強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理及加固技術(shù)

郭相平

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

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強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理及加固技術(shù)

郭相平1,2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

以常順煤礦9105進(jìn)風(fēng)巷為研究對(duì)象，采用理論分析的方法對(duì)受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道圍巖的破壞機(jī)理進(jìn)行深入研究，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定了9105進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形控制技術(shù)對(duì)策，制定了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力全錨索支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)。9105進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)試驗(yàn)結(jié)果表明：高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)對(duì)強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道服務(wù)期間圍巖變形控制效果顯著，提高了常順礦煤炭資源利用率，為礦井后續(xù)強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的使用提供技術(shù)依據(jù)。

強(qiáng)烈動(dòng)壓；破壞機(jī)理；全錨索支護(hù)；圍巖控制

隨著煤炭資源開采強(qiáng)度的逐年加大，越來越多的礦井存在著大量的動(dòng)壓復(fù)用巷道。這類巷道不僅要經(jīng)受本工作面回采過程中超前壓力的影響，還要受本工作面強(qiáng)烈的滯后動(dòng)壓影響，在經(jīng)歷兩次動(dòng)壓影響后保留下來為下個(gè)工作面服務(wù)，在服務(wù)下個(gè)工作面過程中還需要經(jīng)歷下個(gè)工作面的超前壓力影響，動(dòng)壓復(fù)用巷道與普通的工作面巷道相比，其巷道圍巖變形控制的難度更大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定控制進(jìn)行了較多的研究。郭忠平[1]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)動(dòng)壓巷道變形及超前支承壓力進(jìn)行了分析，認(rèn)為超前支承壓力的峰值位于彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處，頂?shù)装逡平俣鹊姆逯禍髩毫Ψ逯狄欢尉嚯x；康紅普[2-4]認(rèn)為預(yù)應(yīng)力及其擴(kuò)散是高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的核心，架棚支護(hù)和低預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)實(shí)際上是在等待巷道變形以后支護(hù)體才能發(fā)揮作用，只有高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散在支護(hù)中起到很重要的作用，為了將施加在錨桿錨索上的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散到更深更遠(yuǎn)的圍巖中，應(yīng)該選取護(hù)表面積大的護(hù)表構(gòu)件。由于受到頂板冒落易造成重大的傷人事故，而巷幫變形經(jīng)處理就能滿足使用的思想的影響，目前國(guó)內(nèi)煤礦巷道支護(hù)均重頂板而輕兩幫，部分學(xué)者[5-6]針對(duì)這種情況對(duì)動(dòng)壓巷道的巷幫進(jìn)行了重點(diǎn)支護(hù)取得了良好的效果。本文針對(duì)晉能集團(tuán)常順煤礦9105膠帶巷受9104工作面回采強(qiáng)烈采動(dòng)影響并留巷的支護(hù)難題，分析了9105膠帶巷破壞因素和控制機(jī)理，提出了巷道加固支護(hù)方案，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。

1 工程概況

山西晉能集團(tuán)常順煤礦9104膠帶巷是9103工作面的尾巷，在經(jīng)歷9104工作面的回采動(dòng)壓影響后留巷為9104工作面服務(wù)。9104膠帶巷與9103回風(fēng)巷之間的凈煤柱寬度為15m，巷道掘進(jìn)期間支護(hù)強(qiáng)度偏低，在發(fā)現(xiàn)巷道已經(jīng)發(fā)生較大變形后全巷進(jìn)行強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但使用的是槽鋼托板、U型鋼托板等護(hù)表面積較小的托板，補(bǔ)強(qiáng)效果較差，最終9104進(jìn)風(fēng)巷留巷失敗，后又預(yù)留15m煤柱重新掘進(jìn)了一條進(jìn)風(fēng)巷才保證了9104工作面的正?；夭伞，F(xiàn)在9105工作面進(jìn)風(fēng)巷遇到了相同的問題，前期支護(hù)比較簡(jiǎn)單，如果重蹈9104工作面的覆轍將給煤礦帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，并且嚴(yán)重打亂了煤礦正常的銜接計(jì)劃，針對(duì)此問題，開展9105工作面進(jìn)風(fēng)巷加固措施的研究，確保礦井正常生產(chǎn)。

2 9105工作面進(jìn)風(fēng)巷動(dòng)壓變形破壞分析

2.1 巷道掘進(jìn)期間支護(hù)

9105膠帶巷的支護(hù)材料：錨桿材質(zhì)為335號(hào)螺紋鋼錨桿，桿體直徑20mm，長(zhǎng)度2000mm，錨索為1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑17.8mm，長(zhǎng)度8250mm，W鋼帶型號(hào)為W235/250/3-4300-6，錨桿托板為100mm×100mm×10mm的平墊片，錨索托板為14號(hào)槽鋼，長(zhǎng)度400mm，錨桿錨索同布在W鋼帶上，網(wǎng)片為10號(hào)鐵絲編織而成的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，錨固劑型號(hào)為MSCK120，9105膠帶巷煤柱側(cè)幫采用螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，工作面?zhèn)炔捎貌Ａт撳^桿進(jìn)行支護(hù)。巷道頂板錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩150N·m，巷幫金屬錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩120N·m，玻璃鋼錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊扭矩40N·m，錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力100kN，9105膠帶巷掘進(jìn)期間錨桿支護(hù)布置如圖1所示。

圖1 9105膠帶巷支護(hù)參數(shù)

2.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視

煤礦井下巷道圍巖是一個(gè)非常復(fù)雜的地質(zhì)體。與其他工程材料相比，巷道圍巖內(nèi)部含有各種類型的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙、離層、層理等，這些不連續(xù)面都能對(duì)巖體的強(qiáng)度特征和變形特征進(jìn)行顯著地改變，導(dǎo)致巖塊與巖體的強(qiáng)度相差極大。為了分析動(dòng)壓巷道的變形機(jī)理和更精確地設(shè)計(jì)加固參數(shù)，在9105膠帶巷進(jìn)行了巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視。窺視結(jié)果顯示，在經(jīng)受回采動(dòng)壓之前，巷道淺部已經(jīng)發(fā)生了變形，從圖2可以看出，巷道頂板的破壞范圍已經(jīng)達(dá)到2.5m，巷幫的破壞范圍已經(jīng)達(dá)到2m，表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示巷道基本未發(fā)生變形。

圖2 9105膠帶巷圍巖結(jié)構(gòu)窺視照片

2.3 原支護(hù)效果分析

巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果表明，巷道頂板的破壞范圍已經(jīng)達(dá)到2.5m，巷幫的破壞范圍已經(jīng)達(dá)到2m，而錨桿的長(zhǎng)度為2m，也就是說錨桿錨固范圍內(nèi)的圍巖已經(jīng)破碎，錨桿的作用只是在一定程度上加固了破碎的圍巖體，無法起到懸吊作用，如果圍巖破碎比較嚴(yán)重，錨固劑已失去其錨固作用，此時(shí)的錨桿相當(dāng)于虛設(shè)，根本起不到加固作用。由此可見，能夠保持巷道不垮的主要支護(hù)為錨索。

2.4 動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞分析

常順煤礦留巷巷道圍巖變形破壞的根本原因是強(qiáng)烈回采動(dòng)壓影響所致，客觀原因是巷內(nèi)初次支護(hù)強(qiáng)度和剛度較低，不能有效抵抗圍巖的大變形，導(dǎo)致動(dòng)壓作用時(shí)發(fā)生了圍巖的大變形。具體來說，巷道初期圍巖已破壞，在動(dòng)壓的作用下，破碎圍巖變形錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致垮落，盡管有鋼帶及網(wǎng)輔助支護(hù)，但破碎圍巖已與完整頂板脫離，形成大面積的網(wǎng)包，這些網(wǎng)包全靠錨索懸吊，錨桿的作用已微乎其微。巷幫錨桿起錨高度偏高，導(dǎo)致幫部支護(hù)系統(tǒng)對(duì)巷幫底部煤體的控制作用降低，所有這些導(dǎo)致了巷道在未經(jīng)受回采動(dòng)壓之前幫頂淺部已經(jīng)破壞到錨桿錨固位置。在經(jīng)受回采動(dòng)壓影響后，由于動(dòng)壓劇烈，支護(hù)系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度都偏低，裂隙迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道報(bào)廢。

3 巷道加固措施分析

針對(duì)該類巷道，在巷道未經(jīng)受動(dòng)壓之前應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，巷道淺部雖有裂隙和破壞發(fā)生，但裂隙開度小，破壞范圍有限，根據(jù)高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，如果采取高預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)則能控制該類巷道圍巖的變形。鑒于巷道圍巖裂隙已經(jīng)延伸到錨桿錨固區(qū)，因此采用錨索對(duì)該類巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

研究表明[7]，隨著錨索長(zhǎng)度的縮短，錨索能及時(shí)對(duì)支護(hù)范圍內(nèi)節(jié)理裂隙的張開施加大變形抗力。鑒于此規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬法模擬不同長(zhǎng)度的錨索在同一預(yù)緊力下所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)(見圖3)。模擬的錨索直徑為21.6mm，錨索長(zhǎng)度分別為5m，6m，7m和8m，錨固長(zhǎng)度1970mm，預(yù)緊力250kN。從圖3模擬結(jié)果中可以看出，錨索長(zhǎng)度為5m時(shí)，所產(chǎn)生的支護(hù)壓應(yīng)力為0.2～0.25MPa，并且由于自由段相對(duì)較短，在頂板中間形成了一個(gè)高預(yù)應(yīng)力核將錨索錨固端和孔口端連成一體，說明支護(hù)效果較好；當(dāng)錨索長(zhǎng)度為6m時(shí)，所產(chǎn)生的支護(hù)壓應(yīng)力值為0.2MPa左右，應(yīng)力值有所降低，并且由于自由段加長(zhǎng)了1m，連接在錨固端和孔口端的應(yīng)力核消失了，說明支護(hù)效果略有降低；當(dāng)錨索長(zhǎng)度為7m和8m時(shí)，所產(chǎn)生的支護(hù)壓應(yīng)力降到0.1～0.15MPa，支護(hù)效果進(jìn)一步降低。因此，在合理的錨索長(zhǎng)度范圍內(nèi)，短錨索支護(hù)的效果比長(zhǎng)錨索好。

根據(jù)模擬結(jié)果、頂板巖性及原支護(hù)方式最終選擇加固錨索的長(zhǎng)度為5300mm。

4 支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)的確定

依據(jù)動(dòng)壓巷道強(qiáng)力錨索支護(hù)的特點(diǎn)，結(jié)合具體的9105膠帶巷工程地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC3D模擬軟件，分別對(duì)常順煤礦9105膠帶巷的錨索間距、排距、錨索直徑和錨索長(zhǎng)度等支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，最終確定高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)方案。

4.1 頂板支護(hù)參數(shù)

頂板錨索直徑為21.6mm，長(zhǎng)度5300mm，是1×7股低松弛高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用3支不同速度的錨藥進(jìn)行錨固，1支快速錨藥規(guī)格為MSK2335，2支中速錨藥的規(guī)格為MSZ2360。錨索呈矩形布置，錨索間距1100mm，錨索排距800mm，錨索配套的托板為高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格為300mm×300mm×16mm，鎖具的力學(xué)性能要與錨索配套，錨索破斷力大于500kN，頂板錨索初張力大于250kN。

圖3 不同錨索長(zhǎng)度產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)

鋼筋網(wǎng)片采用直徑為6.5mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，網(wǎng)片規(guī)格為2300mm×1000mm，每排2片，鋼筋網(wǎng)采用勾接的方式連接，勾接長(zhǎng)度100mm，并用雙股16號(hào)綁絲孔孔相連。具體9105膠帶巷頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)布置如圖4所示。

圖4 9105膠帶巷頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

4.2 兩幫支護(hù)參數(shù)

巷幫錨索直徑為21.6mm，長(zhǎng)度4300mm，1×7股低松弛高預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用3支不同速度的錨藥進(jìn)行錨固，1支快速錨藥的規(guī)格為MSK2335，2支中速錨藥的規(guī)格為MSZ2360。錨索呈矩形布置，間距1000mm，排距800mm，錨索配套的托板為高強(qiáng)度拱形托板，規(guī)格為300mm×300mm×16mm，鎖具的力學(xué)性能要與錨索配套，錨索破斷力大于500kN，頂板錨索初張力大于250kN。

鋼筋網(wǎng)片采用直徑為6.5mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，網(wǎng)片規(guī)格為2800mm×1000mm，每排2片，鋼筋網(wǎng)采用勾接的方式連接，勾接長(zhǎng)度100mm，并用雙股16號(hào)綁絲孔孔相連。具體9105膠帶巷兩幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)布置如圖5所示。

圖5 9105膠帶巷兩幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

5 工業(yè)應(yīng)用效果分析

為了監(jiān)測(cè)常順煤礦9105膠帶巷圍巖活動(dòng)規(guī)律及支護(hù)效果，巷道補(bǔ)強(qiáng)期間在9105膠帶巷切眼附近向外間隔25～100m安裝了5組巷道表面位移觀測(cè)測(cè)站，這5組測(cè)站位于距巷口975m，950m，925m，900m和800m左右處，對(duì)不同位置的巷道圍巖變形進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

這些典型測(cè)站觀測(cè)結(jié)果表明：9105膠帶巷兩幫最大移近量330mm，頂?shù)装遄畲笠平?00mm，其中底鼓量500mm以上，正常情況下巷道底鼓量在250mm左右，底鼓量達(dá)到500mm區(qū)域是工作面初采影響區(qū)域，在初采階段由于采面頂板高頂引起初采緩慢，壓在煤柱上的壓力沒有及時(shí)釋放，最終引起巷道底鼓較大，盡管巷道在回采期間局部范圍巷道底鼓量、兩幫移近量比一般巷道大，但基本能夠滿足正常生產(chǎn)及安全的要求，說明高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)系統(tǒng)控制圍巖變形能力強(qiáng)，在對(duì)動(dòng)壓巷道未受動(dòng)壓前進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，能有效地控制圍巖強(qiáng)烈變形。

6 結(jié) 論

(1)常順煤礦動(dòng)壓巷道圍巖變形的根本原因是受回采的強(qiáng)烈動(dòng)壓影響，客觀原因是由于初期支護(hù)強(qiáng)度偏低造成的。

(2)數(shù)值模擬的結(jié)論是短錨索比長(zhǎng)錨索在相同的預(yù)緊力條件下，支護(hù)效果更好，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)證明，高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力短錨索支護(hù)系統(tǒng)控制巷道圍巖變形的能力更強(qiáng)。

(3)根據(jù)常順煤礦具體的動(dòng)壓復(fù)用巷道的特點(diǎn)，提出了9105膠帶巷巷道加固支護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)通過對(duì)9105膠帶巷的數(shù)值模擬分析，制定了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)，并確定了相應(yīng)錨索間距和排距。井下工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果說明9105膠帶巷在服務(wù)期間巷道兩幫和頂板變形控制效果明顯，為常順煤礦后續(xù)動(dòng)壓復(fù)用巷道的加固提供了技術(shù)依據(jù)。

[1]郭忠平.動(dòng)壓巷道變形及超前支承壓力數(shù)值模擬分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(7)：52-53.

[2]康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7)：673-678.

[3]康紅普，林 健，吳擁政.全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2009，34(9)：1153-1159.

[4]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[5]單仁亮，孔祥松，蔚振廷，等.煤巷強(qiáng)幫支護(hù)理論與應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(7)：1304-1314.

[6]何 杰.強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道受力不對(duì)稱特性及幫強(qiáng)控制研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：60-63.

[7]王子越.樹脂錨桿錨固質(zhì)量和桿體變形特征研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2014.

[責(zé)任編輯：王興庫]

Surrounding Rock Deformation Mechanism and Reinforcement Technology of Roadway with Strong Dynamic Pressure Roadway

GUO Xiang-ping1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

It taking 9105 air intake roadway of Changshun coal mine as background，the broken mechanism of surrounding rock in roadway that influenced by strong dynamic pressure was analyzed deeply，surrounding rock deformation control measures of 9105 air intake roadway was determined with engineering experience，and high prestress strengthen cables supporting scheme and its parameters were formulated.The practical in 9105 air intake roadway showed that surrounding rock deformation control during service period of strong dynamic pressure roadway with high prestress cables supporting technique was obviously，coal resource utilization of Changshun coal mine was improved，it references for similar situation.

strong dynamic pressure；broken mechanism；fully cable supporting；surrounding rock control

2016-05-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.016

自然科技基金青年基金項(xiàng)目(51304119)；天地科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2015-TDKC-14)

郭相平(1980-)，男，安徽廬江人，副研究員，碩士，長(zhǎng)期從事巷道支護(hù)的研究與推廣工作。

郭相平.強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞機(jī)理及加固技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(6)：57-60，64.

TD353

A

1006-6225(2016)06-0057-04