深部軟巖巷道圍巖變形特征及全錨索支護(hù)機理

郭相平，郝登云

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

近年來，隨著淺部煤炭資源的枯竭，各生產(chǎn)礦井開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，而深部巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境及其本身性質(zhì)與淺部圍巖有著本質(zhì)的區(qū)別[1]，深部巷道圍巖支護(hù)不但困擾著煤礦安全生產(chǎn)，也成為煤礦急需解決的問題之一。我國許多專家學(xué)者對深部巷道圍巖的支護(hù)和理論進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的成果?？导t普等[2-3]提出了高預(yù)應(yīng)力強力錨桿索支護(hù)理論，有效控制了深部軟巖巷道圍巖變形；柏建彪等[4]認(rèn)為深部巷道圍巖控制的基本方法是轉(zhuǎn)移圍巖高應(yīng)力、提高圍巖強度以及采用合理的支護(hù)技術(shù)；謝生榮等[5]針對深部軟巖巷道提出了集密集高強錨桿承壓拱、厚層鋼筋網(wǎng)噴層拱和滯后注漿加固拱于一體的錨噴注強化承壓拱支護(hù)技術(shù)；孫曉明等[6]提出的錨網(wǎng)索與圍巖耦合控制技術(shù)有效控制了深部軟巖巷道的圍巖變形。新元煤礦9102原回風(fēng)巷在掘進(jìn)一段距離后，其巷道多處出現(xiàn)異常情況，具體表現(xiàn)為頂板下沉嚴(yán)重，部分錨桿、錨索內(nèi)斷，錨桿托盤嚴(yán)重變形，且頂板托盤有崩斷脫落現(xiàn)象。原回風(fēng)巷的圍巖變形已嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，因此，新元煤礦決定停掘該回風(fēng)巷并退出掘進(jìn)機至9102回風(fēng)巷一部皮帶機尾處，然后沿一部皮帶方向向南重新開掘9102回風(fēng)巷。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過頂板鉆孔窺視、理論分析及數(shù)值模擬分析了原回風(fēng)巷的變形破壞機理，提出了全錨索支護(hù)技術(shù)，有效控制了新掘回風(fēng)巷的圍巖變形。

1 工程概況

新元煤礦9號煤埋深在590～640 m之間，平均埋深620 m，煤層厚度3.06～4.07 m，平均厚度3.40 m，傾角1°～5°，平均傾角2°。9102工作面北部為9號煤南回風(fēng)大巷、輔運大巷、膠帶大巷及北回風(fēng)大巷，東鄰9101采空區(qū)，西接9103采空區(qū)，如圖1所示。9102工作面傾向長度240 m，煤層可采厚度3.4 m，煤質(zhì)松軟破碎，直接頂為2.3 m的軟弱砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，基本頂為厚8.8 m的細(xì)粒砂巖，直接底為2.3 m的砂質(zhì)泥巖，老底為6.8 m的細(xì)粒砂巖。9102工作面原回風(fēng)巷距離9101采空區(qū)25 m，其巷道為寬5.2 m，高3.5 m的矩形，凈斷面為18.2 m2，設(shè)計掘進(jìn)長度為1 779 m，且該巷道頂板層理裂隙發(fā)育，局部有淋水現(xiàn)象。

圖1 9102回風(fēng)巷位置圖Fig.1 Location map of 9102 return air roadway

2 原回風(fēng)巷圍巖變形破壞特征及原因分析

9102原回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式，其具體參數(shù)為：頂板及兩幫均采用Φ20 mm×2 400 mm的強螺紋鋼錨桿，間排距都為900 mm×800 mm，且都有W鋼帶護(hù)板及金屬網(wǎng)；頂板每排布置三根Φ21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為900 mm×1 000 mm，每幫在兩排W鋼護(hù)板之間施工Φ17.8 mm×4 300 mm錨索兩根，距頂板和底板500 mm。在施工一段距離之后，原回風(fēng)巷圍巖表現(xiàn)出大變形、錨桿索內(nèi)斷及頂板托盤崩斷脫落等特點，其變形破壞特征及原因如下。

1) 圍巖整體變形量大、持續(xù)時間長。巷道掘進(jìn)20 d后，頂板下沉量約為300 mm，且頂板托盤有崩斷脫落現(xiàn)象，兩幫移近量達(dá)254 mm，其幫部托盤已嚴(yán)重變形。根據(jù)9105進(jìn)風(fēng)巷的地應(yīng)力測試結(jié)果可知，該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為17.4 MPa，方向為N68.1°E，最小水平主應(yīng)力為10.04 MPa，垂直應(yīng)力為15.79 MPa。同時，9102原回風(fēng)巷距離9101采空區(qū)25 m，其工作面開采后煤柱內(nèi)的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力明顯增大，使得原回風(fēng)巷的應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜。在復(fù)雜高水平應(yīng)力場及垂直應(yīng)力場條件下，普通巖石往往呈現(xiàn)出軟弱、破碎、松散、膨脹以及流變等軟巖特性。因此，開挖后的巷道圍巖易出現(xiàn)應(yīng)力集中系數(shù)大、非固有屬性惡化以及強度顯著降低等特征，使得圍巖變形持續(xù)增大，圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，造成巷道圍巖破裂損傷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2) 頂板結(jié)構(gòu)破裂范圍的層次性。根據(jù)9102原回風(fēng)巷圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視可知，頂板0～0.4 m處裂隙發(fā)育，且有離層現(xiàn)象，0.4～1.5 m處有小裂隙，1.5～2.6 m之間縱向裂隙高度發(fā)育、巖層破碎嚴(yán)重，2.6～7.7 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，且以縱向裂隙為主，7.7～8.4 m之間未發(fā)現(xiàn)裂隙，屬于完整巖層。

3) 圍巖支護(hù)不合理、支護(hù)構(gòu)件失效破壞嚴(yán)重。頂板下沉嚴(yán)重，部分錨桿、錨索內(nèi)斷，錨桿托盤嚴(yán)重變形，且頂板托盤有崩斷脫落現(xiàn)象。原回風(fēng)巷圍巖支護(hù)不合理主要表現(xiàn)在：①錨索托盤與巖面接觸為平板接觸，無拱窩和調(diào)心球墊，在錨索施工有一定角度時無法調(diào)節(jié)錨索的安裝方向，導(dǎo)致錨索鑄鐵托盤與巖面剪切將錨索剪斷；②采用的錨桿長度為2.4 m，剛好錨固到頂板巖層縱向裂隙發(fā)育區(qū)，極大地降低了錨桿錨固效果；③巷幫滯后支護(hù)四排，沒有及時預(yù)緊，造成裂隙發(fā)育，幫部破損嚴(yán)重。

3 新掘回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分析及支護(hù)方案的確定

根據(jù)上述分析及現(xiàn)場工程實踐可知，在掘進(jìn)9102原回風(fēng)巷的過程中，巷道多處出現(xiàn)異常情況，具體表現(xiàn)為頂板下沉嚴(yán)重，部分錨桿、錨索內(nèi)斷，錨桿托盤嚴(yán)重變形，且頂板托盤有崩斷脫落現(xiàn)象，原回風(fēng)巷的嚴(yán)重變形已威脅礦井正常生產(chǎn)。因此，新元煤礦決定停掘該回風(fēng)巷并退出掘進(jìn)機至9102回風(fēng)巷一部皮帶機尾處，然后沿一部皮帶方向向南重新開掘9102回風(fēng)巷，見圖1。

3.1 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力及位移分析

本節(jié)通過數(shù)值模擬研究新掘回風(fēng)巷的圍巖應(yīng)力分布情況，建立300 m×100 m×150 m(長×寬×高)的FLAC3D數(shù)值模型，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型，模型四周及底部均為固定邊界條件，上邊界為自由邊界條件，并在其上邊界施加上覆巖層的自重載荷。根據(jù)現(xiàn)場實際施工順序?qū)δＰ瓦M(jìn)行開挖分析，得到應(yīng)力云圖(圖2)。

由圖2可知，原回風(fēng)巷圍巖的應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約3.8 m，最大應(yīng)力值為38.5 MPa，但其左側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯偏大，對煤幫穩(wěn)定性影響較大。新掘回風(fēng)巷的圍巖應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約3.4 m，最大應(yīng)力值為32.5 MPa，且應(yīng)力集中區(qū)范圍較原回風(fēng)巷應(yīng)力集中區(qū)小，煤柱穩(wěn)定性相對較好。兩回風(fēng)巷頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力分布基本一致，在頂板巖層1.9 m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力小于2.5 MPa，基本無承載力，1.8～3.5 m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力小于7.5 MPa，圍巖承載能力較弱，而5.5 m以上的巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，承載能力強。因此，與原回風(fēng)巷相比，新掘回風(fēng)巷的圍巖應(yīng)力環(huán)境更好，有利于圍巖控制方案的實施。

圖2 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of surrounding rockin return air roadway

圖3 回風(fēng)巷圍巖位移云圖Fig.3 Displacement nephogram of surrounding rockin return air roadway

由圖3可知，原回風(fēng)巷頂板淺部的下沉量為110 mm，且隨著遠(yuǎn)離回風(fēng)巷頂板表面，頂板巖層下沉量呈增長的趨勢，而新掘回風(fēng)巷頂板淺部的下沉量為90 mm，深部頂板的下沉量也都小于90 mm，表明新掘回風(fēng)巷頂板巖層相對穩(wěn)定。與原回風(fēng)巷相比，新掘回風(fēng)巷距離采空區(qū)較遠(yuǎn)，受采空區(qū)覆巖運動的影響也相對較弱，圍巖變形也較小，則采取合理的支護(hù)措施，更能保障巷道圍巖的穩(wěn)定。

3.2 新掘回風(fēng)巷圍巖支護(hù)技術(shù)

根據(jù)上述分析結(jié)合原回風(fēng)巷的支護(hù)方案，采用全錨索支護(hù)技術(shù)控制新掘回風(fēng)巷圍巖變形。根據(jù)頂板圍巖結(jié)構(gòu)窺視結(jié)果、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實際，確定頂板錨索為Φ21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為900 mm×800 mm，預(yù)緊力不小于250 kN；幫部錨索為Φ17.8 mm×6 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為900 mm×800 mm，預(yù)緊力不小于150 kN。頂板8.3 m和幫部6.3 m的錨索可使其錨固到穩(wěn)定原巖中，增強錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并調(diào)動深部巖層一起抵抗圍巖變形。同時，全錨索支護(hù)的應(yīng)用使其在圍巖一定范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力形成一個“幾”字型承載結(jié)構(gòu)(圖4)，該承載結(jié)構(gòu)把巷道頂板和兩幫連為一個整體，有效改善了圍巖受力狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉剪破壞的出現(xiàn)，控制應(yīng)力場內(nèi)圍巖滑移、裂隙擴(kuò)展及新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容現(xiàn)象，保持圍巖的完整性，發(fā)揮其自身承載性能，提高頂板巖層的抗剪及抗彎性能，增強幫部的抗壓及抗剪性能[7-8]。此外，巷道圍巖淺部的高預(yù)應(yīng)力可擠壓淺部破碎巖層，增強破碎巖層承載性，且金屬網(wǎng)和W鋼帶能有效增強預(yù)應(yīng)力場的擴(kuò)散效果，進(jìn)一步提高淺部圍巖的完整性及承載性。

圖4 回風(fēng)巷全錨索支護(hù)預(yù)應(yīng)力云圖Fig.4 Prestressed nephogram of full cable supportin return air roadway

3.3 新掘回風(fēng)巷圍巖支護(hù)參數(shù)

新掘回風(fēng)巷圍巖支護(hù)圖見圖5。頂板支護(hù)參數(shù)：采用Φ21.6 mm×8 300 mm的高強度礦用鋼絞線錨索沿頂板W鋼帶垂直打設(shè)，并配合配套鎖具，間排距為900 mm×800 mm，預(yù)緊力不小于250 kN，采用1支MSK23120樹脂藥卷錨固，W護(hù)表鋼帶的規(guī)格為BHW235/280/4-4800-6，金屬網(wǎng)為網(wǎng)格50 mm×50 mm的10#鐵絲編織，規(guī)格5 400 mm×900 mm；兩幫支護(hù)參數(shù)：采用Φ17.8 mm×6 300 mm的高強度礦用鋼絞線錨索，錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm的高強度可調(diào)心托板及配套鎖具，托板承載力不低于353 kN，托板高度不低于58 mm(±2 mm)，錨索間排距為900 mm×800 mm，預(yù)緊力不小于150 kN，采用1支樹脂藥卷錨固，金屬網(wǎng)為網(wǎng)格50 mm×50 mm的10#鐵絲編織，規(guī)格3 500 mm×900 mm，兩網(wǎng)片之間搭接100 mm，采用16#鉛絲連接，雙絲雙扣梳辮法間隔100 mm連接一道，并不得小于3扣。

4 回風(fēng)巷圍巖支護(hù)效果

為了掌握新掘回風(fēng)巷圍巖支護(hù)效果，設(shè)置測站進(jìn)行新掘回風(fēng)巷表面位移監(jiān)測。由圖6可知，新掘回風(fēng)巷采用全錨索支護(hù)后，在施工10 d內(nèi)，回風(fēng)巷頂?shù)装寮皟蓭偷囊平靠焖僭黾拥?7 mm和50 mm；10 d后，新掘回風(fēng)巷圍巖變形速率逐漸下降，直至40 d后，回風(fēng)巷圍巖變形速率達(dá)到0，其圍巖位移也基本趨于穩(wěn)定，即頂?shù)装逡平炕沮呌?8 mm，兩幫移近量基本穩(wěn)定在80 mm，且錨索支護(hù)系統(tǒng)未出現(xiàn)大變形和損壞現(xiàn)象。監(jiān)測結(jié)果表明，采用全錨索支護(hù)有效控制了回風(fēng)巷的圍巖變形問題，確保了采掘正常接替。

圖5 回風(fēng)巷圍巖支護(hù)圖Fig.5 Surrounding rock support map ofreturn air roadway

圖6 回風(fēng)巷圍巖變形量Fig.6 Deformation of surrounding rock inreturn air roadway

5 結(jié) 論

1) 原回風(fēng)巷圍巖變形原因主要有以下三點：①復(fù)雜高水平應(yīng)力場和垂直應(yīng)力場導(dǎo)致圍巖整體變形量大、持續(xù)時間長；②頂板結(jié)構(gòu)破裂范圍的層次性；③圍巖支護(hù)不合理、支護(hù)構(gòu)件失效破壞嚴(yán)重。

2) 數(shù)值模擬表明，新掘回風(fēng)巷的圍巖應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約3.4 m，最大應(yīng)力值為32.5 MPa，且應(yīng)力集中區(qū)范圍較原回風(fēng)巷應(yīng)力集中區(qū)小，圍巖應(yīng)力環(huán)境更好，更有利于圍巖控制方案的實施。

3) 新掘回風(fēng)巷采用全錨索支護(hù)形成的“幾”字型預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，保障了圍巖的完整性，提高了圍巖的承載性能，有效控制了回風(fēng)巷的圍巖變形。