城郊煤礦深部巷道圍巖破壞機(jī)理及主動(dòng)控制技術(shù)

張文康，劉旦龍，孫大增

(1.河南能源化工集團(tuán)永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

深部圍巖在高應(yīng)力和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的雙重作用下常表現(xiàn)出工程軟巖的變形特征，巷道短時(shí)變形和蠕變均十分嚴(yán)重[1-4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)深部巷道的破壞機(jī)理、巷道圍巖評(píng)價(jià)、支護(hù)技術(shù)、監(jiān)測手段等方面進(jìn)行了大量的研究[5-7]，形成了以新奧理論、能量支護(hù)理論、聯(lián)合支護(hù)理論、關(guān)鍵部位耦合支護(hù)理論為代表的經(jīng)典理論[8-10]，以及棚式支護(hù)、注漿加固技術(shù)、噴漿加固技術(shù)和錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)等支護(hù)技術(shù)，其中錨桿支護(hù)因具有主動(dòng)承載、施工方便、成本低、支護(hù)效果好的特點(diǎn)而被廣泛用于煤礦巷道支護(hù)[11-12]。然而，隨著開采深度不斷加大，“四高一擾動(dòng)”愈發(fā)增強(qiáng)，且地質(zhì)條件愈發(fā)復(fù)雜，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)方式已經(jīng)難以滿足深部巷道的支護(hù)要求，因此逐漸形成了多種形式的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)和改進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)[10, 12-15]。

河南省正龍煤業(yè)城郊煤礦逐漸進(jìn)入埋深大于800 m的二水平開采階段。二水平南翼軌道大巷和21105上巷服務(wù)期間，圍巖變形速度快，造成了嚴(yán)重的錨桿拉斷問題，且巷道底鼓嚴(yán)重，多次翻修后底鼓量仍然較大，嚴(yán)重制約了礦井高效生產(chǎn)。

基于城郊煤礦二水平深部巷道變形失穩(wěn)嚴(yán)重的工程背景，針對(duì)深部巷道圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵因素及其作用機(jī)制進(jìn)行分析，提出適用于二水平南翼軌道大巷和21105上巷煤巷的支護(hù)理論和支護(hù)方案，擬解決類似條件下的深部巷道支護(hù)難題。

1 城郊煤礦深部巷道圍巖特征

1.1 頂?shù)装鍘r性和地應(yīng)力

城郊煤礦21105上巷埋深均超過800 m。根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，城郊煤礦深部巷道最大主應(yīng)力σ1為17～19 MPa，與鉛垂方向夾角為100°～110°，沿東北向。煤巖層柱狀圖如圖1所示，二2煤層平均厚2.65 m，直接頂為厚3.53 m的泥巖，基本頂為厚8.99 m的細(xì)粒砂巖，直接底為厚2.16 m的泥巖，基本底為厚13.48 m的細(xì)粒砂巖。

圖1 煤巖層柱狀圖

二2煤層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示。

表1 二2煤層頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度測試結(jié)果

由表1可知，城郊礦二2煤層圍巖的抗壓強(qiáng)度為42.09～112.76 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.76～9.62 MPa，黏聚力約為1.13～4.91 MPa，內(nèi)摩擦角為25.43°～37.23°。強(qiáng)度測試結(jié)果表明，城郊煤礦巷道圍巖強(qiáng)度較高，但是頂?shù)装寰鶠槟鄮r，而泥巖在遇水后易發(fā)生膨脹和崩解，容易造成圍巖失穩(wěn)。

1.2 城郊煤礦深部巷道圍巖失穩(wěn)特征

當(dāng)頂板節(jié)理不發(fā)育時(shí)，頂板巖體不易發(fā)生塑性破壞；當(dāng)頂板節(jié)理發(fā)育時(shí)，頂板巖層破壞后，離層較大，巖塊間擠壓錯(cuò)動(dòng)，并在自重作用下失穩(wěn)垮落。

當(dāng)巷幫巖體較為堅(jiān)硬時(shí)，巷幫表面易形成楔形“片幫”區(qū)域；當(dāng)巷幫巖體較為軟弱時(shí)，幫部巖體沿節(jié)理面產(chǎn)生塑性剪切破壞后向巷道內(nèi)擠進(jìn)。

底鼓的初始速度大，之后逐漸減緩并過渡到比較穩(wěn)定的階段。底鼓速度趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長，而且在穩(wěn)定狀態(tài)下底板巖層仍以一定的速度向巷道內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)總的底鼓量超過一定數(shù)值后，底鼓速度還會(huì)再度增大，易導(dǎo)致底板巖層被破壞。

2 城郊煤礦深部巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理

2.1 圍巖失穩(wěn)主要影響因素

城郊煤礦深部巷道大變形的主要原因是應(yīng)力較大、存在遇水軟化泥巖和破碎構(gòu)造帶，具體如下：

1)城郊煤礦二水平埋深超過800 m，根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果可知，圍巖最大主應(yīng)力σ1=17～19 MPa，這已經(jīng)超過了部分軟弱巖層的強(qiáng)度。巷道開挖后處于單向受力狀態(tài)，在高應(yīng)力下容易產(chǎn)生大變形。

2)由井下二水平南翼軌道大巷頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)取樣結(jié)果可知，二2煤層直接頂和底板是以5 m以上厚的泥巖和細(xì)中粒砂巖為主，部分區(qū)域?yàn)楸幽鄮r和砂質(zhì)泥巖。經(jīng)過試驗(yàn)測定得知砂巖和泥巖的軟化系數(shù)分別為0.75～0.97、0.10～0.50，這表明泥巖遇水易軟化，而砂巖不易軟化，因此含泥巖成分的砂巖和泥巖是影響深部巷道穩(wěn)定性的主要巖石類別。

3)根據(jù)城郊煤礦的地質(zhì)構(gòu)造分析可知，井田由于受到NWW向的伸展應(yīng)力場的作用，在巖體內(nèi)形成了北北東向的大量破碎帶，破碎帶內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)巖體降低了圍巖的整體強(qiáng)度。

2.2 深部巷道底鼓機(jī)理

城郊煤礦深部巷道存在大量的泥巖層，軟弱泥巖在深部高的動(dòng)、靜載荷及水軟化作用下容易發(fā)生塑性流動(dòng)，體積膨脹，進(jìn)而造成晶體間膠結(jié)能力變?nèi)?，裂隙逐漸擴(kuò)展和貫通。此時(shí)，兩幫和頂板巖體強(qiáng)度大于底板巖體強(qiáng)度，在兩幫巖柱的擠壓和遠(yuǎn)場應(yīng)力作用下，底板軟弱破碎巖體被擠壓至巷道內(nèi)，造成持續(xù)性的巷道底鼓。

城郊煤礦深部巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)中認(rèn)為挖底出碴工作量大，砌筑底拱繁瑣，故并沒有采取針對(duì)性的底鼓治理措施，使巷道的底板處于敞開不支護(hù)狀態(tài)，反復(fù)進(jìn)行底板翻修，造成底板松動(dòng)圈擴(kuò)大。生產(chǎn)上出于安全考慮，總是加固或支護(hù)巷道頂板和兩幫以防止冒頂和片幫，而認(rèn)為底板即使破壞也無關(guān)緊要。巷道幫部和頂板沒有及時(shí)進(jìn)行控制，導(dǎo)致幫部和頂板壓力向底板傳遞，加劇了底鼓程度。

3 城郊煤礦巷道圍巖地質(zhì)特征分類

圍巖與支護(hù)體的共同作用決定著巷道的穩(wěn)定性，支護(hù)方案的選取往往視圍巖情況而定，因此對(duì)城郊煤礦深部巷道圍巖進(jìn)行分類，為確定合理支護(hù)方案提供參考依據(jù)。

根據(jù)前文的分析可知，地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和水影響是造成城郊煤礦深部巷道圍巖失穩(wěn)的主要因素。由此將地應(yīng)力折算指標(biāo)、基本質(zhì)量綜合指標(biāo)、地質(zhì)構(gòu)造影響和水影響程度作為城郊煤礦深部圍巖特征分類的主要指標(biāo)。

3.1 地應(yīng)力折算指標(biāo)

城郊煤礦地應(yīng)力方向變化較大，單個(gè)方向的應(yīng)力難以代表整體特征，利用下式得出巖體的折算應(yīng)力：

(1)

巷道圍巖體的地應(yīng)力折算指標(biāo)可表述為：

(2)

式中:W巖體的地應(yīng)力折算指標(biāo)；RC為巖體的抗壓強(qiáng)度，MPa；σ1、σ2、σ3分別為各方向的主應(yīng)力，MPa；σi為巖體的折算應(yīng)力，MPa。

隨著巖體地應(yīng)力折算指標(biāo)W的增大，巷道圍巖的穩(wěn)定性升高。根據(jù)大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)W值在0.7以上時(shí)巷道為易于支護(hù)巷道，因此選取地應(yīng)力影響程度的劃分臨界值為0.7。將圍巖地應(yīng)力折算指標(biāo)大于0.7的定義為類型Ⅰ，圍巖地應(yīng)力折算指標(biāo)小于0.7的定義為類型Ⅱ。

3.2 巖體質(zhì)量綜合指標(biāo)

巖體質(zhì)量綜合指標(biāo)根據(jù)分級(jí)因素的完整性指標(biāo)Kv(取值范圍為0.15～1.00)和堅(jiān)硬性指標(biāo)RC值，按式(3)計(jì)算確定，即:

QB=90+3RC+250Kv

(3)

式中:QB為巖體質(zhì)量綜合指標(biāo)；RC為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Kv為巖體完整性指數(shù)。

當(dāng)QB≥500時(shí)圍巖類別為a，表明穩(wěn)定性良好；當(dāng)QB<500時(shí)圍巖類別為b，圍巖穩(wěn)定性差。

3.3 水影響程度指標(biāo)

將城郊煤礦深部巷道受水影響的程度分為有水和無水2類，如表2所示。

表2 巷道受水影響程度分類

3.4 構(gòu)造影響指標(biāo)

將城郊煤礦深部巷道受構(gòu)造影響的程度分為甲、乙、丙3種類型，如表3所示。

表3 巷道受構(gòu)造影響程度分類

3.5 城郊煤礦巷道圍巖地質(zhì)特征分類

綜合考慮地應(yīng)力指標(biāo)、巖體質(zhì)量綜合指標(biāo)、水影響程度和構(gòu)造影響程度，將城郊煤礦深部巷道圍巖分為5大類，如表4所示。

表4 城郊煤礦深部巷道圍巖地質(zhì)特征分類

表4(續(xù))

4 城郊煤礦巷道主動(dòng)支護(hù)技術(shù)

4.1 巖巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

深部巷道圍巖地應(yīng)力高，一般支護(hù)強(qiáng)度難以有效阻止巷道變形，且巷道的蠕變持續(xù)時(shí)間較長，采用先讓壓而后進(jìn)行剛性支護(hù)的方式仍然難以避免巷道的反復(fù)翻修。因此，提出了“四高”錨桿支護(hù)技術(shù)聯(lián)合注漿錨索，并進(jìn)行巷道底板主動(dòng)卸壓的巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)。其主要技術(shù)原理如下：

1)“四高”錨桿

高預(yù)緊力、高強(qiáng)度、高剛度和高錨固點(diǎn)是“四高”錨桿支護(hù)技術(shù)的主要特點(diǎn)，此支護(hù)技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)支護(hù)中采用的“三高”(高預(yù)緊力、高剛度和高強(qiáng)度)錨桿支護(hù)技術(shù)。深部高應(yīng)力破碎巷道的圍巖松動(dòng)圈通常較大，傳統(tǒng)支護(hù)方法只能將錨桿錨固在塑性區(qū)域內(nèi)，難以控制巷道的大變形。針對(duì)這種情況，應(yīng)當(dāng)加大錨固高度，將破碎巖體錨固在穩(wěn)定的深部巖層中，才可以有效控制大變形。

2)注漿錨索加固技術(shù)

對(duì)于破碎巖體，通過注漿可以提高圍巖自承載能力，是一種十分有效的方法?？紤]成本和施工問題，在煤巷支護(hù)和加固方面，一般不采用注漿的方法。但對(duì)于服務(wù)年限較長的軟巖破碎巷道仍需進(jìn)行注漿加固，以保證巷道的長期穩(wěn)定性。

3)底板主動(dòng)卸壓技術(shù)

底板主動(dòng)卸壓技術(shù)主要通過在底板開掘卸壓槽或者底板松動(dòng)爆破卸壓來實(shí)現(xiàn)，這種方式可以發(fā)揮深部巖體的承載力，使整個(gè)巷道圍巖承載力增強(qiáng)。卸壓槽的方向、深度、寬度、形狀，以及卸壓槽與開巷的間隔時(shí)間均影響卸壓效果。經(jīng)過卸壓后的底板需要重新進(jìn)行填補(bǔ)和平整，以滿足正常生產(chǎn)活動(dòng)要求。

4.2 煤巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

1)頂板梯次支護(hù)技術(shù)

梯次支護(hù)技術(shù)的核心思想是通過組合利用不同長度的錨桿、短錨索和長錨索，對(duì)巷道頂板的淺部、中部及深部圍巖分別加固，形成一階、二階和三階支護(hù)結(jié)構(gòu)，不同階次支護(hù)之間相互組合加強(qiáng)，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)性完整的整體，其布置如圖2所示。通常采用從三階到一階支護(hù)的順序，這主要考慮到一階到三階支護(hù)強(qiáng)度逐漸增大，若先采用低階支護(hù)，后采用高階支護(hù)，會(huì)導(dǎo)致低階支護(hù)層進(jìn)一步壓縮，使低階支護(hù)效果大大折減；而采用先高階支護(hù)后低階支護(hù)順序可以達(dá)到更好的支護(hù)效果。

圖2 巷道圍巖階梯式立體支護(hù)示意圖

梯次支護(hù)力學(xué)模型如圖3所示，通過理論計(jì)算得出，巷道頂板中部的拉應(yīng)力最大，最容易發(fā)生拉破壞，其計(jì)算公式為：

(4)

式中:σ為最大拉應(yīng)力，MPa;b為巷道寬度，m；a為頂板破斷拱外偏移距離，m；qj為上覆巖層對(duì)第j層的作用力，MPa；hj為第j層巖層厚度，m。

圖3 厚層復(fù)合頂板巷道圍巖梯次支護(hù)力學(xué)模型

針對(duì)這種復(fù)合頂板，采用階梯式錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，錨桿支護(hù)控制第一弱面線處的離層；中長錨索控制第二弱面線處的離層；長錨索將下位巖層懸吊到上部穩(wěn)定巖層，相互獨(dú)立的層狀頂板組合成厚度較大的組合梁頂板承載結(jié)構(gòu)。這種情況下，多層軟弱層被組合成一個(gè)整體，整體強(qiáng)度大大提高，若巷道頂部上部1～j層頂板成為組合梁，其最大拉應(yīng)力為：

(5)

式中h1～j為頂板組合梁厚度，m。

通過力學(xué)分析可知，梯次支護(hù)形成的多級(jí)組合梁的自承載能力較高，頂板對(duì)下部圍巖的垂直應(yīng)力顯著減小。與傳統(tǒng)的長錨索結(jié)合錨桿支護(hù)相比，梯次支護(hù)技術(shù)在不同厚度范圍內(nèi)均采取了加強(qiáng)支護(hù)手段，可以有效避免頂板不均勻變形和離層現(xiàn)象的發(fā)生。支護(hù)階數(shù)由巷道頂板的軟弱層數(shù)量來確定。

2)幫頂同治技術(shù)

對(duì)于城郊煤礦21105上巷的復(fù)合頂板條件的巷道，有效加強(qiáng)兩幫的支護(hù)也是控制巷道整體變形的關(guān)鍵因素。在幫部采用錨桿配合錨索的支護(hù)方式，不僅可有效控制兩幫移近量也可有效控制頂板下沉量。

3)圍巖地質(zhì)特征分類等級(jí)對(duì)應(yīng)支護(hù)技術(shù)

根據(jù)城郊煤礦以往的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合圍巖地質(zhì)特征分類，不同等級(jí)圍巖的支護(hù)方法如表5所示。

表5 城郊煤礦巷道圍巖支護(hù)方法

5 巷道支護(hù)效果分析

5.1 南翼軌道大巷支護(hù)效果

1)地質(zhì)概況

二水平南翼軌道大巷斷面設(shè)計(jì)為直墻半圓拱斷面，斷面凈寬為4.8 m，毛寬5.0 m。墻高1.6 m，巷道凈高4.0 m。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖及中、細(xì)粒砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f為4～7。

2)支護(hù)方案

城郊煤礦巷道巖體地應(yīng)力折算值為4.8～6.4，為Ⅰ類指標(biāo)。巖體基本質(zhì)量綜合指標(biāo)為354.96，屬于b類指標(biāo)。城郊煤礦二水平南翼軌道大巷整體處在大區(qū)域構(gòu)造邊緣，但巷道圍巖完整性較好，節(jié)理裂隙較少，屬于甲級(jí)構(gòu)造指標(biāo)且巷道無明顯淋水。綜合評(píng)定該巷道屬于Ⅱ類較容易支護(hù)型，最終選擇“四高”錨桿支護(hù)、注漿錨索加固和底板開槽卸壓聯(lián)合支護(hù)。

3)具體支護(hù)參數(shù)

頂板和兩幫錨桿為?22 mm×2 800 mm，間排距為700 mm×700 mm；頂錨索為?18.9 mm×7 300 mm，間排距為1 700 mm×1 400 mm；兩幫各 2根錨索,規(guī)格為 ?18.9 mm×5 300 mm讓壓錨索，排距1 400 mm。初噴厚度20～30 mm；二次噴漿在施工完錨桿錨索后，厚度30～50 mm；三次噴漿滯后巷道 50～100 m，厚度50～70 mm。支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 錨桿錨索注漿加固支護(hù)方案示意圖

對(duì)巷道底板進(jìn)行切槽卸壓，開槽深度為1 m。卸壓完成后對(duì)卸壓槽進(jìn)行填充封閉。然后在底板打注漿錨索，采用標(biāo)號(hào)525的快硬水泥作為注漿材料，錨索規(guī)格為?18.9 mm×5 300 mm，水灰比0.8～1.0。巷道底板卸壓槽+注漿加固布置如圖5所示。

4)南翼軌道大巷礦壓觀測結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，對(duì)二水平南翼軌道大巷兩幫及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行了觀測。每隔50 m設(shè)置 1個(gè)觀測點(diǎn)，共設(shè)7個(gè)礦壓觀測點(diǎn)，分別位于巷道900～1 200 m處。1 200 m處巷道表面變形量觀測結(jié)果如圖6所示，由實(shí)測分析得知在巷道1 200 m處的巷道變形最大，此處巷道兩幫最大移近量為 58 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?9 mm，其中最大底鼓量為45 mm，巷道整體變形較小，穩(wěn)定性較好。

圖5 巷道底板卸壓槽+注漿加固布置示意圖

圖6 1 200 m處巷道表面變形量觀測結(jié)果

5.2 21105上巷支護(hù)效果

1)地質(zhì)概況

21105上巷為二2煤層煤巷，矩形斷面，寬4.2 m，高2.8 m。21105上巷北面、南面及西面均為實(shí)體煤，東面為21105工作面采空區(qū)，平均采高2.85 m。

2)支護(hù)措施

運(yùn)用普式理論計(jì)算得出該巷道頂板巖層自然垮落拱高度為3.79～4.74 m，兩幫圍巖自然破壞深度為3.37～4.22 m。提出梯次支護(hù)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)頂板的穩(wěn)定性控制。

巷道頂板錨桿為?20 mm×2 400 mm，間排距為 750 mm×700 mm，沿走向依次布置?18.9 mm×5 300 mm讓壓短錨索和?18.9 mm×8 000 mm讓壓長錨索，每排2根；巷道兩幫各4根?20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×700 mm。在巷道高度發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證幫部最下面一根錨桿距底板不超過250 mm。支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 21105上巷斷面支護(hù)方案示意圖

3)21105上巷礦壓觀測結(jié)果

試驗(yàn)過程中對(duì)二水平南翼軌道大巷巷道兩幫及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行了觀測。共設(shè)9個(gè)礦壓觀測點(diǎn)，分別位于巷道400～900 m處，由分析可知巷道表面位移量最大發(fā)生在巷道600 m處，巷道左幫最大移近量達(dá)到55 mm，巷道右?guī)妥畲笠平窟_(dá)到60 mm，巷道最大頂板下沉量達(dá)到62 mm，巷道整體支護(hù)較好。600 m處巷道變形量觀測結(jié)果如圖8所示。

圖8 600 m處巷道表面變形量觀測結(jié)果

6 結(jié)論

1)分析了深部巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理，包括巷道變形機(jī)理和底鼓機(jī)理；總結(jié)得出深部巷道失穩(wěn)主要受高地應(yīng)力、地下水軟化、高地溫等影響，分析得出了城郊煤礦底鼓的破壞機(jī)理和發(fā)育過程。

2)基于城郊煤礦的巷道圍巖特征建立了圍巖特征分類體系，確定了主要影響指標(biāo)及計(jì)算方法，并對(duì)應(yīng)圍巖等級(jí)評(píng)價(jià)給出了合理支護(hù)技術(shù)。

3)分析了城郊煤礦巷道支護(hù)的原則，針對(duì)巖巷提出了“四高”錨桿、注漿錨索結(jié)合底板主動(dòng)卸壓的穩(wěn)定性控制措施；針對(duì)厚層泥巖煤巷提出了梯次支護(hù)技術(shù)，并分析了其技術(shù)原理。

4)根據(jù)城郊煤礦南翼軌道大巷和21105上巷實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了支護(hù)方案，經(jīng)過觀測2條巷道兩幫及頂?shù)装宓淖畲笞冃沃稻?5 mm以內(nèi)，支護(hù)效果良好，證明了支護(hù)方案的合理性，驗(yàn)證了城郊煤礦深部巷道支護(hù)原理分析的準(zhǔn)確性。