煤礦井下巷道圍巖變形原因分析及控制方案研究

白香杰

（山西焦煤汾西礦業(yè)金辛達煤業(yè)， 山西 臨汾 041000）

井下巷道圍巖在巷道掘進過程中的穩(wěn)定性直接決定了井下巷道掘進效率和安全性，隨著煤礦綜采作業(yè)深度的不斷加大，大深度巷道掘進作業(yè)過程中所面臨的礦壓波動和應(yīng)力集中問題突出，特別是在圍巖強度低、破碎明顯的區(qū)域，圍巖變形嚴重，給井下綜采作業(yè)安全帶來了嚴重的隱患。

提高井下圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵措施是能夠?qū)鷰r變形的原因進行深入分析并針對性的制定支護方案，本文以井下典型地質(zhì)條件為例，巷道斷面為直墻半圓拱，巷道的寬度為4 600 mm，直墻的高度為1 800 mm，井下巷道斷面的截面積為16.6 m2，巷道的平均埋深為1 128.7 m，煤層平均厚度為7.9 m，煤層的平均傾斜角為7.1°，采用了條帶狀綜放開采方案。在巷道掘進時出現(xiàn)了圍巖收斂變形快的問題，巷道兩幫的最大位移量達到了50 mm/d，巷道掘進后約100 d，圍巖呈現(xiàn)出了明顯的破壞，兩幫的最大移近量達到了1 447 mm，巷道頂板和底板的最大變形量達到了1 189 mm，而且底鼓突出，巖影響了井下綜采作業(yè)的進行。

為了提升井下巷道圍巖的穩(wěn)定性，提高井下綜采作業(yè)效率和經(jīng)濟性，本文在對巷道圍巖變形原因進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的高預(yù)應(yīng)力高強錨桿支護+關(guān)鍵部位強力支護+全斷面協(xié)同支護的方案，根據(jù)在井下的實際應(yīng)用表明，新的支護方案能夠?qū)⑾锏纼蓭妥冃瘟拷档?6.9%，將巷道頂?shù)装遄冃瘟拷档?5.1%，對提升井下巷道穩(wěn)定性和安全性具有十分重要的意義。

1 圍巖變形機理及控制對策

通過對井下地質(zhì)狀況的勘探，導(dǎo)致深井高應(yīng)力軟圍巖破壞的原因主要是復(fù)雜的變形力機制引起的，第一種是由于高地應(yīng)力導(dǎo)致的變形，其變形的機制是應(yīng)力擴容型（IIABCD）。第二種是油液圍巖軟弱、強度低導(dǎo)致的，其變形機制為結(jié)構(gòu)變形（IIIBC）。第三者是大斷面效應(yīng)引起的，其變形機制為結(jié)構(gòu)變形（IIIE），在三種變形機制的作用下，導(dǎo)致了深井高應(yīng)力軟圍巖在工作過程中發(fā)生負復(fù)合型變形。井下圍巖復(fù)合變形機制如圖1 所示[1]。

圖1 井下圍巖復(fù)合變形機制示意圖

為了提高井下巷道圍巖的穩(wěn)定性，對不同變形機制下的圍巖控制方案進行分析，由于應(yīng)力擴容型變形主要是由于圍巖構(gòu)造應(yīng)力、重力及工程偏應(yīng)力共同作用下導(dǎo)致的，因此可以通過應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿支護的方式來抵抗其在應(yīng)力變化作用下的變形[2]。由于圍巖軟弱、強度低導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形型是圍巖軟弱夾層和層理走向共同作用下導(dǎo)致的，因此可以通過對軟弱圍巖、特殊層理位置進行強力支護，提高圍巖穩(wěn)定性。由于大斷面效應(yīng)導(dǎo)致的圍巖結(jié)構(gòu)變形型，則可以通過采用全斷面協(xié)同支護的方案進行控制。通過不同區(qū)域進行針對性控制的方案，能夠有效提升井下巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2 高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿支護

高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿支護時，主要是向錨桿施加一個強大的預(yù)緊力，沿著錨桿的軸向方向?qū)鷰r施加一個壓力，對作用區(qū)域的圍巖形成一個橫向擠壓應(yīng)力[3]，在三向應(yīng)力的作用下使巷道圍巖的整體力學(xué)性能得到改善，新的井下高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿支護結(jié)構(gòu)如下頁圖2 所示。

由圖2 可知，在支護時的錨桿均選擇了高強度錨桿，錨桿固定時的預(yù)緊力不低于400 N·m，采用加長樹脂錨固方式。錨桿托盤主要采用了規(guī)格為100 mm×100 mm×12 mm 的圓形托盤，并配備了高強度螺母、調(diào)心球墊等。錨索選擇了1×19 股的鋼絞線錨索，按每組6 根的方式進行布置，錨索之間的排距設(shè)置為1 600 mm。錨索布置時第一批從巷道拱頂中線處施工，然后依次向兩側(cè)分別偏移1 600 mm，再設(shè)置2 組。

圖2 高預(yù)應(yīng)力高強度錨桿支護結(jié)構(gòu)示意圖

3 關(guān)鍵部位強力支護

井下巷道支護時的關(guān)鍵部位是指在巷道圍巖應(yīng)力和綜采擾動情況下最先發(fā)生變形或者破壞的區(qū)域，因此通過對巷道圍巖變形趨勢的分析，其關(guān)鍵部位主要是在巷道拱腳和圍巖兩幫位置[4]，因此針對不同的位置進行了不同的強力支護。

巷道拱腳強力支護。巷道在掘進過程中頂部的應(yīng)力會通過巷道拱腳向著兩幫圍巖的深處轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致在巷道拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此通過對不同方案的分析，最終確定在巷道拱腳位置增加支護錨桿的長度，同時增加錨桿設(shè)置時的預(yù)緊扭矩，使其不低于450 N·m，然后再配上W 型強力鋼帶，對支護構(gòu)件的表面進行強化處理，提高拱腳的控制范圍。

巷道兩幫補強。由于煤礦井下巷道煤層的強度不足，因此在開挖后，巷道兩幫在開挖應(yīng)力的作用下會發(fā)生剪切變形和應(yīng)力破壞，無法有效抵抗應(yīng)力變形的影響。因此可以采用降低錨桿之間的排距，在巷道兩幫的支護中增加W 型強力鋼帶，設(shè)置錨索時需要采用大長度錨索，錨索需要設(shè)置設(shè)置到井下深部的穩(wěn)定煤體內(nèi)，從而提供更大的支護力。

通過對巷道拱腳強力支護和巷道兩幫的補強支護，能夠控制巷道兩幫的離層、滑移等，降低兩幫松動破碎范圍，有效控制巷道兩幫的變形量。

4 全斷面協(xié)同支護

井下巷道的全斷面協(xié)同支護主要是解決由于全斷面效應(yīng)引起的巷道結(jié)構(gòu)變形，全斷面效應(yīng)下巷道區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生大量的隨機節(jié)理[5]，由于不同節(jié)理的特性，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的圍巖的破碎度大，單純的依靠錨桿支護難以達到有效確?？煽啃缘哪康模虼诵枰ㄟ^注漿加固的方式，對隨機節(jié)理狀態(tài)進行改善。

在井下巷道底板處采用了中空注漿錨桿錨注加固的方案[6]，所使用的錨桿為長度為2.5 m 的加長型錨桿，每組2 根，共設(shè)置3 排，錨桿之間的距離為1.4 m×1.6 m，為了擴大錨注的固定范圍，將錨桿向外側(cè)偏斜約20°，為了滿足井下快速凝固和錨注強度的需求，所使用的注漿料采用了無機礦粉雙液注漿料，水灰質(zhì)量比為1∶3，注漿壓力設(shè)置為2.5 MPa。

5 應(yīng)用效果分析

為了對新的控制方案的實際效果進行驗證，在井下設(shè)置了多個觀測站，對巷道施工期間的圍巖變形情況進行檢查，結(jié)果如圖3 所示。隨著巷道掘進的進行，巷道兩幫及頂?shù)装宓囊平俾手饾u降低，當在第24 d天時基本趨于穩(wěn)定，說明在巷道掘進后的第24 d，巷道的圍巖變形達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采用新的支護方案后，巷道兩幫的最大變形量由最初的1 447 mm降低到目前的334 mm，變形量降低了76.9%，巷道頂?shù)装宓淖冃瘟坑勺畛醯? 189 mm 降低到了目前的297 mm，變形量降低了75.1%，極大的提升了井下巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 巷道圍巖變形監(jiān)測示意圖

6 結(jié)論

為了解決大深度巷道掘進作業(yè)過程中所面臨的礦壓波動和應(yīng)力集中問題突出，在對井下巷道圍巖變形機理進行分析的基礎(chǔ)上提出了一種新的巷道圍巖變形控制方案，通過綜合應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力高強錨桿支護+關(guān)鍵部位強力支護+全斷面協(xié)同支護，提高了巷道圍巖在施工過程中的穩(wěn)定性，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）高地應(yīng)力導(dǎo)致的變形、由于圍巖軟弱、強度低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、大斷面效應(yīng)引起結(jié)構(gòu)變形的綜合作用下導(dǎo)致了深井高應(yīng)力軟圍巖在工作過程中發(fā)生負復(fù)合型變形。

2）高預(yù)應(yīng)力高強錨桿支護+ 關(guān)鍵部位強力支護+全斷面協(xié)同支護的方案能夠有效解決多種因素作用下的巷道圍巖變形問題。

3）新的巷道圍巖控制方案，能夠?qū)⑾锏纼蓭妥冃瘟拷档?6.9%，將巷道頂?shù)装遄冃瘟拷档?5.1%，對提升井下巷道穩(wěn)定性和安全性具有十分重要的意義。