn)定性返修控制技術(shù)效果進(jìn)行分析，根據(jù)3213 巷道布置情況，結(jié)合地質(zhì)條件、鉆孔數(shù)據(jù)，通過借助FLAC3D 模擬軟件，對巷道圍巖整體的情況進(jìn)行了分析，見圖6。本次模擬選擇使用庫倫摩爾模型，通過數(shù)值模型，對巷道在加強(qiáng)支護(hù)下，回采過程中巷道圍巖變形破壞、應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，數(shù)值模擬結(jié)果見圖7。從圖7 可看出，在對巷道加強(qiáng)支護(hù)后，工作面距離巷道之間的距離在不斷的減小，巷道整體的變相量不斷提升，兩幫收斂量達(dá)到了124 mm，頂?shù)装宓囊平拷咏?70 mm，從模擬情況來看，巷道圍巖變形量與先前對比明顯降低。從兩幫塑性區(qū)發(fā)育情況來看，發(fā)育深度最大為3.2 m。巷道頂版塑性區(qū)發(fā)育最大深度為2.3 m，從塑性區(qū)的發(fā)育情況來看，均在錨索錨固的范圍內(nèi)。隨著工作面的不斷開采，3213 巷道圍巖支撐壓力數(shù)值在不斷提升，煤柱可以承受的集中應(yīng)力也在持續(xù)提升，這些數(shù)據(jù)表明，本次通過采取注漿的方式，實(shí)現(xiàn)了對煤幫承載能力的有效改善和提升，返修支護(hù)方案較為科學(xué)合理。通過采取數(shù)值模擬的方式，表明采取的返修支護(hù)方案對控制巷道穩(wěn)定性較為有效。所以，選擇使用現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)的方式，對工程情況進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。本次重點(diǎn)對煤幫變形控制情況進(jìn)行了分析，對注漿段巷道整體的變形情況，技術(shù)人員進(jìn)行了針對性監(jiān)測，并對比分析了未注漿的巷道變形情況，見圖8。

圖6 FLAC3D 數(shù)值模擬模型

圖7 數(shù)值模擬巷道圍巖變形情況

通過圖8 可看出，在對巷道采取加固措施后，巷道圍巖變形量與先前相比明顯下降，對于沒有注漿的巷道，巷道頂板和底板的相對移近量超過了600 mm，而對比注漿段可知，頂板和底板的相對移近量為110 mm，下降幅度超過了80%。對于沒有注漿的巷道，巷道兩幫相對移近量超過900 mm，而對比注漿段可知，巷道兩幫的相對移近量為180 mm，下降幅度接近80%。這表明，采取上述返修支護(hù)方案后，巷道圍巖整體得到了較為有效的控制，特別是在重復(fù)擾動情況下，巷道圍巖的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)了有效控制[8]。圖9 為巷道返修后，注漿段的現(xiàn)場支護(hù)效果圖。

圖8 返修后巷道圍巖變形量對比圖

圖9 返修后巷道支護(hù)效果圖

5 結(jié)論

綜上所述，煤礦在深部開采的過程中，在高應(yīng)力的作用下，煤柱容易出現(xiàn)變形破壞的問題，需要針對性的采取加強(qiáng)支護(hù)的方式，實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖變形的有效控制。同時，從煤柱出現(xiàn)的變形破壞來看，通過采取對破碎煤幫施加穩(wěn)定性控制技術(shù)的方式，提升預(yù)緊壓縮效果，改善煤幫整體的受力狀態(tài)，通過采取注漿加固，改善和提升煤巖體整體的承載能力，從而對巷道圍巖變形情況進(jìn)行有效控制。