構(gòu)造應(yīng)力影響下大斷面巷道圍巖災(zāi)變機理及穩(wěn)定控制研究

陳定超，王襄禹，趙祥岍，李冠軍，張飛騰

(中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

我國煤炭賦存條件復(fù)雜多變，尤其在深部斷層區(qū)域，巖層節(jié)理相互切割，圍巖構(gòu)造活動劇烈，導(dǎo)致巷道掘進時常常受到強構(gòu)造應(yīng)力影響。同時，隨著我國煤礦開采強度的不斷增大，以及開采設(shè)備機械化水平的持續(xù)提升，巷道斷面大型化已成為發(fā)展趨勢，對目前的巷道圍巖控制技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。國內(nèi)外眾多專家學者開展了大量且卓有成效的研究：肖同強[3]根據(jù)巨野礦區(qū)千米深部地應(yīng)力場的分布特征，揭示了深部構(gòu)造應(yīng)力作用下的煤層巷道圍巖變形破壞機理，提出了“高強高預(yù)緊力錨桿支護、頂煤斜拉錨索梁支護與肩角煤體加強支護”的圍巖控制技術(shù)；張智慧等[4]采用三維相似材料實驗再現(xiàn)了深部大斷面巷道圍巖變形破壞特征，模擬了不同深度條件下巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及其破裂規(guī)律；單仁亮等[5]針對傳統(tǒng)支護難以適應(yīng)大斷面厚頂煤巷道支護的難題，提出了錨桿、錨索協(xié)同支護體系，有效減小了巷道變形量；于洋等[6]研究了大斷面煤巷變形破壞的力學機理，提出了對大斷面巷道采用整體穩(wěn)定、關(guān)鍵部位重點加強的穩(wěn)定性控制技術(shù)；馬新世等[7]針對大斷面巷道變形嚴重的問題，分析了有無注漿加固條件下的巷道圍巖演化規(guī)律，驗證了注漿加固技術(shù)對控制大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性的有效性；郭金剛等[8]建立了大斷面巷道力學結(jié)構(gòu)模型，得出了頂板破斷位置的基本表達式，研究成果應(yīng)用于實際工程中大幅度降低了頂板、實體煤幫、煤柱幫的變形量。

目前，與大采高機械化開采相適應(yīng)的大斷面巷道圍巖穩(wěn)定機理及控制技術(shù)的研究處于起步階段，冒頂、片幫、底鼓等強礦壓顯現(xiàn)事故時有發(fā)生，成為制約該技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸之一[9-11]。隨著煤炭開采深度的逐漸增加，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力影響范圍和程度也顯著增大，在此背景之下，系統(tǒng)地開展構(gòu)造應(yīng)力作用下大斷面巷道圍巖災(zāi)變機理和控制對策研究，對進一步推進巷道掘進支護工藝技術(shù)的發(fā)展意義重大。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團潞安煤炭事業(yè)部王莊煤礦7105工作面平均埋深450 m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度6.3 m。工作面采煤方式為一次采全高，運輸巷為矩形斷面，其寬×高=5.5 m×4.5 m，斷面面積為24.75 m2，沿底板掘進，留厚度1.8 m頂煤，為大斷面托頂煤巷道。巷道直接頂為松散破碎的砂泥巖和泥巖，基本頂為堅硬致密的細砂巖，兩幫為強度較低的破碎煤體，圍巖整體強度較低，給巷道維護造成了極大困難。巷道頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 巷道頂?shù)装邈@孔柱狀圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模擬方案

基于現(xiàn)場實際生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值計算模型，模型長×寬×高=50 m×20 m×50 m；固定模型底面，限制模型4個側(cè)面的水平運動，設(shè)置上覆巖層自重為10 MPa，采用彈塑性材料。數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 7105運輸巷數(shù)值計算模型

2.2 巷道寬度對圍巖穩(wěn)定性的影響

固定巷道高度為4.5 m，分別設(shè)計巷道寬度為3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5 m共計7個數(shù)值計算方案。不同巷道寬度條件下，巷道圍巖變形量如圖3所示。

圖3 巷道寬度對圍巖變形量的影響

由圖3可知，當巷道寬度為3.5 m時，頂板和兩幫變形量較大，底鼓量較小。隨著巷道寬度逐步增大，頂板下沉量增加幅度也隨之加大，當巷道寬度為4.0 m時，增加幅度僅為5 mm，但當巷道寬度超過4.5 m后，增幅開始陡增，達到20 mm；兩幫受巷道寬度影響較小，兩幫移近量增加幅度穩(wěn)定，控制在7 mm之內(nèi)；底鼓量變化相對穩(wěn)定，從巷道寬度3.5 m增加到6.5 m的過程中僅僅增加了19 mm。

2.3 巷道高度對圍巖穩(wěn)定性的影響

固定巷道寬度為5.0 m，分別設(shè)計巷道高度為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 m共計7個數(shù)值計算方案。不同巷道高度條件下，圍巖變形量如圖4所示。

圖4 巷道高度對圍巖變形量的影響

由圖4可知：頂板和兩幫受巷道高度的影響較大，當巷道高度為2.5 m時，頂板下沉量為108 mm，兩幫移近量為80 mm；當巷道高度增加至5.5 m時，頂板下沉量和兩幫移近量分別增加至213 mm和211 mm，增加幅度較大。底鼓量受巷道高度的影響較小，當巷道高度由2.5 m增加至5.5 m時，底鼓量僅增加18 mm。

2.4 構(gòu)造應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性的影響

隨著深度的增加，巷道圍巖的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值逐漸增大，基于王莊煤礦地應(yīng)力測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)巷道承受的水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值為0.95～2.52，側(cè)壓系數(shù)λ為1.0～2.5。不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道深部圍巖變形量如圖5所示。

圖5 構(gòu)造應(yīng)力對圍巖變形量的影響

由圖5可知：

1)巷道深部圍巖的垂直位移分別在距離頂板表面4.9 m的位置和距離底板表面6.7 m的位置開始趨于穩(wěn)定。

2)隨著巷道圍巖側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)装搴蛢蓭偷膰鷰r變形量均不斷增加。當側(cè)壓系數(shù)λ由1.0增加到1.3時，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量分別增加33.6%、10.3%、12.5%，并且隨著測壓系數(shù)的增加，頂板下沉量和底鼓量增加幅度呈現(xiàn)由快變慢的趨勢，兩幫移近量增加幅度穩(wěn)定。

3)通過研究不同構(gòu)造應(yīng)力影響下巷道頂板、兩幫、底板的變形量可知，巷道頂板所受影響最大，兩幫和底板所受影響相對較小。

3 大斷面巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)

“彈性模擬”試驗表明，單根預(yù)應(yīng)力錨桿在打入圍巖內(nèi)部后，會以桿體兩端為端點形成壓縮帶；“碎石錨固試驗”證明了預(yù)應(yīng)力錨桿存在預(yù)緊力，在預(yù)緊力的作用下圍巖受到壓縮應(yīng)力作用，產(chǎn)生橫向擠壓作用，造成巖體沿錨桿安裝方向發(fā)生擴張變形；在巖體自身約束力下，橫向擴張變形會引起擠壓應(yīng)力的出現(xiàn)。在這種橫向擠壓應(yīng)力作用下，錨桿與巖體之間的摩擦力增大，進一步提高了錨桿的錨固效果。研究表明[12]，錨桿預(yù)緊力越大，對巖體的橫向擠壓力越強，支護效果越好。

3.2 巷道圍巖注漿充填加固技術(shù)

強構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致王莊煤礦巷道圍巖承受較大的水平應(yīng)力，造成巷道兩幫圍巖破碎松散，相對移近量大，常規(guī)傳統(tǒng)的錨桿支護形式和參數(shù)難以保證巷道圍巖穩(wěn)定。因此，為了保障巷道在服務(wù)年限內(nèi)的安全，需要對兩幫圍巖進行加固修復(fù)處理，重塑巖體結(jié)構(gòu)，增加圍巖整體穩(wěn)定性。

注漿充填加固能夠填充圍巖中的裂隙，不僅將松散裂隙圍巖加固成整體，還能阻斷裂隙水滲入圍巖內(nèi)部，減弱圍巖的風化和水化作用。此外，注漿充填加固技術(shù)可以有效改善圍巖的綜合力學性能，為錨固支護技術(shù)提供可靠的錨固基礎(chǔ)，而錨固支護系統(tǒng)又能對注漿加固后的圍巖提供更好的支撐限制，進一步改善圍巖的受力環(huán)境[13-16]。因此，錨桿支護與注漿充填加固技術(shù)的有機結(jié)合有利于重塑破碎圍巖結(jié)構(gòu)，保障巷道圍巖穩(wěn)定。

3.3 加固巷道底角控制底鼓技術(shù)

工作面運輸巷或其他的回采巷道內(nèi)發(fā)生強烈底鼓，不僅會造成礦井煤炭或材料運輸中斷，而且會影響礦井通風等工作?；夭上锏纼蓭蛧鷰r均為煤體，巖層強度低、變形量大。巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，首先在尖角位置產(chǎn)生塑性區(qū)，然后逐漸向頂板和底板方向擴展。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，煤巖體收縮，兩幫下沉，導(dǎo)致底板巖層滑移及破壞，底鼓量增大。一般而言，巷道圍巖完整性越差，底鼓程度越嚴重[17-20]。

控制巷道底鼓有利于巷道圍巖的整體穩(wěn)定，其中，加固巷道底角是簡單有效的底鼓控制技術(shù)，其主要原理為：縮小兩幫塑性區(qū)發(fā)育范圍，減小底板“暴露”面積；阻止兩幫巖體向底板塑性流動，減少底板滑移，控制底鼓。

4 工業(yè)性試驗

4.1 巷道圍巖控制參數(shù)

4.1.1 支護參數(shù)

試驗巷道為王莊煤礦7105工作面運輸巷。錨桿參數(shù)：頂板選用直徑22 mm、長度2 400 mm的高強高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，每排布置7根，間排距為850 mm×900 mm；兩幫選用直徑20 mm、長度2 400 mm的注漿錨桿，每排布置5根，間排距為1 000 mm×900 mm。錨索參數(shù)：頂板選用直徑19 mm、長度7 300 mm的高強高預(yù)應(yīng)力錨索，每2排布置3根，間排距為1 400 mm×1 800 mm。巷道支護設(shè)計如圖6所示。

(a)斷面圖

(b)俯視圖

4.1.2 注漿參數(shù)

巷道兩幫分別布置2根注漿錨索，規(guī)格為直徑21.6 mm、長度2 500 mm，間距為2 700 mm、排距為1 800 mm，每根注漿錨索配合鎖具和規(guī)格為300 mm×300 mm×12 mm的海星托盤，加長錨固；同一斷面內(nèi)，注漿方式為自下而上順序注漿；不同斷面內(nèi)，注漿方式為排間間隔注漿，即1、3、5……排先注漿，2、4、6……排后注漿。

綜合考慮注漿效果和經(jīng)濟成本，采用研究團隊自主研發(fā)的微米級預(yù)應(yīng)力復(fù)合注漿材料，通過預(yù)應(yīng)力注漿錨索對兩幫進行注漿加固，材料粒徑平均為1.0～2.0 μm，具有高流動性、高滲透性、高強度和凝固速度可控等優(yōu)良特性，其特點是具有一定的膨脹性和膨脹力，并且具備阻燃和抗靜電性能。注漿材料具體技術(shù)參數(shù)見表1(產(chǎn)品外觀為超細粉料)。

表1 注漿材料主要技術(shù)參數(shù)

4.2 礦壓監(jiān)測及分析

4.2.1 巷道圍巖位移

巷道表面位移及深部圍巖位移監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 巷道圍巖位移監(jiān)測曲線

由圖7可知，在巷道開挖后的前10 d內(nèi)，表面位移監(jiān)測曲線呈直線上升，頂?shù)装遄冃嗡俣葹?.8 mm/d，兩幫移近速度為4.7 mm/d。在圍巖達到穩(wěn)定后，變形速度大大減緩，并于50 d后達到穩(wěn)定，最終頂?shù)装遄冃瘟繛?8 mm，兩幫移近量為69 mm，巷道控制效果良好。隨著圍巖深度的增加，巷道頂板變形量遞減。45 d后巷道達到穩(wěn)定，此時，深度0 m處的頂板變形量增加至66 mm，深度4 m處的頂板變形量增加至22 mm，僅為深度0 m處的33%，而深度5 m處的頂板最大變形量則一直保持在4 mm內(nèi)，說明在深度5 m處達到臨界點，圍巖進入穩(wěn)定發(fā)展階段。

4.2.2 錨桿軸力

錨桿載荷測站布置中①～③為錨桿測站編號，④為錨索測站編號(見圖6)。錨桿(索)軸力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 錨桿(索)軸力監(jiān)測曲線

由圖8可知，錨桿軸力隨觀測時間增加總體呈現(xiàn)增長趨勢，并且這種增長趨勢對頂板中部錨桿的影響最大，頂角錨桿最小。前10 d內(nèi)錨桿軸力都表現(xiàn)出快速增長趨勢；10～50 d，錨桿軸力穩(wěn)定增長；50 d以后，錨桿軸力不再發(fā)生變化。最終，頂板中部錨桿最大軸力穩(wěn)定在104 kN，但高強度錨桿的破壞荷載為220 kN以上，因此，錨桿安全系數(shù)高。錨索軸力在前15 d突增，之后趨于穩(wěn)定，最終錨索軸力穩(wěn)定在175 kN，而錨索的破壞載荷為300 kN，因此，錨索安全系數(shù)高，巷道安全。

5 結(jié)論

1)巷道斷面尺寸效應(yīng)中巷道寬度因素的變形作用拐點為4.5 m，巷道頂板變形破壞受巷道寬度尺寸的影響作用最顯著；巷道高度因素的變形作用未出現(xiàn)明顯拐點，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟烤示€性增長。

2)構(gòu)造應(yīng)力強弱效應(yīng)中隨著水平應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)装逡平砍示€性增加趨勢，兩幫移近量存在拐點，水平應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.6。

3)提出了“穩(wěn)控頂煤、重構(gòu)煤幫和限制底鼓”大斷面巷道圍巖控制原理，有針對性地開發(fā)了以“頂板強壓支護+兩幫注漿加固+底角錨注阻隔”為核心技術(shù)的巷道圍巖穩(wěn)定控制對策，并成功應(yīng)用于工程實踐。