李 鑫，劉光饒，孫 軻，陳桂磊，郭 鵬，王 濤，牛金華

(1.泰山信息科技有限公司，山東 泰安 271000；2.新上海一號煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4.山東能源集團(tuán) 魯西礦業(yè)有限公司，山東 菏澤 274000；5.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；6.山東澤明能源科技有限公司，山東 泰安 271000)

工作面巷道的開挖、相鄰工作面的側(cè)向支承壓力和本工作面的超前支承壓力通常是采動巷道發(fā)生大變形破壞的主要原因，嚴(yán)重制約著煤礦的安全生產(chǎn)[1-4]。針對煤巷的破壞機(jī)理及穩(wěn)定性控制問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[5-8]。潘俊鋒[9]以古山煤礦為工程背景，揭示了巷道的非對稱破壞原理，提出了全斷面錨索、網(wǎng)、噴聯(lián)合非對稱支護(hù)方法，現(xiàn)場表明此種支護(hù)方案能夠有效的控制圍巖的穩(wěn)定性。陳可夯[10]對鶴煤九礦3204工作面錨索支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了最優(yōu)的錨索支護(hù)方式，現(xiàn)場支護(hù)效果明顯。王恩[11]針對劇烈采動影響下煤巷的穩(wěn)定性控制問題，采用數(shù)值模擬方式，闡述了受相鄰工作面和本工作面采動影響的巷道的破壞機(jī)理，提出了高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)與桁架組合的非對稱支護(hù)技術(shù)。靖洪文[12]為研究深部煤巷的沖擊冒頂機(jī)理，采用PFC2D建立了錨桿索錨固巷道模型，再現(xiàn)了高應(yīng)力和動載擾動耦合作用下煤巷的沖擊冒頂全過程特征。郝嘉偉[13]闡述了受上煤層開采影響的巷道的圍巖變形破壞特征，以數(shù)值模擬的方式，分析了影響巷道變形破壞的層間距、煤柱錯距、下煤層區(qū)段煤柱寬度和上煤層區(qū)段煤礦寬度四個影響因素。高曉君[14]采用理論分析和現(xiàn)場實(shí)測的方法，分析了雙翼開采條件下煤巷圍巖裂隙演化規(guī)律和圍巖分區(qū)劣化特征，并提出了針對裂隙區(qū)的支護(hù)三區(qū)：淺部支護(hù)區(qū)、中部支護(hù)區(qū)和深部支護(hù)區(qū)，此種技術(shù)方案能有效的保證煤巷群的穩(wěn)定性。付建華[15]分析了鄭州礦區(qū)“三軟”煤層巷道的失穩(wěn)因素，揭示了錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，并提出了三軟特厚煤層錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了此種支護(hù)設(shè)計(jì)的有效性。徐祝賀[16]針對特厚煤層大斷面煤巷劇烈變形和難支護(hù)的問題，采用數(shù)值分析研究了頂煤厚度和巷道寬度對巷道穩(wěn)定的影響，并提出了“大、小錨桿”協(xié)同控制體系，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好。

布爾臺煤礦42108工作面為綜放開采回采工藝，工作面頂板直接頂為厚砂質(zhì)泥巖、基本頂為厚穩(wěn)定細(xì)砂巖，具有強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強(qiáng)等特點(diǎn)，工作面在回采過程中易導(dǎo)致周期來壓步距大，來壓強(qiáng)度高，工作面動載礦壓顯現(xiàn)明顯，造成工作面頂板漏頂，巷道幫鼓嚴(yán)重，最大幫鼓量達(dá)到2.4m，超前支架拉架和工作面推溜、拉架困難，嚴(yán)重制約礦井安全生產(chǎn)。為了有效控制巷道頂板下沉、兩幫幫鼓及頂幫破碎，開展以中空注漿錨索為核心的錨注加固支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究，形成回采巷道錨注加固支護(hù)技術(shù)及施工體系，從而有效降低圍巖變形，保障巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

布爾臺煤礦為神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬的特大型主力生產(chǎn)礦井。由中煤國際工程集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院2005年設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2000萬t/a，2008年開工建設(shè)，2011年試生產(chǎn)，2014年達(dá)產(chǎn)?，F(xiàn)主采22煤和42上煤層。

42108綜放工作面位于42煤一盤區(qū)，工作面傾向長度313.2m，走向長度4728.4m。采高3.7m，放煤高度2.4m，采放比1∶0.65?；夭啥蚊簩勇裆?80～410m，煤層厚度4.6～6.2m，傾角1°～3°。42108輔運(yùn)巷道臨近42107工作面，42108工作面布置如圖1所示，隔離煤柱為35m，42108工作面煤層直接頂巖性以灰色砂質(zhì)泥巖為主，基本頂巖性為細(xì)粒砂巖為主。

圖1 42108工作面區(qū)域采掘工程平面布置

2 42108輔運(yùn)巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

42108工作面輔運(yùn)巷道為矩形斷面，斷面凈寬5400mm，凈高3800mm，斷面面積20.52m2，采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”的聯(lián)合支護(hù)方式。原有支護(hù)形式如圖2所示。

圖2 原有支護(hù)形式(mm)

42108工作面輔運(yùn)巷道頂板采用?22mm×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，4根/排，中間2根間距為2000mm，其他2根為間距1500mm，排距為750mm，走向按照根數(shù)“4-2-4”的布置方式進(jìn)行交替支護(hù)。采用?22mm×8000mm錨索，3根/排，間排距為2100mm×1500mm。

42108輔運(yùn)巷道負(fù)幫采用?18mm×2100mm右旋螺紋鋼錨桿，幫部走向按根數(shù)“4-3-4”的形式交替布置，錨桿排距為750mm。42108輔運(yùn)巷道正幫采用?27mm×2100 mm玻璃鋼錨桿，幫部走向按根數(shù)“4-3-4”的形式交替布置，錨桿排距為750mm。

3 原支護(hù)破壞特征及影響因素分析

3.1 圍巖破壞特征

分別在42108輔運(yùn)巷道距離切眼1920m和1960m處設(shè)觀測站，編號為FY-048、FY-049，圍巖變形數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 FY-048測點(diǎn)圍巖變形統(tǒng)計(jì)曲線

圖4 FY-049測點(diǎn)圍巖變形統(tǒng)計(jì)曲線

通過FY-048測點(diǎn)和FY-049測點(diǎn)觀測可看出，當(dāng)距離工作面100m左右時巷道開始出現(xiàn)幫鼓現(xiàn)象，且隨工作面推進(jìn)巷道圍巖移近量不斷增大；當(dāng)距離工作面50m左右時累計(jì)幫鼓量150～300mm，底鼓量70～100mm。當(dāng)工作面進(jìn)入超前支架范圍內(nèi)，受采動影響更加明顯，距離工作面30m左右時兩幫移近量300～500mm，頂?shù)装逡平?00mm以上；距離工作面10m左右時，兩幫移近量接近700mm，頂?shù)装逡平?50mm以上，圍巖變形明顯。

綜上說明，42108輔運(yùn)巷道圍巖受工作面回采采動影響，圍巖變形較為明顯，特別是當(dāng)工作面回采至距離測點(diǎn)50m范圍內(nèi)時，圍巖變形顯著增加。

3.2 破壞原因分析

1)巖石強(qiáng)度：42108輔運(yùn)巷道頂?shù)装逡约?xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，砂巖大部分為泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松易碎，巖石的吸水狀態(tài)和天然狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度較低，基本在40MPa以下，抗拉強(qiáng)度大多在1.5～3.0MPa之間，砂質(zhì)泥巖類吸水狀態(tài)抗壓強(qiáng)度明顯降低，為軟化巖石，造成頂?shù)装鍑鷰r極易風(fēng)化破碎、遇水軟化變形。

2)強(qiáng)采動應(yīng)力疊加的影響：42108輔運(yùn)巷道鄰近42107工作面采空區(qū)，相鄰采空區(qū)存在垮落不實(shí)區(qū)域，垮落不實(shí)區(qū)域?qū)?2108工作面煤壁側(cè)向支承壓力較大；且受42107工作面一次采動和42108工作面二次采動影響，輔運(yùn)巷道礦壓顯現(xiàn)明顯。

3)厚層堅(jiān)硬頂板影響：由該區(qū)域的地質(zhì)綜合柱狀圖可看出，直接頂厚度6～26m，平均22m，基本頂厚度14～58m，平均24m，均為較厚巖層，造成直接頂垮落后采空區(qū)充填程度高，基本頂不易垮落，基本頂對工作面前方煤壁及側(cè)方煤柱支承時間長，應(yīng)力集中程度高，造成附近巷道壓力大。

4)水的影響：大量的現(xiàn)場實(shí)踐和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，水對巖石和煤層的狀態(tài)有顯著影響[17]。巖石和煤層遇水后，隨水分的增加其強(qiáng)度將逐漸降低，即出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而加快塑性變形或流變的進(jìn)程，造成井下支護(hù)的變形和破壞。

4 42108輔運(yùn)巷道破壞機(jī)制數(shù)值分析

4.1 建立數(shù)值模型

圖5 數(shù)值模型

以布爾臺煤礦42108工作面為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，再現(xiàn)42108輔運(yùn)巷道在巷道開挖、相鄰工作面開挖和本工作面開挖過程中的變形及應(yīng)力規(guī)律。模型尺寸270.4m×100m×100m(長×寬×高)，模型四周和底板為位移約束，頂部施加豎向應(yīng)力模擬上覆巖層的重力。整個模型劃分網(wǎng)格數(shù)為259700。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型如圖5所示。根據(jù)地質(zhì)勘探時地層巖石力學(xué)測試結(jié)果，確定模型中各巖層參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

4.2 42108輔運(yùn)巷道開挖

通過數(shù)值計(jì)算，得到42108輔運(yùn)巷道開挖應(yīng)力及位移變化如圖6所示。

圖6 42108輔運(yùn)巷道開挖

由42108輔運(yùn)巷道開挖過程中的巷道變形可知，在原支護(hù)條件下，巷道垂直應(yīng)力對稱分布，垂直應(yīng)力為12.6MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.26，水平應(yīng)力為12.2MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.22。頂?shù)装宓奈灰品謩e為148mm，89mm，左幫位移為147mm，右?guī)臀灰茷?45mm。

4.3 42107工作面開挖

通過數(shù)值計(jì)算，得到42107工作面開挖應(yīng)力及位移變化如圖7所示。

圖7 42107工作面開挖

由42107工作面開挖過程中的巷道變形可知，在原支護(hù)條件下，巷道垂直應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱分布，左幫受相鄰工作面開挖的影響，應(yīng)力集中區(qū)域向左幫煤柱擴(kuò)展和偏移，應(yīng)力集中系數(shù)為2.04。水平應(yīng)力也出現(xiàn)明顯的非均勻分布特征，巷道頂板右上角出現(xiàn)兩個明顯的水平應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)為1.19。巷道頂板煤層變形明顯，達(dá)340mm，左右?guī)妥冃螢?66mm和281mm，變形明顯增加。

4.4 42108工作面開挖

通過數(shù)值計(jì)算，得到42108工作面開挖應(yīng)力及位移變化如圖8所示。

圖8 42108工作面開挖

由42108工作面開挖過程中的巷道變形可知，應(yīng)力的集中程度繼續(xù)增加，巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力增加為30MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由2.04增加為3；水平應(yīng)力增加為14.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)由1.19增加為1.45。

在42108工作面的影響下，巷道頂煤變形和右?guī)妥冃蚊黠@，分別為658mm和602mm。三個開挖過程中巷道圍巖變形曲線如圖9所示。

圖9 42108輔運(yùn)巷道圍巖變形曲線

5 42108輔運(yùn)巷道錨注控制對策及效果分析

通過對42108輔運(yùn)巷道實(shí)際現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析可知，在原支護(hù)條件下，受強(qiáng)擾動、地下水、巖石性質(zhì)等因素影響，巷道變形破壞大，圍巖條件差，巷道支護(hù)困難，嚴(yán)重影響回采過程中巷道的穩(wěn)定性，因此，為從根本上改變巖石性質(zhì)，提高圍巖自身承載能力，對42108輔運(yùn)巷道采用錨注一體化支護(hù)效果進(jìn)行分析。

5.1 42108輔運(yùn)巷道錨注控制對策

42108輔運(yùn)巷道注漿段距離切眼1456.87m，注漿長度為1075m，具體設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖10 42108輔運(yùn)巷道注漿段支護(hù)(mm)

具體支護(hù)參數(shù)如下：頂板支護(hù)：使用規(guī)格為?22mm×7300mm中空注漿錨索，在巷道原支護(hù)的基礎(chǔ)上在中部增加1排中空注漿錨索，排距2000mm，距正幫2200mm。

幫部支護(hù)：使用規(guī)格為?22mm×4300mm中空注漿錨索，垂直巖面布置。副幫施工2排中空注漿錨索，間排距1000mm×2000mm，上部錨索距離頂板1200mm；正幫因管道阻礙只施工一排注漿錨索，間距2000mm，距頂板2100mm。

5.2 42108輔運(yùn)巷道錨固控制效果數(shù)值模擬分析

在注漿錨索支護(hù)下，42108輔運(yùn)巷道開挖應(yīng)力和變形變化如圖11所示。

相比與原支護(hù)，注漿錨索支護(hù)下巷道的圍巖應(yīng)力有所降低，垂直應(yīng)力降低至11MPa，水平應(yīng)力降低至10.7MPa；圍巖的頂、底、左和右?guī)臀灰品謩e為123mm、74mm、126mm和126mm。分別降低了16.9%，16.7%，14.3%和14.2%。

5.3 42108工作面回采錨固控制效果數(shù)值模擬分析

在注漿錨索支護(hù)下，42108工作面開挖后對42108輔運(yùn)巷道巷道應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，如圖12、圖13所示。

圖12 42108輔運(yùn)巷道圍巖變形(錨注支護(hù))

圖13 42108輔運(yùn)巷道圍巖變形(錨注支護(hù))

相比與原支護(hù)，注漿錨索支護(hù)下巷道的圍巖應(yīng)力有所降低，垂直應(yīng)力降低至26.6MPa，水平應(yīng)力降低至13.2MPa；圍巖的頂、底、左和右?guī)臀灰品謩e為149mm、26mm、7.7mm和79mm，分別降低了77.3%，62.9%，98.3%和86.8%。

5.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

5.4.1 注漿施工用量

42108輔運(yùn)巷道頂板和兩幫112根中空注漿礦用錨索共注漿984kg。其中，頂板28根共注漿268kg，正幫28根共注漿300kg，副幫56根共注漿416kg。頂板和幫部的注漿量和注漿壓力如圖14、圖15所示。

圖14 42108輔運(yùn)巷道注漿量

圖15 42108輔運(yùn)巷道注漿壓力

5.4.2 現(xiàn)場巷道變形

設(shè)置1、2號監(jiān)測點(diǎn)對巷道變形進(jìn)行監(jiān)測分析，監(jiān)測結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 42108輔運(yùn)巷道1號測點(diǎn)變形

圖17 42108輔運(yùn)巷道2號測點(diǎn)變形

通過1號監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)工作面距離測點(diǎn)140～60m時，42108輔運(yùn)巷道的變形幾乎為0，當(dāng)工作面距離測點(diǎn)37m時，頂?shù)装彘_始變形，為50mm；當(dāng)工作面距離測點(diǎn)為10m時，幫部開始變形，累計(jì)變形為100mm，最終巷道頂?shù)装謇塾?jì)變形為50mm，幫部累計(jì)變形為200mm。

通過2號監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)工作面距離測點(diǎn)140～60m時，42108輔運(yùn)巷道的變形幾乎為0，當(dāng)工作面距離測點(diǎn)37m時，頂?shù)装彘_始變形，為45mm；當(dāng)工作面距離測點(diǎn)為10m時，幫部開始變形，累計(jì)變形為100mm，最終巷道頂?shù)装謇塾?jì)變形為70mm，幫部累計(jì)變形為100mm。

綜上所述，在中空錨索注漿支護(hù)下，巷道能夠承受采動影響導(dǎo)致的變形和壓力，能夠保證巷道的穩(wěn)定性。

5.4.3 頂板離層變化

42108輔運(yùn)巷道錨注加固試驗(yàn)段內(nèi)安裝錨桿(索)應(yīng)力傳感器和頂板離層儀。監(jiān)測結(jié)果如圖18和圖19所示。

圖18 42108輔運(yùn)巷道離層監(jiān)測測站

圖19 42108輔運(yùn)巷道注漿段錨索受力監(jiān)測

通過離層監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面從接近到推過試驗(yàn)段，頂板離層值基本無變化，最大離層值為1mm。

工作面推采至錨注加固試驗(yàn)段附近時，工作面未呈現(xiàn)明顯的來壓跡象，錨桿(索)應(yīng)力無明顯變化，僅在工作面100#至機(jī)尾段存在頂板破碎、局部有漏矸現(xiàn)象。

綜上表明，巷道進(jìn)行錨注加固支護(hù)后，通過注漿實(shí)現(xiàn)了錨索的全長錨固，且通過對破碎圍巖進(jìn)行圍巖改性，使圍巖膠結(jié)形成一個整體，并配合錨索網(wǎng)支護(hù)，形成了一個有效的多層組合拱，從而提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力[18-21]。

6 結(jié) 論

1)傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索支護(hù)難以抵抗工作面的采動影響，由數(shù)值分析可得，受工作面采動影響，圍巖應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力集中明顯，圍巖呈現(xiàn)非對稱變形特征，與現(xiàn)場實(shí)測幫部最大變形700mm較為一致。

2)提出了“中空注漿礦用錨索+注漿加固”支護(hù)方式，數(shù)值結(jié)果表明，應(yīng)力集中降低，圍巖頂部變形控制在149mm以內(nèi)，幫部變形控制在79mm以內(nèi)，能夠有效的保證采動影響巷道穩(wěn)定性。

3)錨注支護(hù)對策應(yīng)用至42108輔運(yùn)巷道，現(xiàn)場結(jié)果表明，在42108工作面推采至錨注加固試驗(yàn)段時，頂板幾乎無離層，頂板下沉量控制在70mm以內(nèi)，底臌量控制在100mm以內(nèi)，幫部變形控制在200mm以內(nèi)，錨桿(索)應(yīng)力值基本無變化，應(yīng)用效果良好。