破碎區(qū)準(zhǔn)備巷道圍巖耦合控制研究

王 力

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

煤層由于在成煤作用時(shí)期受到諸多高強(qiáng)度的地質(zhì)作用，煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育、強(qiáng)度較低[1]。在受到巷道采掘擾動(dòng)后，若支護(hù)強(qiáng)度不足，極易造成“支護(hù)體-圍巖”共同承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，巷道圍巖破碎。在原巖應(yīng)力重新分布之下，造成巷道整體失穩(wěn)，巷道表面收斂量劇烈、巷道圍巖失穩(wěn)，嚴(yán)重影響巷道的正常使用[2,3]。采（盤）區(qū)準(zhǔn)備大巷，承擔(dān)著整個(gè)采（盤）區(qū)內(nèi)的材料、設(shè)備、人員、煤流以及風(fēng)流的運(yùn)輸與傳遞，對(duì)于礦井的生產(chǎn)與安全有著直接的影響與控制作用。若大巷圍巖破碎，結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)，則嚴(yán)重影響采區(qū)作業(yè)，不利于礦井的高效安全生產(chǎn)。針對(duì)大巷以及采（盤）區(qū)準(zhǔn)備巷道的破碎圍巖支護(hù)問題，眾多煤炭科技工作者進(jìn)行了研究與探索，但各個(gè)煤礦煤層圍巖地質(zhì)條件千差萬別，故應(yīng)當(dāng)結(jié)合礦井實(shí)際工程地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的采（盤）區(qū)巷道支護(hù)參數(shù)與形式，提出經(jīng)濟(jì)上合理，安全上可靠的巷道圍巖控制方案。

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦東輔運(yùn)大巷為南北走向，布置在3#煤層中，無其他采掘煤層影響。巷道開口位置南邊為東輔運(yùn)大巷已掘巷道，東側(cè)60m處為未施工的東回風(fēng)開拓大巷，西側(cè)60m處是主運(yùn)大巷已施工巷道，北側(cè)為未采掘?qū)嶓w煤區(qū)域。東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)3#煤層厚度5.6～5.8m，平均5.65m，煤層傾角3°～18°，平均10°，煤層層理中等發(fā)育，煤層節(jié)理中等發(fā)育。該煤層賦存于二疊系山西組地層中下部，為陸相湖泊沉積，結(jié)合東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)礦井3181號(hào)鉆孔及主運(yùn)大巷揭露煤層結(jié)構(gòu)情況，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，局部有1～2層塊狀?yuàn)A矸，煤層普氏系數(shù)為0.3～0.5。東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地面標(biāo)高+913.7～ +941.7m，井下標(biāo)高+460～ +500m，工作面最大埋深481.7m，最小埋深413.7m。巷道頂?shù)装搴穸扰c巖性見表1。東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)無大型地質(zhì)構(gòu)造，無斷層與陷落柱揭露，東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)范圍內(nèi)地質(zhì)條件與水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單。

東輔運(yùn)大巷巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，設(shè)計(jì)毛斷面為（寬）5.5×（高）5.6m，凈斷面為（寬）5.2×（高）5.3m，掘進(jìn)時(shí)大巷沿底掘進(jìn)，采用全斷面一次掘進(jìn)方法。

表1 煤層頂?shù)装逄匦员?/p>

2 破碎圍巖巷道破壞特征

由于巷道掘進(jìn)高度小于煤層厚度，同時(shí)煤層上覆偽頂、直接頂為強(qiáng)度較弱的泥巖與炭質(zhì)泥巖，在受到掘進(jìn)擾動(dòng)后，形成圍巖破碎巷道。此時(shí)巷道頂板與兩幫呈散體狀態(tài)，極易形成平衡散體拱結(jié)構(gòu)，可依據(jù)秦巴列維奇理論建立如下力學(xué)模型，見圖1。

圖1 秦巴列維奇理論力學(xué)模型圖

由圖1可知，巷道受到三向壓力影響，由于頂板形成散體拱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生“卸荷”效應(yīng)，對(duì)巷道產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)。巷道兩側(cè)受到水平應(yīng)力的影響，破碎圍巖若無有效支護(hù)則自行垮塌，形成煤壁片幫等現(xiàn)象。因此，必須對(duì)巷道頂板最大破壞深度h以及巷道兩幫最大垮落深度進(jìn)行預(yù)計(jì)，以防止巷道圍巖失穩(wěn)。計(jì)算公式見式（1）、（2）、（3）。

式中：

H-巷高，取5.6m；

θ-煤塌陷角，°；

φ-煤內(nèi)摩擦角，取28°；

式中：

a-巷寬，取2.6m；

RC-煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度，取5.2MPa。

帶入公式可得，巷道兩幫最大破壞深度b為3.4m，巷道頂板最大冒落高度h為11.5m。

3 巷道優(yōu)化支護(hù)形式及效果

考慮上述理論計(jì)算中的兩幫以及頂板破壞深度較大，單純采用普通的“錨桿-錨索-噴漿”聯(lián)合支護(hù)措施，已經(jīng)不能滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求，故考慮長(zhǎng)短錨索結(jié)合的全錨索支護(hù)形式，即一次支護(hù)為短錨索支護(hù)，二次加打長(zhǎng)錨索支護(hù)，最終對(duì)巷道表面進(jìn)行噴漿。設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)見表2。巷道支護(hù)斷面圖見圖2。

表2 巷道優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

圖2 巷道支護(hù)斷面圖

4 巷道失穩(wěn)預(yù)警閾值計(jì)算

采用彈塑性力學(xué)中的卡斯特納理論，對(duì)東翼盤區(qū)輔運(yùn)大巷道各種支護(hù)情形下破碎圍巖最大位移進(jìn)行計(jì)算。由彈塑性力學(xué)可知，在宏觀受力剖面上，可將巷道圍巖破壞視為以圓形塑性區(qū)漸進(jìn)發(fā)展，同時(shí)，巷道水平應(yīng)力在350m之下可近似視為與垂直應(yīng)力相等。破碎圍巖力學(xué)原理見圖3。

圖3 破碎圍巖受力模型圖

4.1 巷道一次支護(hù)時(shí)機(jī)

巷道圍巖掘進(jìn)后無支護(hù)時(shí)，巷道圍巖失穩(wěn)破碎時(shí)的最大位移可按式（4）計(jì)算[4]。

式中：

-巷道圍巖失穩(wěn)破碎時(shí)的最大位移，mm；

r0-矩形巷道對(duì)角線之半，取4.0m；

P-大巷原巖應(yīng)力，P=γH，其中，γ為上覆巖層平均容重，取24.5kN/m3，H為覆巖最大埋深，取481.7m；

φ-圍巖平均內(nèi)摩擦角，實(shí)驗(yàn)測(cè)得為28°；

G-圍巖體積模量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得為2.45GPa；

C-圍巖粘聚力，取1.46MPa。

帶入計(jì)算可知，巷道圍巖掘進(jìn)后無支護(hù)時(shí)，巷道圍巖失穩(wěn)破碎時(shí)的最大位移為6.94mm，為考慮一定的安全系數(shù)，取6mm。

4.2 巷道二次支護(hù)時(shí)機(jī)

巷道一次支護(hù)后，由于支護(hù)強(qiáng)度不夠，必然會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步破壞，塑性區(qū)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，但此時(shí)必須將一次支護(hù)強(qiáng)度P1納入考慮范圍，但由于在一次支護(hù)后P1必然受到諸多人為因素的影響，必須對(duì)此進(jìn)行實(shí)測(cè)，故此處不做具體計(jì)算，只給出計(jì)算方法，見式（5）。

式中：

R0-一次支護(hù)后塑性區(qū)發(fā)展范圍，m；

P1-一次支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

二次支護(hù)時(shí)最大失穩(wěn)位移可按式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中：

-一次支護(hù)后巷道圍巖失穩(wěn)破碎時(shí)的最大位移，mm；

RD-一次支護(hù)完全失穩(wěn)距離，即短錨索長(zhǎng)度與r0之和，9.0m。

帶入計(jì)算可得，一次支護(hù)后巷道圍巖失穩(wěn)破碎時(shí)的最大位移為15.6mm，考慮一定安全系數(shù)，取15mm。

故可在巷道掘進(jìn)完成后，監(jiān)測(cè)巷道表面位移計(jì)，在巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量或兩幫移近量達(dá)到6mm之前，必須進(jìn)行一次支護(hù)。在一次支護(hù)完成后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一次支護(hù)強(qiáng)度，帶入式（5）計(jì)算得到一次支護(hù)失穩(wěn)位移，在巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量或兩幫移近量達(dá)到該值之前，必須進(jìn)行二次支護(hù)。巷道全部支護(hù)完成后，在巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量或兩幫移近量達(dá)到15mm之后，必須采取相應(yīng)緊急措施，例如圍巖注漿等措施，以維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4.3 巷道支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)效果，在東輔運(yùn)大巷掘進(jìn)支護(hù)完成后，進(jìn)行了鉆孔窺視，對(duì)巷道圍巖狀況進(jìn)行了觀測(cè)，見圖4，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)見圖5。

圖4 巷道表面0～2m鉆孔窺視結(jié)果

在圖4中可以看出，巷道覆巖0～2m范圍之內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的縱向破壞裂隙，也未出現(xiàn)明顯的橫向?qū)永戆l(fā)育，巖層整體保持穩(wěn)定，可見新的“全錨索”支護(hù)參數(shù)可以有效保證巷道圍巖穩(wěn)定。

由圖5巷道表面位移變化圖可以看出，東輔運(yùn)大巷頂?shù)装遄畲笠平繛?.9mm，兩幫移近量最大為2.1mm。巷道變形量均在巷道安全預(yù)警閾值之內(nèi)，再次證明新的“全錨索”支護(hù)參數(shù)可以有效控制巷道表面位移，保證巷道安全使用。

圖5 巷道表面位移隨時(shí)間變化圖

5 結(jié)論

采用秦巴列維奇理論，確定兩幫最大片幫深度為3.4m，巷道頂板最大冒落高度為11.5m。采用卡斯特納理論，計(jì)算了東翼盤區(qū)輔運(yùn)大巷道圍巖最大失穩(wěn)位移為6.94mm，二次支護(hù)時(shí)最大失穩(wěn)位移為15.6mm。考慮一定安全富余量，得出巷道失穩(wěn)預(yù)警閾值，當(dāng)巷道完全支護(hù)完成后，圍巖變形量為15mm，巷道完全破壞，必須采取緊急措施。設(shè)計(jì)了巷道支護(hù)參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道表面0～2m圍巖穩(wěn)定，東輔運(yùn)大巷頂?shù)装遄畲笠平繛?.9mm，兩幫移近量最大為2.1mm，滿足預(yù)警閾值要求，巷道支護(hù)方案起到了作用。