高膨脹松軟圍巖巷道支護(hù)技術(shù)

高建成，張宏偉，榮 海，趙象卓，辛金鑫

（1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山467099；2.平煤股份煤炭開(kāi)采利用研究院，河南 平頂山467099；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新123000）

我國(guó)煤炭開(kāi)采條件日益復(fù)雜，開(kāi)采深度不斷增加，進(jìn)入深部開(kāi)采階段后，巷道賦存的地質(zhì)與應(yīng)力環(huán)境不同，導(dǎo)致深部巷道圍巖的變形破壞特征與淺部圍巖存在明顯不同，在深部表現(xiàn)出的軟巖巷道的支護(hù)與維護(hù)問(wèn)題越來(lái)越突出[1-6]。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)方面做了大量研究。李剛[7]、何杰[8]、李學(xué)華[9]等分別針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道圍巖破碎特點(diǎn)，提出了錨桿初次支護(hù)強(qiáng)度和讓壓支護(hù)原則，并提出了支-圍系統(tǒng)和非均勻支護(hù)技術(shù)；王衛(wèi)軍[10]等針對(duì)高應(yīng)力巷道存在“三區(qū)”提出內(nèi)外共同承載結(jié)構(gòu)理論，并進(jìn)行了錨注支護(hù)設(shè)計(jì)；李順才[11]、黃新賢[12]等分別分析了巷道局部弱支護(hù)的穩(wěn)定性控制，并針對(duì)強(qiáng)流變大變形巷道提出了注錨加固支護(hù)結(jié)構(gòu)；李榮健[13]等基于“初次錨注讓壓、二次剛性封閉”的耦合支護(hù)思想，針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道制定了讓抗耦合關(guān)鍵控制技術(shù)；孟慶彬[14]等在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上提出了“錨網(wǎng)索噴+U 型鋼支架+注漿+底板錨注”分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案；辛亞軍[15]等在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，針對(duì)高應(yīng)力泥巖頂板巷道提出了預(yù)留斷面高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)調(diào)變形支護(hù)方案。韓連昌、朱士永等針對(duì)不同條件下的軟巖巷道圍巖條件，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等不同的研究方法，提出了相應(yīng)的控制方案[16-21]。

以上研究對(duì)軟巖巷道控制技術(shù)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用，但上述研究主要圍繞軟巖巷道條件，通過(guò)提出不同支護(hù)方案、提高支護(hù)強(qiáng)度加以維護(hù)和解決，針對(duì)軟巖巷道的失穩(wěn)破壞機(jī)制開(kāi)展深入研究較少，對(duì)膠結(jié)性極差，松散易垮落頂板條件的巷道失穩(wěn)破壞相關(guān)的報(bào)道更為少見(jiàn)。高膨脹松軟圍巖巷道賦存條件相對(duì)復(fù)雜、巷道斷面多樣，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高要求，為此，以某煤礦6-1C 西二片工作面高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道為研究對(duì)象，在工程類比的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，確定了高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道錨桿支護(hù)方案，研究結(jié)果可為同類賦存煤層回采巷道錨桿支護(hù)提供工程借鑒。

1 工程概況

某礦6-1C西二片試驗(yàn)工作面開(kāi)采六煤組6-lC煤層，該煤層南厚北薄，最大厚度1.9 m，最小厚度1.5 m，平均厚度1.7 m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸存在，煤層層理不發(fā)育，傾角12°～20°，平均15°。6-1C 煤層頂?shù)装寰鶠楦吲蛎浰绍泿r層，其中頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖或泥巖，膠結(jié)性極差，松散易垮落，單軸抗壓強(qiáng)度多在5 MPa 以下，底板為粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為12.47 ～27.55 MPa，且頂?shù)装鍘r層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達(dá)到20.11%～34.91%，巷道圍巖具有很大的膨脹性，吸水性大、易軟化、強(qiáng)度和穩(wěn)定性差。

與6-1C 西二片試驗(yàn)工作面相鄰的6-1C 西一片工作面在開(kāi)采過(guò)程中，回采巷道多次出現(xiàn)頂板變形量大、錨桿脫落失效等情況，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，因此，亟需對(duì)高膨脹松軟圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。6-1C 西二片工作面位置如圖1，工作面回風(fēng)巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，與6-1C 西一片工作面間留設(shè)20 m區(qū)段煤柱，回風(fēng)巷埋深平均360 m，斷面呈斜梯形斷面，寬3.6 m，中高2.7 m，掘進(jìn)斷面積為9.72 m2，巷道沿煤層頂板傾斜掘進(jìn)，巷道底部適當(dāng)破底，最大破底深度為1 560 mm，回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面尺寸及層位如圖2。

圖1 6-1C 西二片工作面位置Fig.1 Panel position of 6-1C west second slice

圖2 回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面尺寸及層位Fig.2 Cross section size and horizon of return air roadway

2 圍巖破壞特征及影響因素

2.1 圍巖破壞特征

為給出6-1C 西二片斜梯形回風(fēng)巷合理支護(hù)方案，采用類比分析法對(duì)6-1C 西一片工作面回采巷圍巖破壞特征及原因進(jìn)行分析。

西一片工作面回風(fēng)巷開(kāi)掘后，頂板破碎嚴(yán)重，頂板下沉破碎形成較多網(wǎng)兜，但兩幫變形量不明顯。在受采動(dòng)影響時(shí)，頂板膨脹變形進(jìn)一步加劇，造成部分工字鋼梁斷裂、錨桿托盤(pán)拉進(jìn)頂板及錨桿-錨索尾端破斷等現(xiàn)象。

2.2 圍巖失穩(wěn)原因分析

1）易膨脹軟巖頂板。巷道頂板巖層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達(dá)到20.11%～34.91%，強(qiáng)度較低，遇水易膨脹軟化，巷道圍巖強(qiáng)度弱化是頂板破壞失穩(wěn)的主要內(nèi)因。

2）高集中應(yīng)力。受工作面采動(dòng)影響時(shí)，其前方回風(fēng)巷應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.5，在高集中應(yīng)力作用下，巷道頂板軟化、破碎，易造成圍巖失穩(wěn)。

3）支護(hù)強(qiáng)度不足。從頂板離層及部分地段錨桿或錨索不同破斷情況可知，原支護(hù)方案錨桿-錨索支護(hù)不耦合且支護(hù)強(qiáng)度較低，造成錨桿-錨索破斷，不能使錨固圍巖形成有效承載結(jié)構(gòu)體，錨桿-錨索主動(dòng)支護(hù)能力不能有效發(fā)揮。支護(hù)強(qiáng)度不足和高集中應(yīng)力是巷道破壞失穩(wěn)的外因。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 支護(hù)方案優(yōu)化

1）方案①：優(yōu)化巷道位置。為降低上覆及本煤層鄰近工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)其回風(fēng)巷道的影響，已通過(guò)前期研究確定了回風(fēng)巷道位置，即與上覆及鄰近工作面回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置，與6-1C 西一片工作面間留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱，如圖1。

2）方案②：優(yōu)化巷道斷面。為使錨桿-錨索垂直作用于頂板軟巖，充分發(fā)揮其支護(hù)能力，降低煤巖界面離層，巷道斷面設(shè)計(jì)為斜梯形，沿煤層頂板傾斜掘進(jìn)。

3）方案③：提高頂板支護(hù)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)鄰近工作面回采巷道變形特征分析，對(duì)于西二片工作面回風(fēng)巷，可通過(guò)改變錨桿支護(hù)間排距、錨固長(zhǎng)度等方式提高頂板支護(hù)強(qiáng)度以保證支護(hù)效果。

方案①和方案②已在實(shí)際工作中實(shí)施，主要針對(duì)方案③，對(duì)錨桿支護(hù)的間排距、錨索數(shù)量、錨桿預(yù)緊力等進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以期得到優(yōu)化的巷道支護(hù)參數(shù)，為6-1C 西二片工作面及后續(xù)工作面的巷道穩(wěn)定性維護(hù)提供依據(jù)。

3.2 模型建立

根據(jù)西二片工作面地質(zhì)資料及煤巖物理力學(xué)參數(shù)，利用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型。巷道開(kāi)掘后圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3。

圖3 巷道開(kāi)掘后圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution of surrounding rock after road excavation

以巷道實(shí)際斜梯形斷面為基準(zhǔn)，并借助FLAC3D中Cable 單元對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)單因素分析，通過(guò)鄰近工作面回采巷道破壞特征分析知，在其現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)下，巷道頂板變形量較大，而兩幫變形量在可控范圍內(nèi)，因此在兩幫現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用錨桿加長(zhǎng)錨固方式，重點(diǎn)對(duì)巷道頂板支護(hù)參數(shù)進(jìn)行研究，模擬主要從以下4 個(gè)方面進(jìn)行分析：①頂錨桿間距；②頂錨桿排距；③錨索數(shù)量；④錨桿預(yù)緊力值。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 頂錨桿間距對(duì)巷道支護(hù)效果的影響

根據(jù)回風(fēng)巷斷面尺寸，分別模擬分析錨桿間距1 500 mm（3 根錨桿）、1 200 mm（3 根錨桿）、1 000 mm（4 根錨桿）和800 mm（5 根錨桿）時(shí)巷道圍巖破壞，不同錨桿間距時(shí)巷道圍巖變形破壞情況如圖4。

圖4 不同錨桿間距時(shí)巷道圍巖變形破壞情況Fig.4 Deformation and failure of roadway surrounding rock with different bolt spacing

隨著頂板錨桿數(shù)量的增加，巷道頂板的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步減小，巷道圍巖的位移量也進(jìn)一步減小，但減小的幅度越來(lái)越小。當(dāng)頂板錨桿數(shù)增加到一定的程度，對(duì)頂板下沉量的影響已相差不大。這說(shuō)明對(duì)一定的巷道圍巖條件，存在1 個(gè)合理的錨桿間排距，不但能保證錨桿支護(hù)效果，而且能降低支護(hù)成本。對(duì)比不同間距下頂板的破壞情況可知，當(dāng)頂錨桿間距減小時(shí)，頂板破壞范圍在一定程度上減少，當(dāng)間距為800 mm 時(shí)，頂板破壞狀態(tài)得到顯著改善。

不同間距條件下巷道圍巖變形情況如圖5。隨著巷道頂錨桿數(shù)量的增加，巷道圍巖變形量顯著降低，尤以頂板位移量增幅明顯?？梢?jiàn)當(dāng)頂板錨桿數(shù)增加到5 根時(shí)，頂板下沉量的降幅已不明顯，頂板錨桿合理間距為800 mm，即采用5 根頂錨桿進(jìn)行支護(hù)可起到較理想的支護(hù)效果。

圖5 頂錨桿間距與圍巖位移關(guān)系Fig.5 Relationship between the roof bolt distance and displacement of surrounding rock

3.3.2 頂錨桿排距對(duì)巷道支護(hù)效果的影響

分別模擬分析了錨桿排距為1 500、1 300、1 100、900 mm 時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同排距下圍巖的位移統(tǒng)計(jì)如圖6。

由圖6 可知，隨著錨桿布置排距的減小，巷道圍巖的位移量也呈逐漸減小的趨勢(shì)。錨桿排距從1 300 mm 到900 mm 時(shí)兩幫和頂板位移量都有較大幅度降低，而錨桿排距小于900 mm，巷道圍巖位移量的降幅變小，因此巷道頂板合理錨桿排距為900 mm。

3.3.3 頂板錨索數(shù)量對(duì)巷道支護(hù)的影響

分別模擬分析了頂板錨索數(shù)量為0 根、1 根、2根、3 根時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨索數(shù)量時(shí)圍巖的位移如圖7。

圖6 頂錨桿排距與圍巖位移關(guān)系Fig.6 Relationship between the roof bolt row distance and displacement of surrounding rock

圖7 錨索根數(shù)與圍巖位移量的關(guān)系Fig.7 Relationship between number of anchor cables and displacement of surrounding rock

隨著頂板錨索數(shù)量的增加，回風(fēng)巷兩幫移近量及頂板下沉量明顯減小，但減小的幅度逐漸變小，頂板錨索對(duì)于巷道頂板變形的控制效果較為顯著，說(shuō)明了頂板錨索對(duì)于頂板安全的重要性。但隨著頂板錨索的增多，巷道頂板巖體的破壞范圍縮小，破壞狀況明顯得到改善。由以上對(duì)巷道變形的分析并考慮到支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，確定巷道頂板同排布置2 根錨索。

3.3.4 預(yù)緊力對(duì)支護(hù)效果的影響

預(yù)緊力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。分別模擬分析了錨桿預(yù)緊力為20、40、60、80 kN 時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨桿預(yù)緊力時(shí)圍巖的位移統(tǒng)計(jì)如圖8。

由圖8 可知，隨著錨桿施加的預(yù)緊力不斷增加，錨桿對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)控制作用逐漸加強(qiáng)，巷道圍巖變形量隨之減小。建議錨桿預(yù)緊力不小于60 kN，對(duì)應(yīng)預(yù)緊扭矩應(yīng)不小于400 N·m。

由上述巷道錨桿支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬可確定西二片回風(fēng)巷頂板錨桿間排距為800 mm×900 mm，錨索間排距1 600 mm×1 800 mm，錨桿預(yù)緊力為60 kN，巷道頂板同排布置2 根錨索，為巷道支護(hù)方案確定提供依據(jù)。

圖8 錨桿預(yù)緊力與圍巖位移量的關(guān)系Fig.8 Relationship between bolt pretension and displacement of surrounding rock

4 巷道支護(hù)效果分析

4.1 巷道頂板鉆孔窺視

將優(yōu)化后的巷道支護(hù)參數(shù)在6-1C 西二片試驗(yàn)工作面回采巷道進(jìn)行了應(yīng)用，采用鉆孔窺視法對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行觀測(cè)。

根據(jù)西二片試驗(yàn)工作面回采前其頂板鉆孔窺視情況，頂板上方0.6 m 范圍內(nèi)煤巖較為破碎，并未有明顯離層現(xiàn)象及大的裂隙存在，有效的控制住了淺部錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，保持了錨固區(qū)圍巖的完整性。同時(shí)錨索將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高預(yù)應(yīng)力的承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)與錨桿形成的壓力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保持了圍巖的完整性，錨索錨固及支護(hù)范圍內(nèi)，淺部及深部范圍內(nèi)頂板均較完整。

工作面回采時(shí)采動(dòng)影響下，頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)存在小的裂隙，同時(shí)局部巷道上方1.5 m 的位置處出現(xiàn)了破碎區(qū)，但是由上圖可以明顯的看出，錨桿錨固區(qū)形成的承載結(jié)構(gòu)有效的阻止了錨固區(qū)外巖層的離層，保證了頂板的完整性；錨索錨固區(qū)內(nèi)頂板較為完整，未發(fā)現(xiàn)裂隙及離層的存在，同時(shí)其錨索范圍內(nèi)頂板完整性較好。

總體來(lái)講，錨桿、錨索錨固范圍內(nèi)巷道上方頂板在采動(dòng)應(yīng)力影響下未發(fā)生大的離層現(xiàn)象，取得了較好的支護(hù)效果。

4.2 巷道圍巖變形量觀測(cè)

工作面前方50 m 范圍內(nèi)巷道變形量如圖9。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，回采期間，采空區(qū)側(cè)超前工作面50 m 巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M(jìn)量逐漸增加，同時(shí)在工作面來(lái)壓期間（如第1 個(gè)折點(diǎn)處）巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭黾臃茸兇螅凉ぷ髅媲胺?6 m 左右巷道頂?shù)装遄冃瘟考眲≡黾印?/p>

圖9 工作面前方50 m 范圍內(nèi)巷道變形量Fig.9 Roadway deformation within 50 m in front of the panel

對(duì)比以前回采工作面巷道的變形而言，該支護(hù)條件下頂板及煤幫的變形得到了較好的維護(hù)，為安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

5 結(jié) 論

1）對(duì)于高膨脹軟巖巷道，易膨脹軟巖頂板強(qiáng)度低，遇水易膨脹軟化，這是頂板破壞失穩(wěn)的內(nèi)因，圍巖高集中應(yīng)力及支護(hù)強(qiáng)度不足是外因；可通過(guò)優(yōu)化巷道布置方式、加強(qiáng)支護(hù)提高巷道穩(wěn)定性。

2）確定了高膨脹軟巖巷道樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固錨桿錨索組合支護(hù)方案，優(yōu)選支護(hù)參數(shù)為：錨桿間排距800 mm×900 mm，錨桿預(yù)緊扭矩不小于400 N·m；錨索間排距1 600 mm×1 800 mm，每排2 根，錨索預(yù)緊力為200～250 kN。

3）根據(jù)工作面開(kāi)采前后巷道頂板鉆孔窺視、采動(dòng)過(guò)程中巷道位移監(jiān)測(cè)分析可知，巷道支護(hù)方案及參數(shù)較為合理，有效保證了高膨脹軟巖巷道穩(wěn)定性及完整性，為工作面安全高效開(kāi)采創(chuàng)造了條件。