采動應力下巷道圍巖變形特征及支護 控制措施分析

吳曉明

（陜煤集團銅川礦務局煤礦管理有限公司，陜西 銅川 727000）

相關研究數據表明，國內煤礦深部開采強度不斷增加，淺部煤炭資源已經開采殆盡，煤礦向深部開采的延伸速度已經超過了每年15m。預計在未來10年，我國很多煤礦開采的深度將超過1100m。在煤礦進入到深部開采后，高地應力影響越來越明顯，特別是開采擾動帶來的影響越來越突出，巷道整體的礦壓顯現也會更加強烈，做好巷道支護工作的難度也隨之提升。大量工程實踐表明，傳統(tǒng)的巷道支護方式在很多情況下已經不能適應深部巷道支護的需要。

1 工程概況

某煤礦運輸巷道埋深在760m左右，巷道圍巖以粉砂巖為主，裂隙發(fā)育較為明顯，其中包含鈣質結核、黃鐵礦，其中存在厚度為0.4m的薄層泥巖，整體較軟，容易出現破碎。根據現場的地應力測試來看，水平應力為最大主應力，大小達到了31.21MPa，方向為近南北方向。巷道上方及周邊有回采工作面開采，受到的采動影響較為明顯。巷道設計采用錨網索支護方式，在巷道支護后，圍巖整體雖然較硬，但是出現了較為明顯的變形破壞，表現出明顯的工程軟巖特征。

2 巷道圍巖變形特征

從現場勘察情況來看，整個巷道出現了全斷面變形的問題，巷道頂板和底板的相對移近量平均達到了2.5m，兩幫的平均收斂量達到了1.8m。同時，在巷道兩幫的下部出現了較大的涌水問題，圍巖出現了明顯的遇水弱化的情況?，F場有較多的網兜，巷道頂板、兩幫均有錨桿破斷的問題發(fā)生，對巷道的正常使用帶來了較大的影響。

3 巷道變形破壞原因

對巷道穩(wěn)定性產生影響的因素相對較多，通過本次對巷道變形情況來看，導致巷道出現較大變形破壞的主要原因如下。

（1）采動影響因素較大。在巷道掘進和使用的過程中，周邊有多個工作面正在開采和掘進，巷道圍巖在掘進的過程中已經出現了明顯的裂隙。在外界采動擾動下，圍巖裂隙被進一步的延展和打通，導致巷道圍巖變形破壞更為嚴重。因此，在返修支護過程中，必須針對性地強化提升巷道圍巖支護結構的整體性，才能更好地保證巷道支護效果。

（2）地應力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響較大。通過現場使用應力解除法，巷道所處位置的測壓系統(tǒng)已經達到了1.4，這表明巷道整體處于較高的應力狀態(tài)。在采動影響下，各種類型的應力出現了相互交織的情況，在巷道的拱頂位置也出現了較為明顯的剪切破壞，很多地段有錨桿外移問題發(fā)生。這表明在高地應力、采動應力的影響下，巷道整體出現了碎脹蠕變的問題。

（3）巷道圍巖性質相對較差。從巷道圍巖來看，巷道所處層位主要是粉砂巖，雖然巖體本身強度相對較大，但是由于其中出現了較大的裂隙發(fā)育的問題，特別是其中還有泥巖夾層的存在，也含有膨脹性軟巖成分，在高地應力、采動應力的影響下，容易出現較大的變形破壞問題。

（4）巷道原支護不夠科學。從巷道原支護情況來看，設計采用的是在淺部巷道支護中較常采用的普通錨網索支護，支護的主要對象是巷道兩幫和頂板，對巷道底板并沒有支護，導致巷道底板成為了支護的薄弱環(huán)節(jié)，為應力釋放提供了空間，并沒有形成一個完整的支護結構，這也是巷道底板出現較大變形破壞的主要原因。

（5）水理作用影響明顯。從現場勘察情況來看，在巷道的下部有較為明顯的淋水問題。由于巷道圍巖的變形，導致巷道排水受到了較大的影響，巷道圍巖與水長時間的接觸，自身的承載能力和支護強度被大量削弱，圍巖中的膨脹性成分在水理作用下發(fā)生了較為突出的崩解問題。特別是其中的伊利石、蒙脫石，這些物質在遇水后，出現了較為明顯的膨脹變形，巷道圍巖呈現出了明顯的破碎。

4 巷道返修支護方案

結合巷道所處地質條件及煤礦現有支護材料，本次設計采用“U型鋼閉環(huán)+錨網索+注漿”的耦合支護方案。

首先，選擇使用4段U型鋼支架組成一個封閉的支護體，型鋼在連接時選擇使用卡蘭進行連接，在U型鋼接頭的位置，支架的可縮量可以實現自行的變化，可以較好地適應不同方向的壓力，尤其是在巷道在受力不均勻或者四角壓力相對較大時，組成的封閉支架可以提供出較高的承載能力。如果支架上承受的壓力相對較大時，支架自身有著較強的可縮性，發(fā)生屈服縮動，避免了在外界應力過大時，發(fā)生支架支護失效的問題。同時，隨著支架不斷被壓縮，巷道圍巖也會在可控的范圍內出現一定的變形，實現了巷道圍巖內部能量的有效釋放。巷道壓縮程度的提升可以提供出的支護壓力也隨之增加，實現進一步限制巷道圍巖變形的效果，也就是達到了“高阻讓壓”支護的效果。由于形成了一個封閉的支護結構，巷道底板也得到了有效支護，底板圍巖的應力狀態(tài)也從雙向應力狀態(tài)轉變?yōu)槿驊顟B(tài)，有效提升了巷道底板圍巖的承載極限。此外，由于環(huán)形支架的限制作用，若底板出現了較為明顯的破壞后，環(huán)形支架也可以有效限制巖石向巷道空間中的擠出，最大限度地降低底板變形量。

其次，對巷道圍巖進行了全斷面的錨索網支護。通過在巷道兩幫和頂板進行強度相對較高的錨索支護、錨桿支護，可以實現對巷道表層圍巖的預緊壓縮，巷道淺部圍巖壓力狀態(tài)可以實現有效改善，淺部巷道圍巖的承載能力也可以實現有效提升。同時，通過施加錨索支護的方式，可以將巷道深部穩(wěn)定性相對較高的圍巖的懸吊作用充分發(fā)揮出來，從而實現對巷道淺部圍巖的變形量的有效控制。在鋪網后，在巷道圍巖中形成錨桿、錨索及圍巖相互強化的支護結構，更好地保證巷道支護效果。

此外，針對巷道受到地下水帶來的負面影響，本次選擇使用對巷道底板進行注漿加固的方式實現對導水裂隙的有效填充、封堵，最大限度地控制水對圍巖產生的侵蝕作用，實現對巷道底板圍巖強度的有效提升，巷道底板圍巖極限承載能力可以得到有效的強化，也在一定程度上有效限制了巷道底板的變形。

在本次返修的過程中，設計的長環(huán)形支架支護示意圖如圖1所示。巷道圍巖采取的錨網索支護和底板注漿支護示意圖如圖2所示。

圖1 長環(huán)形支架支護示意圖

圖2 巷道錨網索和底板注漿示意圖

在本次巷道返修支護的過程中，為了更好地提升巷道支護效果，精準把握支護時機非常關鍵。本次在巷道采取錨網索支護后5~6d后，在進行長環(huán)形支架的施工，主要目的是將巷道圍巖中的能量進一步的釋放，在科學的范圍內給巷道一定的變形空間，這不僅有助于降低巷道支護的難度，也有助于巷道圍巖穩(wěn)定性得到更好的控制。同時，注漿效果如何將直接關系到本次巷道底板支護的效果。本次注漿壓力控制在5MPa左右，施工技術人員應在施工的過程中對底板是否出現跑漿進行及時觀察，保證漿液可以將巷道底板圍巖中的裂隙有效封閉，在巷道底板中形成一個完整的支護結構，提升巷道圍巖的極限承載能力。

5 巷道返修支護效果分析

在對該煤礦巷道采取上述返修支護方案后，為了更好地、全面地掌握巷道變形情況，本次設置了多個觀測斷面，對巷道圍巖變形情況進行了全面觀察，得到的巷道返修后支護后圍巖位移變形情況如圖3所示。

圖3 巷道返修支護后圍巖位移變形情況圖

從圖3可看出，巷道在返修后，經歷了劇烈變形階段、緩慢變形階段、趨于穩(wěn)定階段。不論的是巷道的兩幫，還是頂底板，整體的變形量相對于返修之前均有了明顯的下降。這表明，在返修后，返修支護方案有效實現了對巷道圍巖的強化，提升了巷道圍巖的承載能力，達到了控制巷道圍巖變形的目的。此外，巷道從返修后到趨于穩(wěn)定階段，整個時間接近80d，這再次表明，在煤礦深部開采的過程中，傳統(tǒng)的巷道支護方式已經不能適用于深部資源開采，特別是在開采擾動、高地應力條件下，圍巖控制難度更高。

6 結語

綜上分析，本次選擇使用“U型鋼閉環(huán)+錨網索+注漿”的耦合支護方案實現對采動影響較大的巷道變形情況的有效控制，取得了較好的支護效果。因此，在深部巷道支護的過程中，煤企必須切實轉變傳統(tǒng)的支護理念，從巷道所處地段的實際地質情況出發(fā)，最大限度地調動圍巖的自我承載能力，全面提升各個支護體之間的耦合性，更好地保證巷道穩(wěn)定，嚴禁采用傳統(tǒng)的單一支護方式。大量實踐已經表明，這種傳統(tǒng)的支護方式已經不能滿足實際需求。