深井軟弱圍巖采區(qū)回風(fēng)巷卸壓支護(hù)技術(shù)研究

周 瑞

（霍州煤電金能煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 031500）

1 工程背景

金能煤業(yè)一采區(qū)回風(fēng)巷位于2#煤層中，平均埋深為900～1000m。巷道所在煤層的直接頂為4.5m左右的泥巖與砂質(zhì)泥巖，基本頂為平均厚度在6.5m左右的粗粒砂巖，煤層底板向下直接底為2.55m左右的泥巖，基本底為平均厚度在8.3m左右的細(xì)砂巖。一采區(qū)回風(fēng)巷道采用煤層沿底板掘進(jìn)方式，走向長1306m，為矩形斷面巷道，采用錨桿加U形鋼聯(lián)合支護(hù)的形式。

一采區(qū)回風(fēng)巷為采區(qū)的主要大巷，其圍巖變形量需要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。結(jié)合巷道所處區(qū)域的工程地質(zhì)條件及對其現(xiàn)場圍巖變形觀測可知，一采區(qū)回風(fēng)巷埋深大，圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，在高頂壓和測壓作用下，巷道圍巖容易出現(xiàn)大的變形，平均每半年就需要維修一次，成本高昂。巷道頂板最大下沉量高達(dá)200～300mm，平均變形速率為1.2～1.6mm/d，后期變形速率更高，需進(jìn)行二次支護(hù)。

2 巷道圍巖破壞失穩(wěn)原因分析

（1）一采區(qū)回風(fēng)巷圍巖屬于塑性圍巖，力學(xué)性質(zhì)與工程特性較差，巖體松散破碎，裂隙節(jié)理發(fā)育。巷道直接頂巖層抗壓強(qiáng)度為20～60MPa，圍巖具有易風(fēng)化、遇水軟化崩解等性質(zhì)，導(dǎo)致強(qiáng)度變低。而且在地應(yīng)力不變情況下隨時(shí)間的增長出現(xiàn)變形不斷增大和圍巖強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變特性。

（2）由于一采區(qū)回風(fēng)巷埋深較大和圍巖松散破碎，巷道周邊應(yīng)力較為集中導(dǎo)致頂?shù)装寮皟蓭妥冃屋^大。巷道原支護(hù)方式及后期翻修控制方案主要以加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度為主，通過強(qiáng)化巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度以控制圍巖變形。但采區(qū)巷道服務(wù)年限較長，反復(fù)進(jìn)行巷道整修，勢必會(huì)增加巷道支護(hù)成本，經(jīng)濟(jì)壓力較大。

因此，想要從根本上解決高應(yīng)力大變形問題，最好的辦法就是改善巷道所處環(huán)境的應(yīng)力狀態(tài)，通過挖槽卸壓將巷道放于低應(yīng)力區(qū)，從而達(dá)到控制軟巖巷道大變形，提高穩(wěn)定性的目的。

3 軟巖巷道卸壓模擬分析

由于一采區(qū)回風(fēng)巷底板卸壓槽參數(shù)包括寬度和深度，卸壓以后直接影響到圍巖中新的裂隙產(chǎn)生和發(fā)育程度，最終影響到圍巖注漿參數(shù)和注漿效果。利用數(shù)值計(jì)算軟件UDEC模擬研究卸壓前后巷道圍巖應(yīng)力場的變化，為現(xiàn)場施工提供直接參考具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)巷道所處區(qū)域的工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值軟件UDEC建立如圖1所示的力學(xué)模型。在模型頂板施加均布載荷模擬上覆巖層的重量，q=∑γh=13.25MPa。根據(jù)地應(yīng)力測量結(jié)果可知，該地區(qū)水平側(cè)壓系數(shù)λ為1.8，則模型上部邊界水平應(yīng)力23.85MPa。模型中底板卸壓槽寬度為800mm、深度為1800mm，模型計(jì)算平衡后，對圍巖的應(yīng)力場及位移場變化進(jìn)行分析，從而對卸壓效果的好壞進(jìn)行分析研究。

圖1 力學(xué)模型

3.2 開挖卸壓槽前后巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

為了研究卸壓槽對圍巖應(yīng)力的影響，在巷道頂?shù)装逯芯€、兩幫墻高的水平線位置，分別設(shè)置長度12m的觀測線。在UDEC數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，整理出開挖卸壓槽前后巷道圍巖不同觀測線上測點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律，如圖2所示。

從圖2中可知，卸壓后距巷幫0～3m范圍內(nèi)兩幫支承壓力明顯減小。卸壓前兩幫支承壓力在距巷幫2m處達(dá)到最大值17.2MPa，而卸壓后兩幫支承壓力在距巷幫4m處達(dá)到最大值17.05MPa，卸壓后巷道兩幫支撐壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)2m并降低0.15MPa。卸壓前后距巷幫4～12m范圍內(nèi)巷道兩幫支承壓力都趨于穩(wěn)定，且都為16.6MPa。卸壓前頂板垂直應(yīng)力在距頂板8m處達(dá)到最大值16.09MPa，卸壓后頂板垂直應(yīng)力在距頂板9m處達(dá)到最大值16.16MPa。卸壓后頂板峰值應(yīng)力增加0.07MPa，且向圍巖深部轉(zhuǎn)移1m。

圖2 卸壓前后兩幫和頂板圍巖支承壓力

圖3 卸壓前后底板垂直應(yīng)力和兩幫圍巖水平應(yīng)力

從圖3中知，距底板0～12m范圍內(nèi)，距底板相同位置處卸壓后底板垂直應(yīng)力明顯小于卸壓前，較卸壓前平均減小46.8%。距底板0～2m 范圍內(nèi)，卸壓后底板垂直應(yīng)力基本為0MPa，且距底板 0～5m范圍內(nèi)，卸壓后底板垂直應(yīng)力均小于3MPa，與卸壓前相比底板5m范圍內(nèi)平均減小89.1%。兩幫圍巖水平應(yīng)力距巷幫0～12m范圍內(nèi)一直增加，卸壓后兩幫0～1m范圍內(nèi)水平應(yīng)力為0MPa，且距巷幫相同距離處卸壓后水平應(yīng)力比卸壓前小，較卸壓前平均減小29.7%。

圖4 卸壓前后頂板和底板水平應(yīng)力

從圖4中可知，卸壓前頂板水平應(yīng)力在距頂板6m處到達(dá)峰值47.77MPa，卸壓后水平應(yīng)力在距頂板7m處到達(dá)峰值45.22MPa。卸壓后頂板水平應(yīng)力峰值減小2.55MPa，且向圍巖深部轉(zhuǎn)移1m。卸壓前底板水平應(yīng)力在距底板8m處達(dá)到最大值38.15MPa，而卸壓后底板水平應(yīng)力在監(jiān)測的距離內(nèi)還未達(dá)到最大值，高應(yīng)力向底板深部轉(zhuǎn)移。

綜上所述，底板開挖卸壓槽后，巷道兩幫和底板圍巖支承壓力和水平應(yīng)力具有較明顯卸壓作用，而巷道頂板圍巖的應(yīng)力基本保持不變。開挖卸壓槽以后，頂板下沉量非常小，頂板保持不動(dòng)，而兩幫位移量和底板底臌量較明顯。

4 巷道卸壓支護(hù)方案設(shè)計(jì)與施工

4.1 卸壓支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由于一采區(qū)回風(fēng)巷地壓大，所以在支護(hù)前先在底板開挖卸壓槽進(jìn)行卸壓，卸壓槽參數(shù)采用寬度×深度=800mm×1800mm，卸壓槽長度為硐室長度。金能煤業(yè)所采2#煤層硬度較小，周邊圍巖強(qiáng)度較低，屬于軟巖性質(zhì)，穩(wěn)定性相對較差，針對此類型的巷道需要加大巷道的支護(hù)強(qiáng)度，因此提出對巷道采用錨注支護(hù)方式，通過注漿將圍巖內(nèi)部的裂隙封堵，防止巷道受到淋水影響而穩(wěn)定性發(fā)生變化。即在底板卸壓槽開挖完成后，沿巷道全斷面施工樹脂錨桿，掛網(wǎng)后噴射混凝土，同時(shí)在巷道頂板及兩幫布置注漿錨桿。最終的支護(hù)示意圖如圖5所示。

圖5 卸壓支護(hù)斷面設(shè)計(jì)圖

4.2 現(xiàn)場實(shí)施及工藝要求

4.2.1 現(xiàn)場實(shí)施

刷出毛斷面→實(shí)施第一層次噴漿（80mm）→打第一層次錨桿→第一層次掛鋼絲繩→第二層次噴漿（100mm）→打第二層次錨桿→第二層次掛鋼絲繩→第三層次噴漿（80mm）→打第一層次注漿錨桿→按腰線臥底與開挖卸壓槽→第一層次注漿→根據(jù)觀測監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)打第二層次注漿錨桿→第四層次噴漿（60mm）→第二次注漿。

4.2.2 工藝要求

（1）鋼絲繩搭接長度不小于錨桿間距，即不小于700mm，以搭接相鄰的兩個(gè)錨桿為準(zhǔn)；中間加密的繩徑為單股繩；鋼絲繩間距第一層次為主繩間排距700mm×700mm，中間穿1股單股鋼絲繩，使第一層次支護(hù)的鋼絲繩間排距為350mm×350mm；第二層次為700mm×700mm，中間穿2股單股鋼絲繩，使第二層次支護(hù)的鋼絲繩間排距為230mm×230mm；鋼絲繩要貼緊噴層面，錨桿托盤要壓緊壓實(shí)，嚴(yán)禁托盤懸空。

（2）錨桿錨固力不小于80kN，預(yù)緊力不得小于150N·m；外露螺帽長度30～50mm。

（3）巷道表面混凝土噴層要噴射均勻，保證噴射后的巷道表面無出露的鋼筋網(wǎng)及矸石。

（4）根據(jù)標(biāo)定的巷道腰線進(jìn)行臥底，做到底板平整，坡度一致。

（5）各區(qū)段施工完畢后，必須將巷道內(nèi)的爛雜物及時(shí)清理干凈，做到工完、料凈、現(xiàn)場清，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 結(jié)果分析

一采區(qū)回風(fēng)巷施工后，在巷道內(nèi)建立圍巖變形觀測站，對巷道圍巖變形進(jìn)行30d的觀測，繪制曲線如圖6所示。開挖卸壓槽進(jìn)行錨注支護(hù)后，變形主要集中在前期1～10d內(nèi)，10～20d內(nèi)變形逐漸變緩，20d后變形趨于穩(wěn)定。最終巷道頂板下沉量為141mm，頂?shù)装寮皟蓭屠塾?jì)位移量分別為190mm、136mm，圍巖變形處于可控范圍。

圖6 巷道圍巖位移曲線

5 結(jié)論

（1）針對一采區(qū)回風(fēng)巷變形量大的問題，通過UDEC數(shù)值模擬對比卸壓前后巷道周圍應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)卸壓槽對軟巖巷道周邊應(yīng)力轉(zhuǎn)移具有較好的效果，有利于充分發(fā)揮深部圍巖的承載能力，減少淺部圍壓的支護(hù)阻力，降低巷道的支護(hù)難度。

（2）對巷道采取卸壓及錨注支護(hù)后，最終巷道頂板下沉量為141mm，頂?shù)装寮皟蓭屠塾?jì)位移量分別為190mm、136mm，圍巖變形處于可控范圍，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。