褶曲構(gòu)造影響下采區(qū)巷道圍巖變形特征及控制技術(shù)研究

崔 林 張廣杰

（1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)大通煤業(yè)有限公司，山西 高平 048403；2.河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作 454003）

大通煤礦304 采區(qū)運(yùn)輸巷在褶曲構(gòu)造帶內(nèi)，因褶曲帶構(gòu)造應(yīng)力大而使巷道圍巖完整性差，在掘巷時圍巖變形大，頂板部分區(qū)域發(fā)生過頂板下沉現(xiàn)象。由于該巷與鄰近工作面推進(jìn)方向平行布置，將受回采動壓持續(xù)影響。為保證巷道安全可靠，通過研究褶曲構(gòu)造力學(xué)特性，提出合理的圍巖控制對策[1-5]。

1 工程地質(zhì)概況

大通煤礦開采3#煤層，煤厚平均4.6 m，傾角7°～11°，埋深約350 m。304 采區(qū)運(yùn)輸巷在褶曲構(gòu)造影響帶內(nèi)（圖1），水平應(yīng)力大，掘巷時圍巖破壞大且穩(wěn)定性差。其東部為30304 運(yùn)輸順槽，煤柱寬度25 m。該巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷寬6 m，巷高達(dá)6～8 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

圖1 采區(qū)巷道布置圖

2 褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖變形特征

2.1 巷道布置的地質(zhì)構(gòu)造影響分析

基于地質(zhì)力學(xué)理論，褶曲是受構(gòu)造應(yīng)力影響后形成的，304 采區(qū)運(yùn)輸巷走向大致與褶曲軸線平行且在向斜軸部，并與水平應(yīng)力垂直，易造成圍巖大變形。若巷道在褶曲軸部遇向斜時易底鼓，遇背斜時易冒頂，褶曲構(gòu)造帶巷道破壞概率較大。據(jù)對褶曲構(gòu)造帶巷道統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其頂?shù)滓平蔬_(dá)52.7%。304采區(qū)運(yùn)輸巷掘完后且鄰近面未采時頂板曾發(fā)生下沉，圍巖破碎且底鼓明顯。因工作面開采方向及巷道布置已定，無法改變地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)影響，只能增加支護(hù)強(qiáng)度和改善應(yīng)力環(huán)境來維護(hù)巷道。

2.2 褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境分析

褶曲構(gòu)造對沖擊地壓具有一定的控制效果，當(dāng)采掘面在向斜軸部或翼部時易出現(xiàn)煤炮、沖擊地壓等災(zāi)害?；隈耷鷺?gòu)造力學(xué)機(jī)理，褶曲各處受力狀態(tài)有5 個區(qū)（圖2）：①區(qū)與⑤區(qū)（垂直為拉力、水平為壓力）垂直拉力要比水平壓力小，煤巖體受水平擠壓后裂隙較多、強(qiáng)度低且完整性差；②區(qū)與④區(qū)（垂直為壓力、水平為拉力）垂直壓力要比水平拉力大，巷道冒頂；③區(qū)（水平、垂直均為壓力）處巷道易出現(xiàn)動壓災(zāi)害。

圖2 褶曲構(gòu)造力學(xué)機(jī)理

褶曲構(gòu)造引起巖體水平應(yīng)力增加，通常被區(qū)域或主應(yīng)力場左右，褶曲形成時各處受力不均衡。正常應(yīng)力區(qū)層狀巖體一般不發(fā)生彎曲變形和應(yīng)力集中，巖體環(huán)境可認(rèn)為等壓應(yīng)力場；而褶曲軸面區(qū)應(yīng)力集中嚴(yán)重，水平應(yīng)力是平時的3 倍，引起應(yīng)力場雙向壓力比達(dá)3 且主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)。褶曲翼部還會受強(qiáng)剪應(yīng)力影響，巷道在此處易出現(xiàn)圍巖剪切破壞。因此304 采區(qū)運(yùn)輸巷圍巖破壞厲害，維護(hù)困難。

2.3 褶曲帶巷道圍巖松動范圍現(xiàn)場實(shí)測

為確定304 采區(qū)運(yùn)輸巷不同區(qū)域松動圈范圍，在距開口位置110 m、420 m處分別布置1#、2#測站（圖3），頂幫各打1 個孔，孔深3 m，孔徑55 mm；幫部孔距底1.5 m，傾角下扎5°～10°，頂板孔垂直施工。

圖3 超聲波聲速變化曲線

松動圈測試結(jié)果如圖3，向斜區(qū)域1#測站頂板、幫部松動圈分別為2.3 m、1.8 m，正常區(qū)域2#測站頂板、幫部松動圈分別為2.0 m、1.4 m；304 采區(qū)運(yùn)輸巷幫部松動圈約1.6 m，頂部松動圈約2.15 m。通過對比發(fā)現(xiàn)，向斜區(qū)對巷道松動圈影響范圍要比正常區(qū)的大；向斜區(qū)構(gòu)造應(yīng)力較大且圍巖破壞范圍較大，正常區(qū)則較小。

3 褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖控制對策[6-8]

3.1 褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖控制思路

研究表明，褶曲構(gòu)造軸向范圍應(yīng)力集中嚴(yán)重，最大主應(yīng)力偏離垂向時，巷道圍巖塑性破壞最嚴(yán)重位置正處于頂?shù)装?、兩幫處；塑性區(qū)是圍巖壓剪破壞形成的。因此提出提高支護(hù)強(qiáng)度和改善圍巖應(yīng)力環(huán)境來解決褶曲帶巷道大變形問題，還應(yīng)加大監(jiān)測頻度，實(shí)時掌握變形動態(tài)，適時對其進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保巷道安全可靠。

考慮礦井采掘銜接情況，未對304 采區(qū)運(yùn)輸巷進(jìn)行單體柱或架棚支護(hù)。為確保該巷能滿足正常服務(wù)，采用高延伸高支護(hù)阻力的加長錨桿、大直徑長錨索控制圍巖大變形。若采用端錨時其錨桿（索）自由端長度須大于冒頂隱患高度1.5～2.5 m。鄰近30304 工作面回采后，該巷煤柱側(cè)采空區(qū)頂板垮落劇烈活動將使其上方應(yīng)力集中，而影響沿空巷道圍巖穩(wěn)定的主因是頂板上覆“承壓結(jié)構(gòu)”，因此采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)切斷沿空巷道煤柱側(cè)與采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層間的應(yīng)力聯(lián)系是確保圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3.2 褶曲區(qū)域巷道圍巖支護(hù)方案設(shè)計(jì)

304 采區(qū)運(yùn)輸巷與鄰近工作面推進(jìn)方向平行，會長時間受二次動壓影響；且該巷自開口向里380 m 內(nèi)在褶曲帶內(nèi)。結(jié)合施工情況，正常應(yīng)力區(qū)、褶曲影響區(qū)支護(hù)方式不同。

基于塑性區(qū)圍巖控制思路，褶曲影響區(qū)采用加長錨桿（索）、W 鋼帶及鋼筋梯等聯(lián)合支護(hù)。頂板長錨索Φ21.8 mm×8300 mm，間排距均為1 m；巷幫長錨桿Φ22 mm×3000 mm，間距1.1 m、排距1 m；鋼筋梯將錨桿連成整體，W 型鋼帶將錨索連成整體；Φ5.6 mm 鋼筋網(wǎng)搭接長度0.1 m，并用14#鉛絲綁扎。

正常應(yīng)力區(qū)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂錨索Φ21.8 mm×6300 mm，頂幫錨桿Φ22 mm×2400 mm，頂錨桿（索）間距1 m、排距2 m，幫錨桿間距1.1 m、排距1 m；鋼筋梯、鋼帶、網(wǎng)片與上述一致。

3.3 鄰近工作面回采巷道切頂關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)巷道圍巖控制思路，在30304 運(yùn)輸巷煤柱側(cè)實(shí)施預(yù)裂爆破將采空區(qū)、煤柱上方頂板切斷，以減弱采空區(qū)動壓對巷道的影響。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，切頂孔與煤柱幫的距離越小越好，考慮巷道設(shè)備及施工等因素，確定切頂孔位置300 mm；鉆孔傾角還應(yīng)考慮裝藥、爆破效果是否有利及爆破后上覆關(guān)鍵巖層懸露長度等因素，確定鉆孔垂直頂板（α為90°）且向工作面后方傾斜（β為75°）；鉆孔直徑、間距偏小時對巖石破壞范圍較小、成縫率低，確定鉆孔直徑65 mm、間距1 m；結(jié)合采區(qū)運(yùn)輸巷頂板巖層結(jié)構(gòu)，切頂高度H0為煤層上覆5 m 厚的粉砂巖上邊界，切頂孔深度H按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

其中：H0取16.2 m，α取75°，β取85°。代入上式可得H為17.8 m，結(jié)合實(shí)際鉆孔深度取18 m。

合理的裝藥結(jié)構(gòu)是確保安全、切頂效果及不產(chǎn)生瞎炮的關(guān)鍵，考慮巷道頂板條件不好，封孔長度取8 m 符合要求，采用囊袋式注漿封孔。炸藥采用瞬發(fā)雷管引爆，雷管正向裝藥且孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)連接，每次爆破3～5 個孔。鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用效果分析

4.1 切頂效果分析

為檢查爆破效果，利用窺視儀對切頂孔進(jìn)行窺視，發(fā)現(xiàn)切頂孔8～18 m 范圍內(nèi)孔壁兩側(cè)有裂縫且對稱發(fā)育，裝藥段成縫率達(dá)75%，切頂效果較好；孔內(nèi)裂縫相互擴(kuò)展貫通且對稱、連續(xù)發(fā)育，有利于結(jié)構(gòu)弱面形成。

4.2 褶曲帶采區(qū)巷道控制效果分析

為驗(yàn)證工作面回采后304 采區(qū)運(yùn)輸巷控制效果，在正常區(qū)、褶曲影響區(qū)對圍巖變形實(shí)施觀測，觀測結(jié)果如圖5。

圖5 巷道變形曲線

正常區(qū)測點(diǎn)巷道實(shí)體煤幫移近量42 mm，煤柱幫移近量61 mm，頂板下沉量28 mm，底鼓量150 mm；褶曲構(gòu)造區(qū)測點(diǎn)巷道實(shí)體煤移近量42 mm，煤柱幫移近量124 mm，頂板下沉量56 mm，底鼓量375 mm；滯后工作面40～60 m 內(nèi)圍巖變形較大，隨后圍巖趨于穩(wěn)定，不影響巷道正常使用。因此褶曲影響區(qū)巷道采取一定控制對策后雖有一定變形，但能滿足安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1）研究了褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖變形特征，因褶曲是受構(gòu)造應(yīng)力影響后形成的，當(dāng)褶曲軸線平行于巷道走向時巷道將破壞嚴(yán)重。褶曲帶巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境呈非等壓特征，向斜處所受構(gòu)造應(yīng)力較大，巷道應(yīng)力集中明顯，煤爆、冒頂發(fā)生率增加；其他部位受構(gòu)造應(yīng)力較小。

2）褶曲構(gòu)造不同區(qū)域的巷道圍巖破壞狀態(tài)不同，304 采區(qū)運(yùn)輸巷向斜位置幫部松動圈1.8 m、頂板松動圈2.3 m，正常區(qū)域幫部松動圈1.4 m、頂板松動圈2 m。

3）采用加長錨桿（索）支護(hù)增強(qiáng)支護(hù)阻力以控制圍巖變形。在鄰近工作面實(shí)施爆破切頂以減弱回采動壓影響?，F(xiàn)場實(shí)施后，褶曲帶巷道兩幫移近量166 mm，頂?shù)装逡平?31 mm，底鼓較大但變形可控。說明所采取的綜合控制技術(shù)可有效保障褶曲構(gòu)造帶巷道圍巖穩(wěn)定。