沖擊傾向性巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制研究

李 崗 李 凡

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500）

目前，沖擊危險(xiǎn)性巷道圍巖控制十分困難[1]。由于沖擊礦壓的產(chǎn)生無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，且引發(fā)沖擊礦壓的因素多種多樣，針對(duì)工作面巷道情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的巷道圍巖控制方案[2]非常重要。以小莊煤礦40309 工作面巷道為工程背景，針對(duì)沖擊危險(xiǎn)性巷道失穩(wěn)機(jī)理設(shè)計(jì)相應(yīng)的巷道圍巖控制方案。

1 工程背景

40309工作面位于三盤區(qū)，埋深范圍531～731 m，設(shè)計(jì)開采4 號(hào)煤層，煤層賦存連續(xù)完整，掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造。煤層厚度19～28 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。綜合指數(shù)法得到工作面沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)為0.571，判定40309 工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等，回采期間具有沖擊礦壓危險(xiǎn)。40309 工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

40309 工作面巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性較差，巷道圍巖易產(chǎn)生變形破壞，且工作面具有沖擊危險(xiǎn)性，使得巷道圍巖控制尤為困難。

2 沖擊危險(xiǎn)性巷道失穩(wěn)機(jī)理

隨著工作面的回采，工作面采空區(qū)不斷擴(kuò)大，采空區(qū)上覆巖層所承受的垂直地應(yīng)力傳遞至工作面周圍煤巖體，在工作面前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，前方煤巖體所需支承的應(yīng)力大大增加，加劇了巷道變形，使得巷道圍巖破壞嚴(yán)重。圖1 為工作面巷道應(yīng)力分布圖。

圖1 工作面受力示意圖

由圖1 可知，在未開采前，工作面巷道上部承受均布應(yīng)力σy作用，此時(shí)煤層整體受力均勻；隨著采空區(qū)擴(kuò)大，煤巖體由三向受力變?yōu)殡p向受力，圍巖應(yīng)力重新分布，受垂直方向的不均應(yīng)力σy作用，不均垂直應(yīng)力相互疊加。

在工作面開采過(guò)程中，工作面煤巖體原有的應(yīng)力平衡被打破，工作面上覆巖層受力發(fā)生變化，在工作面前方發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，載荷傳遞至底板，加劇巷道底板破壞。當(dāng)巷道底板破壞深度較大時(shí)[3]，巷道底板極易受采動(dòng)影響形成的高集中靜載和劇烈動(dòng)載疊加擾動(dòng)影響而誘發(fā)底鼓等現(xiàn)象。工作面巷道受力示意圖如圖2。

圖2 工作面巷道受力示意圖

由圖2 可知，工作面巷道圍巖受重新分布的不均載荷影響，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，高應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力沿巷道煤幫傳遞至巷道底板，巷道底板受彎矩M 以及上覆不均載荷σy共同作用，巷道底板煤巖體大范圍處于塑性破壞狀態(tài)[4]。隨工作面開采，受開采擾動(dòng)影響，已處于塑性破壞狀態(tài)的巷道底板煤巖體瞬間滑移涌入巷道自由空間內(nèi)，進(jìn)而造成巷道底鼓等現(xiàn)象。

沖擊荷載作用于工作面巷道的范圍較大，傳遞的沖擊動(dòng)能加劇巷道圍巖變形破壞。工作面圍巖受力示意圖如圖3。

圖3 工作面圍巖受力示意圖

由圖3 可知，在巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，受垂直方向的應(yīng)力σy與水平方向的應(yīng)力σx作用，煤巖體由三向受力變?yōu)殡p向受力，沖擊載荷與垂直應(yīng)力相互疊加形成應(yīng)力峰值σmax[5]。從應(yīng)力峰值σmax的分布可以看出沖擊動(dòng)載荷對(duì)工作面巷道的作用范圍較大，對(duì)工作面巷道整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步加劇巷道圍巖變形破壞。因此，結(jié)合工作面具體情況選擇安全合理的巷道圍巖控制方案至關(guān)重要。

3 巷道圍巖控制方案

（1）巷道圍巖控制方式

為降低沖擊礦壓影響，從防治沖擊礦壓與控制巷道圍巖穩(wěn)定性的角度對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。在順槽掘進(jìn)期間采用錨桿錨索支護(hù)；在回采時(shí)，運(yùn)輸順槽采用端頭液壓支架和超前液壓支架及單體液壓支柱配合進(jìn)行支護(hù)，回風(fēng)順槽采用防沖超前液壓支架對(duì)工作面巷道圍巖進(jìn)行控制。

（2）錨桿錨索支護(hù)參數(shù)計(jì)算

采用直徑為22 mm、長(zhǎng)2500 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿和直徑為21.8 mm、長(zhǎng)7100 mm 的錨索對(duì)順槽進(jìn)行支護(hù)。錨桿錨索間排距計(jì)算如式（1）、式（2）。

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿錨固力，118 kN；k為安全系數(shù)，2；γ為上覆巖層平均容重，25 kN /m3；L為錨桿長(zhǎng)度，2500 mm；Sa為錨索間排距，m；Rt為錨索的極限破斷力，380 kN；Lb為直接頂平均厚度，5.8 m。計(jì)算得錨桿間排距應(yīng)＜0.971 m，錨索間排距應(yīng)＜1.61 m；確定頂部錨桿間排距為700 mm×800 mm，幫部錨桿間排距為750 mm×800 mm，錨索間排距1400 mm×1600 mm。

（3）超前支架強(qiáng)度計(jì)算

支架強(qiáng)度計(jì)算公式如式（3）。

式中：h為采高，3.8 m；y0為直接頂巖層容重，25 kN/m3；y1為基本頂及其上覆巖層的平均容重，23 kN/m3；h0為直接頂巖層平均厚度，6.5 m；∑h1為基本頂及上覆巖層的平均厚度，3.88 m；l1為基本頂斷裂步距，20 m；k1為矸石支撐系數(shù)，1.43；m1為工作面的最小控頂距，5.32 m。代入計(jì)算得回采巷道超前支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)大于0.307 3 MPa，選取的運(yùn)順超前支架ZQL2×6000/23/45 支護(hù)強(qiáng)度為0.42 MPa，回順超前防沖支架ZQL2×3200/19/38 支護(hù)強(qiáng)度為0.47 MPa，皆滿足強(qiáng)度要求。

（4）巷道圍巖控制方案

順槽掘進(jìn)期間采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2500 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿和直徑21.8 mm、長(zhǎng)度為7100 mm 的錨索對(duì)順槽進(jìn)行支護(hù)。頂部錨桿間排距為700 mm×800 mm，幫部錨桿間排距750 mm×800 mm，錨索間排距為1400 mm×1600 mm 如圖4。

圖4 順槽支護(hù)截面圖

在回采期間，運(yùn)輸順槽采用端頭支架和超前支架及單體液壓支柱對(duì)圍巖進(jìn)行控制，回風(fēng)順槽采用防沖超前支架對(duì)圍巖進(jìn)行控制。運(yùn)輸順槽采用端頭支架ZFT32000/21/42、超前支架ZQL2×6000/23/45及“單體液壓支柱+鉸接梁”對(duì)圍巖進(jìn)行控制；回風(fēng)順槽超前支護(hù)150 m，采用超前液壓防沖支架ZQL2×3200/19/38 支護(hù)137 m，“液壓?jiǎn)误w+鉸接頂梁”超前單體支護(hù)13 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為監(jiān)測(cè)巷道支護(hù)方案的效果，采用“十字”測(cè)點(diǎn)法對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)。在距工作面50 m處的回風(fēng)順槽中布置一組由3 個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的檢查點(diǎn)（3 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于巷道頂板中線、左右兩幫距底板1.5 m 處），觀測(cè)回采期間回風(fēng)順槽兩幫移進(jìn)量及頂板下沉值。回風(fēng)順槽圍巖變形值如圖5。

圖5 回風(fēng)順槽圍巖變形圖

由圖5 可知，回風(fēng)順槽圍巖變形值在距離工作面25 m 后逐漸平緩，說(shuō)明設(shè)計(jì)的支護(hù)方案將沖擊礦壓對(duì)工作面巷道的不良影響控制在較小的范圍內(nèi)，有效減小并分散沖擊動(dòng)能對(duì)工作面巷道的破壞；頂板最大下沉量90 mm，兩幫最大移進(jìn)量80 mm，頂板下沉值與兩幫移進(jìn)量皆在100 mm 以內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）影響沖擊危險(xiǎn)性巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素是沖擊礦壓產(chǎn)生的沖擊載荷。

（2）針對(duì)巷道圍巖失穩(wěn)原因選取的支護(hù)方案可以有效控制沖擊危險(xiǎn)性巷道圍巖變形，圍巖控制方案在工作面回采過(guò)程中將回風(fēng)順槽頂板與兩幫變形量控制在100 mm 以內(nèi)。