采動劇烈影響軟弱圍巖巷道失穩(wěn)機理及支護

何富連，王寧博，魏　臻，衛(wèi)文彬，許華威

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

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采動劇烈影響軟弱圍巖巷道失穩(wěn)機理及支護

何富連，王寧博，魏臻，衛(wèi)文彬，許華威

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]針對新元煤礦受采動劇烈影響、軟弱破碎圍巖區(qū)段平巷的支護難題，從加固軟弱破碎圍巖，加強薄弱部位控制，降低采動劇烈影響時塑性區(qū)范圍及其外移速率等入手，分析了其支護機理，提出了小孔徑高預(yù)應(yīng)力短錨索配合桁架錨索支護技術(shù)，并成功用于工業(yè)性實踐，取得較好效果。

[關(guān)鍵詞]劇烈采動； 軟弱圍巖； 預(yù)應(yīng)力錨索； 桁架錨索

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.012

[引用格式]何富連，王寧博，魏臻，等.采動劇烈影響軟弱圍巖巷道失穩(wěn)機理及支護[J].煤礦開采，2015，20(5)：43-45，14.

近年來，隨著煤礦開采深度、強度的日益增加，以及開采條件的日趨復(fù)雜，受動壓劇烈影響的回采巷道數(shù)量呈現(xiàn)明顯上升趨勢，尤其對軟弱破碎圍巖巷道而言，由于巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的惡化，構(gòu)造應(yīng)力與次生應(yīng)力顯著地增加，導(dǎo)致此類巷道的圍巖控制一直是煤礦支護的技術(shù)難題。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對此類巷道的支護開展了一系列的研究工作[1-5]，但對于陽泉、西山、霍州等部分礦區(qū)采用的大斷面、軟弱破碎圍巖且受二次或多次采動劇烈影響等復(fù)雜條件下回采巷道研究較少。如陽泉煤業(yè)新元煤礦310102軌道平巷作為可二次復(fù)用的軟弱破碎圍巖巷道，在回采時受動壓劇烈影響，曾發(fā)生大面積的冒頂和片幫，圍巖變形破壞嚴(yán)重。其他類似巷道在服務(wù)過程中也一直處于反復(fù)維修的狀態(tài)，導(dǎo)致礦井綜采面銜接緊張，嚴(yán)重影響了整個礦井的正常生產(chǎn)。

本文就新元煤礦軟弱破碎圍巖巷道在回采過程中圍巖變形破壞原因進行了分析，針對性地提出“高預(yù)應(yīng)力強力錨索配合桁架錨索”支護方案，并闡述了其控制原理。

1工程地質(zhì)概況

新元煤礦主采3號煤層，埋深560m，平均厚度2.38m，其上為均厚3.5m復(fù)合泥巖頂板(高嶺土與泥巖復(fù)合)，直接底為均厚1.96m砂質(zhì)泥巖，其下為厚1.2m粉砂巖。所研究的310104運輸平巷(即310103軌道平巷)為可二次復(fù)用的巷道。巷道布置見圖1。

圖1　采區(qū)巷道布置

巷道沿頂板掘進，設(shè)計斷面為矩形，寬4.5m，高2.8m，斷面面積12.6m2。310104工作面運輸平巷、瓦斯抽采巷、進風(fēng)平巷之間煤柱均為22m。

2巷道變形破壞特征及原因

2.1　巷道變形破壞特征

310104區(qū)段運輸平巷作為可二次復(fù)用的巷道，需經(jīng)歷掘進影響期、掘進影響穩(wěn)定期、一次采動影響期、一次采動影響穩(wěn)定期、二次采動影響期。根據(jù)井下實測資料可知，巷道圍巖變形根據(jù)所處時期不同，具有明顯的階段性。

(1)小變形階段掘巷影響期及掘巷影響穩(wěn)定期巷道變形并不明顯，采動影響前，巷道在原有的支護條件下能保持長期穩(wěn)定。

(2)變形破壞階段巷道受一次采動影響時，自工作面前方70m左右巷道變形開始增加，且隨著與工作面距離的減小而愈來愈劇烈，如310203工作面推進200m時，回采面前后50～150m范圍內(nèi)巷道出現(xiàn)大面積底鼓，工作面在推進過程中巷道頂板開始出現(xiàn)嚴(yán)重的離層下沉和惡性冒頂，支護系統(tǒng)部分損壞，其中巷道兩幫上角多為破壞的首發(fā)區(qū)域；采動影響穩(wěn)定后，巷道也一直以較大的速度變形，如工作面后方150～300m處，頂板出現(xiàn)錨桿(索)被拉斷，鋼帶被剪斷，頂板極度變形。

(3)破壞損毀階段當(dāng)本區(qū)段工作面回采時，310104運輸平巷作為二次復(fù)用巷道，受二次超前采動支承壓力的劇烈影響，巷幫出現(xiàn)向巷道內(nèi)整體大內(nèi)移、垮幫或嚴(yán)重鼓幫，幫整體位移量達1～2m；頂板出現(xiàn)整體切頂和惡性冒落，冒頂高度甚至達10m以上，支護系統(tǒng)大范圍損毀，巷道全斷面被阻塞和不能通風(fēng)行人。

2.2　巷道變形破壞原因分析

回采巷道失穩(wěn)主要是由構(gòu)造或開挖引起的應(yīng)力集中超過圍巖強度或圍巖變形過大而致[6]，且失穩(wěn)過程中圍巖的變形及破壞是一個由表及里漸進性相關(guān)過程，其相關(guān)程度首先取決于巷道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力的分布及變化，其次，決定于支護結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

2.2.1圍巖性質(zhì)

頂板為多層泥巖組成的復(fù)合頂板，厚度大(3.5m)、強度低、自穩(wěn)能力差且具有一定的膨脹性。兩幫為含軟弱夾層煤體，內(nèi)生裂隙發(fā)育。底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，軟巖特征明顯。

2.2.2圍巖應(yīng)力

圖2為310103工作面回采過程中，距巷幫不同距離測點煤柱側(cè)向支承壓力動態(tài)分布曲線。根據(jù)應(yīng)力的實際測量分析發(fā)現(xiàn)，巷道的變形發(fā)展與采動所引起的高支承壓力具有良好的相關(guān)性。

圖2　煤柱側(cè)向支承壓力分布

采動影響前，巷道一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，且維護狀況良好，此時實際測定的巷道原巖應(yīng)力并不大，約為13.5MPa；受采動影響，超前支承壓力逐漸增大，在工作面前方15m處，煤柱支承壓力峰值達到極值61.5MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達4.56，超前支承壓力遠大于圍巖單向抗壓強度及錨桿圍巖內(nèi)承載結(jié)構(gòu)的承載能力，巷道圍巖應(yīng)力處于快速向深部調(diào)整狀態(tài)，圍巖隨著應(yīng)力的調(diào)整收斂速度加快；310104工作面推進過程中，巷道受二次動壓影響，應(yīng)力影響空間范圍更廣且高支承壓力的影響更劇烈。

2.2.3支護方式

原支護方式采用普通單體錨桿、錨網(wǎng)支護，支護系統(tǒng)的不適應(yīng)性主要體現(xiàn)在：原錨桿長度為2000mm，頂錨桿錨固在厚層泥巖中，幫錨桿錨固于圍巖塑性區(qū)中，均沒有可靠的著力基礎(chǔ)，支護理論中假設(shè)的成拱機制難以實現(xiàn)；所采用的圓鋼錨桿預(yù)應(yīng)力不足30kN，錨桿對淺部圍巖提供的圍壓小，加之圓鋼錨桿自身強度較低，抗剪能力弱，淺部圍巖并沒有形成穩(wěn)固的內(nèi)承載結(jié)構(gòu)；現(xiàn)有錨桿(索)布置對巷道兩幫角控制薄弱，兩幫角成為支護失效的首發(fā)和多發(fā)部位。

3圍巖控制原理及方案

3.1　圍巖穩(wěn)定控制原理

對錨桿(索)支護而言，巷道控制的對象是周邊軟弱破碎圍巖，其支護理論中對圍巖的控制建立在巷道外部圍巖是穩(wěn)定的假設(shè)基礎(chǔ)之上。而軟弱破碎圍巖巷道開挖后在較短時間內(nèi)形成了較大范圍的塑性區(qū)和破壞區(qū)，錨桿錨固于圍巖極限平衡區(qū)內(nèi)，巷道外部圍巖是處于動態(tài)演化中的[4]，當(dāng)其受劇烈動壓影響，集中應(yīng)力迅速外移，塑性區(qū)范圍及圍巖表面位移擴大，當(dāng)位移量超過允許值時巷道則發(fā)生失穩(wěn)。因此，如何通過合理的支護手段控制采動引起的高應(yīng)力外移及塑性區(qū)的無限擴大是保證巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵。

基于所分析巷道變形破壞原因及動壓巷道圍巖控制原理，對于新元煤礦受動壓劇烈影響的軟弱圍巖巷道的控制應(yīng)從以下幾個方面著手：及時加固圍巖，阻止圍巖破碎區(qū)的迅速擴大，提高淺部圍巖初期支護阻力，以增加淺部圍巖的承載能力，并向深部圍巖施加較高圍壓；充分調(diào)動深部圍巖承載能力，減緩圍巖應(yīng)力場調(diào)整過程中支承應(yīng)力峰值及塑性區(qū)向深部巖層推進的速度；優(yōu)化錨桿(索)布置結(jié)構(gòu)及長度，加強幫角薄弱部位的控制。基于以上思路提出小孔徑高預(yù)應(yīng)力錨索配合桁架錨索支護技術(shù)。

3.2　預(yù)應(yīng)力錨索桁架控制技術(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索桁架控制技術(shù)是用小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索代替普通錨桿并配合強力桁架錨索的支護技術(shù)，預(yù)應(yīng)力短錨索通過厚W鋼帶與表面圍巖連成統(tǒng)一整體，桁架錨索則通過專用連接器連接。

針對所分析巷道圍巖變形破壞機制，預(yù)應(yīng)力短錨索代替普通圓鋼錨桿具有以下優(yōu)勢：較高的預(yù)應(yīng)力能實現(xiàn)錨索的主動、及時支護，巷道表面圍巖處于較高的三向應(yīng)力狀態(tài)故提高圍巖強度以控制圍巖的早期變形，減小塑性區(qū)的范圍及其向圍巖深部移近速度[7]；所使用的短錨索長度大于普通錨桿，錨索錨固點位于深部穩(wěn)定巖層中，巷道圍巖有可靠的承載基礎(chǔ)；桁架錨索錨固于巷道頂角深部穩(wěn)定巖層中，與上部巖層穩(wěn)定共同組成形似倒契體外部承載結(jié)構(gòu)，此承載結(jié)構(gòu)在高強高預(yù)應(yīng)力錨索作用下具有較高的承載能力，可分化減弱覆巖載荷；幫桁架錨索可顯著增加幫角薄弱部位巖石的抗剪能力，實現(xiàn)對兩幫角薄弱部位的有效控制。

當(dāng)巷道受到強烈的動壓影響時，淺部圍巖卸壓發(fā)生形變，塑性區(qū)范圍擴大，集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，此時預(yù)應(yīng)力短錨索能及時提供較高的阻力以延遲減緩塑性區(qū)擴大及集中應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移速率，且錨索的高延伸性能可對圍巖進行一定的讓壓，以減少承載結(jié)構(gòu)所承載的形變壓力，動壓越劇烈，預(yù)應(yīng)力錨索所提供的支護阻力也越高，其對深部圍巖提供的圍壓愈高，圍巖與預(yù)應(yīng)力錨索形成的承載結(jié)構(gòu)承載能力也愈高。桁架錨索形成的錨固點位于巷道穩(wěn)定巖層中的倒契體結(jié)構(gòu)在受動壓作用時可牢固卡在巷道上方，且動壓越大，“卡緊力”越大，用以分化減弱上部傳來的部分載荷[8]。

3.3　支護方案

依據(jù)上述受采動劇烈影響軟弱圍巖巷道控制原理及小孔徑預(yù)應(yīng)力短錨索配合強力桁架錨索控制技術(shù)的優(yōu)越性，進行新元煤礦可二次復(fù)用的巷道支護設(shè)計，并運用正交實驗與數(shù)值模擬結(jié)合得出最優(yōu)方案。支護方案見圖3。

圖3　預(yù)應(yīng)力錨索配合桁架錨索支護方案

頂板支護頂板為小孔徑高預(yù)應(yīng)力全錨索配合桁架錨索支護。單體錨索采用長4300mm,φ17.8mm，1×19股高強度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距1000mm×800mm，靠煤幫的頂板角錨索與鉛垂線的夾角為10°,預(yù)緊力不得低于160kN。錨索之間用4mm厚W鋼帶連接。桁架錨索采用長度為9400mm，φ17.8mm，1×19股高強度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線，桁架錨索系統(tǒng)的底部跨度為2100mm，排距為1600mm。

兩幫支護兩幫采用錨桿(索)、鋼筋梯子梁(槽鋼)組合支護。錨桿與頂板短錨索同排布置，桿體為長度3000mm，φ20mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，每排布置4根錨桿，間排距為800mm×800mm，最上位錨桿角度與水平線夾角為10°，其余錨桿水平布置。錨桿之間用鋼筋梯子梁連接，幫錨索與頂板桁架錨索同排布置，長度為5300mm,幫錨索用槽鋼連接，預(yù)緊力不低于120kN。

4圍巖穩(wěn)定性控制效果

選取310104運輸平巷某一典型區(qū)域作為試驗段實行新支護方案進行加固，并設(shè)置5個圍巖變形觀測站進行不間斷觀測，取其中具有代表性的2號和3號測站進行分析，其具體觀測結(jié)果見圖4。

圖4　巷道變形量觀測曲線

測站2處巷道圍巖表面位移在巷道掘出后約30d左右趨于穩(wěn)定；50d后，由于受310103回采工作面采動的影響，收斂速度增加，直至120d后重新趨于穩(wěn)定，兩幫移近量不超過400mm，頂板下

沉量不超過300mm。測站3在開掘35d后趨于穩(wěn)定；65d后，由于受310103回采工作面采動的影響，收斂速度增加，直至120d后重新趨于穩(wěn)定，兩幫移近量不超過500mm，頂板下沉量不超過320mm。試驗段在經(jīng)受采動過程中均保持穩(wěn)定。

5結(jié)論

(1)動壓軟弱圍巖巷道變形破壞具有明顯的階段性。引起圍巖階段性變形的相關(guān)因素主要有圍巖巖性、應(yīng)力分布及支護方式等。其中圍巖巖性是內(nèi)因，采動引起的超前集中支承壓力是關(guān)鍵因素，支護系統(tǒng)的不適應(yīng)是重要外因。

(2)對于受多次動壓劇烈影響軟弱圍巖巷道的控制應(yīng)從加固軟弱破碎圍巖，加強薄弱部位控制，降低采動劇烈影響時塑性區(qū)范圍及其外移速率等方面入手選取合理的支護形式。

(3)高預(yù)應(yīng)力短錨索配合強力桁架錨索支護系統(tǒng)能有效控制受動壓劇烈影響的軟弱圍巖巷道的圍巖變形，為此類巷道的圍巖控制提供了借鑒。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Instability Mechanism and Supporting of Soft-rock Roadway Influenced by Strong Mining

HE Fu-lian，WANG Ning-bo，WEI Zhen，WEI Wen-bin，XU Hua-wei

(Resources & Safety Engineering School，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract：In order to solve the supporting difficult problem of soft-rock roadway influenced by strong mining in Xinyuan Colliery，the supporting technology of small-bore and high-pre-stress short anchored cable with truss cable was put forward by analyzing supporting mechanism from reinforcing soft and crack surrounding rock，strengthening weak part control and reducing the range and deformation velocity of plastic zone influenced by strong mining.Field test showed the technology had excellent effect.

Keywords：strong mining；soft rock；pre-stress anchored cable；truss cable

[作者簡介]何富連(1966-),男,浙江臨海人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為采礦工程和安全技術(shù)。通訊作者：王寧博(1989-)，男,河南周口人，碩士研究生。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目 (51234005)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2010YZ02)

[收稿日期]2015-03-27

[中圖分類號]TD353

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0043-03