張 劍，李洪賓，劉愛卿，方樹林，王國強，張澤鑫

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.山西汾西礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西 介休 032000；5.霍州煤電(集團)有限責任公司，山西 霍州 031499)

采動應力為造成巷道大變形或失穩(wěn)破壞的重要影響因素，很多學者進行了相關研究，如孟毅[1]針對曹村礦大巷圍巖變形量大和支護結構失效等現象，分析指出相鄰工作面采動影響為造成大巷反復破壞的主控因素，研究得到巷道圍巖塑性區(qū)由圓形轉化為橢圓形的演化規(guī)律；徐幼林等[2]針對動壓作用下灣田煤礦運輸下山軟巖巷道圍巖變形強烈難支護問題，分析得出巷道上覆工作面采動對巷道穩(wěn)定性存在明顯影響；薛琦等[3，4]針對永久大巷受雙側工作面采動影響導致巷道圍巖大變形的問題，研究了巷道變形破壞特征及應力分布規(guī)律。深部開采加劇了采動巷道圍巖變形破壞程度，加大了巷道圍巖控制的難度，關于深部采動巷道圍巖破壞機制方面的研究已取得大量成果，馬念杰等[5]基于深部采動巷道圍巖應力環(huán)境，分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學機制及其形態(tài)特征，并對頂板穩(wěn)定性影響因素進行了探討；袁越[6]針對深部動壓回采巷道的大變形失穩(wěn)破壞及其控制難題，建立了深部動壓環(huán)境下圓形巷道力學模型，導出了塑性區(qū)邊界隱性方程式；張海韋[7]針對某煤礦典型巷道工程地質條件，模擬研究了采動影響下巷道圍巖應力及變形的演化規(guī)律，提出了深部采動巷道圍巖強化控制技術；黃炳香等[8]基于千米深井強采動巷道圍巖所處應力環(huán)境及其大變形特征，初步提出了千米深井采動巷道圍巖流變和結構失穩(wěn)大變形理論框架。有關深部采動巷道圍巖控制技術，主要包括高強度錨噴加固技術[9]、錨注聯(lián)合加固技術[10]、U型鋼支架壁后注漿加固技術[11]等，其中錨噴支護為最常用技術，而噴層加固為保持巷道穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，但噴層實施時機對巷道圍巖穩(wěn)定控制作用方面的研究相對較少。本文針對曙光煤礦深部采動影響區(qū)大巷控制難題，分析引起巷道圍巖變形破壞的內外因素，提出適應的大巷圍巖控制技術，為類似條件巷道圍巖穩(wěn)定控制提供借鑒。

1 巷道掘進現狀及支護狀況

1.1 巷道掘進現狀

山西曙光煤礦井田西翼布置回風巷、軌道巷及運輸巷三條集中巷，為礦井西翼開采的咽喉要道，三條大巷保護煤柱分別為26m和35m，而1210采空區(qū)位于集中回風巷南側，留設大巷保護煤柱55m，回風巷全長1851m，已掘1047m，未掘804m，位于1210采動影響區(qū)范圍為1004m，采動擾動區(qū)保留有380m未掘進，如圖1所示。

圖1 巷道布置方式(m)

1.2 巷道原支護方案及狀況

回風巷斷面為直墻半圓拱，巷道寬度為5000mm，高度為4300mm，沿煤層頂板破底掘進。巷道原支護采用錨網索噴加固方案，支護設計如圖2所示，錨桿采用屈服強度為335MPa左旋無縱筋螺紋鋼，直徑20mm，長2400mm，間排距800mm×900mm，預緊扭矩190N·m，配合鋼筋托梁護表。錨索為1×7股結構鋼絞線，直徑21.6mm，長度6500mm，預緊力140kN，間排距1600mm×1800mm。巷道掘進支護后表面噴射混凝土厚度為100mm。

圖2 回風巷原支護設計(mm)

采用上述方案后回風巷在1210工作面終采線外未進入采動影響范圍，未噴漿封閉圍巖前頂底板及兩幫最大變形量控制在100mm之內，回風巷變形穩(wěn)定后噴漿封閉圍巖后，噴層保持完好無開裂事件發(fā)生；而當回風巷進入1210工作面采動影響區(qū)后，巷道出現強烈大變形破壞，兩幫累計變形量達到1000mm，頂板下沉量超過600mm，主要表現為拱頂和煤幫失穩(wěn)，拱部淺部圍巖極度破碎，嚴重鼓包導致大量錨桿錨索呈懸空失效狀態(tài)，巷道表面噴漿層開裂脫落，拱部肩窩錨桿、錨索斷裂，鋼筋網成片撕裂、錨桿托板凹陷等支護構件失效，掘進后巷道即呈現出前掘后修的常態(tài)。

1.3 巷道支護存在問題

1)巷道圍巖淺部破碎導致錨桿錨固力不足。在采動影響區(qū)巷道掘進迎頭，現場進行了錨桿拉拔力試驗，試驗結果見表1。采用2支錨固劑頂板巖層錨桿錨固力為106kN；使用1支錨固劑，臨近1210采空區(qū)左幫錨桿錨固力為68kN，而靠近軌道巷右?guī)湾^桿錨固力為76kN，巷道頂幫錨桿錨固力均明顯偏低[12]。表明1210工作面開采采動影響加劇了回風巷淺部圍巖裂隙發(fā)育程度，造成錨桿錨固力不足，控制巷道圍巖效能減弱，影響到圍巖控制效果。

表1 錨桿錨固力試驗結果

2)錨桿錨索預應力明顯偏小。錨桿預緊扭矩為190N·m，錨索預應力為140kN，二者均明顯偏低，支護設計未重視預應力對控制巷道圍巖質量和效果的重要作用[13，14]。

3)錨桿錨索支護構件搭配性差、不兼容。錨桿托板拱高小、承載力低、加工不規(guī)范，無法配套安裝調心球墊和減摩墊片，不僅影響錨桿預緊扭矩轉化為預應力的效率，而且極易導致桿體受力狀態(tài)惡化，造成圍巖變形過程桿體受到復合應力而產生非正常拉伸破斷[15]。錨索采用平托板，極低承載力即產生外翻，且不能將錨索高預緊力有效傳遞和擴散到深部圍巖，嚴重消弱錨索控制深部圍巖的效能[16]。

4)噴漿滯后時間長，圍巖風化現象嚴重?；仫L巷掘進支護后采取一次性噴漿方式進行加固圍巖，由于井下環(huán)境潮濕，巷道泥巖頂板長時間裸露風化現象非常嚴重，加劇了巷道表面破碎程度，導致錨桿錨索松動失去對圍巖的約束和控制，造成巷道由淺部到深部持續(xù)性發(fā)展破壞。

2 采動影響區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定控制關鍵技術

2.1 提高淺部圍巖強度和穩(wěn)定性

1210開采激發(fā)的采動應力加劇了回風巷圍巖淺部結構裂隙發(fā)育程度，導致淺部圍巖強度明顯降低，造成圍巖自穩(wěn)性和承載力顯著減弱。在回風巷掘進面迎頭進行了圍巖結構觀測，結果如圖3所示。由圖3看出，巷道淺部圍巖分布有環(huán)向裂隙、縱向裂隙及破碎帶，由于回風巷淺部圍巖裂隙發(fā)育導致錨桿錨索難以在圍巖內生根[17]，嚴重消弱了錨桿錨索支護控制圍巖的效果，出現巷道淺部圍巖鼓包懸空，由淺入深破壞直至發(fā)展到失穩(wěn)。

圖3 回風巷頂板結構面類型

回風巷圍巖強度現場測量結果如圖4所示，1210工作面采動影響區(qū)外，煤層強度平均為11.11MPa，而1210采動影響區(qū)內，煤層強度平均僅為7.64MPa，相比降低了31%，1210采動擾動造成兩幫煤層松散軟弱，導致錨桿錨固力急劇衰減，引起兩幫煤體大變形破壞。1210采動影響區(qū)內外回風巷直接頂泥巖層強度分別為18.25MPa 和22.63MPa，同比下降19%，由于1210采動擾動影響，低預應力低強度錨桿支護無法形成堅固的穩(wěn)定承載結構，難以抵御深部圍巖應力傳遞導致失穩(wěn)破壞。

圖4 回風巷煤巖強度測量結果

針對采動影響區(qū)回風巷圍巖破碎松散特征，提出采用預先超前注漿加固圍巖方法，掘進前通過提前注漿預先改造裂隙發(fā)育淺部圍巖結構，改善圍巖完整性和保持自身穩(wěn)定性，提高圍巖強度和承載力，為后期錨桿錨索支護提供良好的圍巖環(huán)境。

2.2 優(yōu)化錨桿支護構件配套兼容性

實踐證明高預應力高強度錨桿支護是控制深部強采動巷道行之有效的適用方法[18-20]。針對回風巷錨桿支護存在的問題，提高錨桿支護材料強度，優(yōu)化錨桿支護構件合理配套兼容性，加大錨桿錨索預應力水平，實現巷道支護效果顯著改善。

2.3 及時封閉圍巖防止風化

快速噴漿及時封閉圍巖乃錨噴支護關鍵環(huán)節(jié)，而選擇噴層時機對巷道圍巖控制效果有重要影響。采用數值模擬方法研究錨噴工序對錨桿受力和位移的影響規(guī)律，以此來確定噴射混凝土施工順序。噴層力學參數見表2，模擬四種方案：①單純錨桿支護；②先錨后噴；③先噴后錨；④先薄噴再錨固后厚噴。

表2 混凝土噴層力學參數

圖5 錨桿尾部軸向受力變化曲線

根據數值計算結果，采用后處理方法提取錨桿尾部受力和位移監(jiān)測數據，繪制了錨桿尾部軸向受力和位移變化曲線，分別如圖5、圖6所示，由圖可知，對于“只打錨桿”和“先錨后噴”兩種方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移均隨遠離掘進工作面快速增長，但伴有小幅波動，錨桿受力和位移分別距掘進迎頭4m和3m時保持穩(wěn)定延續(xù)狀態(tài)；對于“先噴后錨”方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移均始終保持穩(wěn)定狀態(tài)；而對于“先薄噴再錨固后厚噴”方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移起始有小幅增加隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；4種工序條件，巷道拱墻部錨桿尾部最終受力大小分別為59.97kN、59.19kN、56.89kN、57.19kN和60.60kN、58.87kN、57.19kN、57.95kN；而最終位移大小分別為8.74mm、8.61mm、8.24mm、8.28mm和9.05mm、8.68mm、8.32mm、8.49mm。

圖6 錨桿尾部位移變化曲線

由此可知，四種錨噴工序中以“先噴后錨”方式錨桿尾部受力和位移最小且最穩(wěn)定，“只打錨桿”方式錨桿受力和位移最大，具體排序為：“先噴后錨”小于“先薄噴再錨固后厚噴”小于“先錨后噴”小于“只打錨桿”。

四種錨噴工序中以“先噴后錨”為最佳噴層方式，但考慮井下作業(yè)環(huán)境和施工時間，確定回風巷采用“先薄噴再錨固后厚噴”方式。回風巷掘進后隨即噴射厚度50mm混凝土，快速封閉圍巖防止煤巖風化和潮解，同時填補凹凸不平圍巖表面便于安裝錨桿錨索，改善錨桿錨索受力狀態(tài)，提高錨桿錨索預緊力向支護力轉化效率，掘進支護后再復噴也有利于防止錨網材料被腐蝕，保證巷道表面平整度。

3 現場試驗

3.1 巷道圍巖條件

曙光煤礦集中回風巷沿2#煤層頂板破底掘進，埋深平均為605m，煤層厚3.2m，傾角2°～5°，夾矸多為泥巖，直接頂泥巖厚4.2m，黑灰色；老頂厚6.5m，細砂巖或砂質泥巖，深灰色，細粒砂狀結構。直接底泥巖厚2.8m，塊狀構造，細砂巖老底厚2.0m，堅硬，圍巖巖性特征如圖7所示。

圖7 圍巖巖性特征

3.2 巷道圍巖控制方案與參數

3.2.1 掘進迎頭超前注漿加固方案與參數

針對回風巷淺部破碎圍巖條件，首先采用超前注漿加固技術，目的改善淺部破碎圍巖完整性，為錨桿錨索安裝提供穩(wěn)定圍巖條件。在回風巷掘進面迎頭頂板和兩幫循環(huán)均勻布置五個注漿孔?？咨?000mm，頂部鉆孔向上仰角30°，兩幫鉆孔與巷幫夾角30°，注漿孔間距1800mm，排距2100mm，鉆孔直徑42mm。采用化學注漿材料，水灰比0.8～1.0，全長一次注漿，注漿終止壓力3MPa。注漿方式采用由下而上分序間隔注漿，以保證漿液的滲透性和注漿效果。

3.2.2 巷道永久加固方案與參數

回風巷采用全斷面高預應力高強度錨網噴加固技術。巷道支護設計如圖8所示，全斷面布置15根屈服強度500MPa、型號為?22mm-M24-2400mm高強度錨桿，間排距為800mm×900mm，配套規(guī)格150mm×150mm×10mm高強度拱形托板及調心球墊和減摩墊圈，形成完整的錨桿支護體系，錨桿預緊扭矩由190N·m提高到300N·m；全斷面布置7根強度等級為1860MPa、型號為?21.8mm-1×19-6300mm高強度錨索，配套規(guī)格300mm×300mm×16mm高強度拱形托板及其調心球墊，形成完整的錨索支護體系，錨索預緊力由140kN增加至200kN，通過提高錨桿強度、優(yōu)化錨桿錨索支護系統(tǒng)、加大錨桿錨索預緊力來充分發(fā)揮主動支護作用；采用BHW4.5-280-450W型鋼板和鋼筋網護表，掘進后先初噴50mm，最后復噴150mm，混凝土強度等級不低于C25。

圖8 回風巷支護設計(mm)

3.3 巷道圍巖控制效果

回風巷掘進支護期間表面位移變化曲線如圖9所示，巷道變形量隨遠離掘進面逐漸增加，距迎頭30m位置位移趨于穩(wěn)定，頂底板最大移近量為78mm，兩幫最大移近量為84mm，巷道圍巖變形控制良好，取得預期效果。

圖9 回風巷表面位移變化曲線

錨桿錨索受力如圖10所示，距掘進工作面0～40m范圍，錨桿錨索受力均在持續(xù)增加，40m位置后錨桿錨索受力趨于穩(wěn)定不變化狀態(tài)，最終錨桿受力穩(wěn)定在73～92kN，錨索受力保持在110～158kN。采用超前注漿聯(lián)合預應力錨噴綜合加固技術，回風巷掘進支護后始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，現場應用取得預期明顯效果。

圖10 錨桿錨索受力變化曲線

4 結 論

1)采動影響區(qū)巷道淺部圍巖強度衰減和裂隙發(fā)育加劇，引起錨桿錨固力不足為導致巷道變形破壞的內在因素，而低強度低預應力錨桿支護，加之支護構件配套不兼容為造成巷道失穩(wěn)破壞的外部因素。

2)提出回風巷采用超前注漿加固、高預應力高強度錨桿錨索加固以及先薄噴再錨固后厚噴加固的綜合性圍巖控制技術。

3)給出化學注漿加固和錨噴加固方案和設計參數，現場應用表明所采用的綜合加固技術取得良好效果，為類似條件巷道圍巖穩(wěn)定控制提供了參考。