滑動構(gòu)造區(qū)三軟強(qiáng)變形煤層巷道變形破壞規(guī)律研究

崔正庭

（登封市仟祥煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 登封 452470）

滑動構(gòu)造區(qū)三軟煤層工作面上下付巷受到采動[1]等因素的影響，巷道變形劇烈，不能滿足安全生產(chǎn)的需求。返修率達(dá)到 60%以上，巷道返修不僅費時費力，增加生產(chǎn)成本，而且也影響了礦井的正常采掘接替。國內(nèi)此類型的研究成果相對較少，缺乏可供直接借鑒的經(jīng)驗。因此，開展滑動構(gòu)造影響條件下的采動底板破壞范圍研究，揭示“三軟”煤層巷道變形破壞規(guī)律和機(jī)理[2-3]，確定合理的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，不僅對告成礦區(qū)具有直接的實踐價值，對發(fā)展復(fù)雜構(gòu)造條件下的三軟煤層支護(hù)技術(shù)也具有重要的理論意義。

1 概況

鄭煤集團(tuán)告成礦采用沿空留巷將21041 工作面下付巷作為21051 工作面上付巷使用，21051 下付巷埋深470 m 左右，為新掘?qū)嶓w煤巷道。煤層厚度2.1～7.9 m，平均4.1 m，平均傾角約11°，結(jié)構(gòu)簡單。二1煤層呈粉末狀，疏松易碎，平均抗壓強(qiáng)度0.9 MPa；煤層頂板極其破碎，平均抗壓強(qiáng)度24.62 MPa，平均厚度8.56 m，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，容易泥化；底板多為松軟的砂質(zhì)泥巖，一般厚 5～10 m，平均抗壓強(qiáng)度14.47 MPa，屬于典型“三軟”煤巖結(jié)構(gòu)層。由于滑動構(gòu)造作用，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙極為發(fā)育，圍巖松散破碎，整體性差，很難形成有效的承載體，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，極易產(chǎn)生流變。

2 21051 下付巷變形特征研究

2.1 圍巖物理力學(xué)性質(zhì)實驗

分別測試21051 下付巷三個位置（二1 煤層、頂板、底板）煤樣的力學(xué)參數(shù)，見表1。鑒于煤巖強(qiáng)度較低，實驗儀器選用量程小、精度高的無側(cè)限壓力儀。

表1 二1 煤層頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 U 型鋼可縮性支架支護(hù)巷道變形破壞特征

21051 下付巷斷面呈直墻半圓拱型，凈斷面13.0 m2，寬×高=5350 mm×3550 mm，36U 型鋼棚支護(hù)，棚距600 mm。

21051 下付巷典型變形特征如圖1。巷道U 型鋼棚支護(hù)發(fā)生了嚴(yán)重變形，表現(xiàn)為：1）頂板下沉、底鼓及支架鉆底嚴(yán)重，凈高3.5 m 的巷道降到2 m以下，局部不足1.5 m，頂?shù)滓平窟_(dá)到1.5～2.0 m。2）支架搭接部位阻力降低，頂梁和柱腿出現(xiàn)＞1 m的相對滑移。3）巷道兩側(cè)幫腳有明顯內(nèi)移，巷道下寬由5 m 縮至3.5 m，兩幫移近量高達(dá)1.5 m。4）大部分棚腿變成內(nèi)扎角，支架背板大量折斷和滑脫，顯現(xiàn)出煤體。

圖1 21051 下付巷U 型鋼棚支護(hù)典型變形特征（mm）

2.3 U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護(hù)巷道變形特征

21051 下付巷設(shè)計工程量1356 m，巷道采用U型鋼支護(hù)（型號36#、截面積15 m2），棚距0.6 m。為提高錨索支護(hù)強(qiáng)度[4]，用7 道工字鋼聯(lián)鎖鋼棚，如圖2。

圖2 21051 下付巷U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護(hù)（mm）

巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平孔兓?guī)律如圖3，頂?shù)缀蛢蓭鸵平俣热鐖D4。

圖3 20151 下付巷圍巖收斂變形規(guī)律

圖4 20151 下付巷圍巖收斂變形速度

通過現(xiàn)場實測得到U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護(hù)時巷道變形規(guī)律：

1）巷道變形主要發(fā)生于距離掘進(jìn)頭80 m范圍內(nèi)，在距離掘進(jìn)頭120 m 之后逐步趨于穩(wěn)定。觀測期間頂?shù)滓平繛?60 mm，兩幫移近量為280 mm。

2）巷道剛掘出10 m 內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俣确謩e為22 mm/d 和3.5 mm/d；距離掘進(jìn)頭40 m 時，頂?shù)缀蛢蓭鸵平俣确謩e下降為10 mm/d 和2 mm/d；當(dāng)距離掘進(jìn)頭120 m 后，巷道頂?shù)滓平俣冉档蜑?～4 mm/d，兩幫移近速度降低為1 mm/d。巷道圍巖穩(wěn)定時間較長，達(dá)到140 d 以上。

3）巷道圍巖處于滑動構(gòu)造破碎帶，屬于強(qiáng)流變煤巖體，采用U 型鋼支護(hù)時圍巖變形強(qiáng)烈，頂?shù)滓平窟_(dá)2 m，收縮率達(dá)57%，兩幫移近量達(dá)到1.5 m，收縮率為30%。采用U 型鋼可縮性支架+錨網(wǎng)索補強(qiáng)支護(hù)后，巷道頂?shù)缀蛢蓭褪湛s率下降為12%和5.6%，說明錨桿和錨索支護(hù)效果明顯。

2.4 巷道圍巖松動圈變化規(guī)律

地質(zhì)雷達(dá)測試法是基于介質(zhì)間的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等電性差異，以高頻電磁波在電性界面的反射來探測地下目標(biāo)體。地質(zhì)雷達(dá)天線T 由巷道表面向圍巖內(nèi)發(fā)射的高頻電磁波，若遇到介質(zhì)電性分界面就會被反射回巷道表面，被另一天線R 接收。根據(jù)介質(zhì)中電磁波傳播速度和接收的反射信號雙程走時，便可確定圍巖深部裂隙區(qū)域與較完整巖體分界面的位置和深度。

圍巖裂隙面深度可按如下公式計算：

h=vt/2

式中：h為裂隙面深度，m；t為反射波的到達(dá)時間，ns；v為電磁波傳播速度，m/ns。巷道圍巖含水量一般較大，電磁波的平均波速約為0.1 m/ns。

雷達(dá)測試圍巖松動圈原理：圍巖松動圈內(nèi)巖體為破裂松馳狀態(tài)，地質(zhì)雷達(dá)圍繞巷道斷面一周進(jìn)行掃描時，發(fā)出的電磁波在破裂區(qū)傳播時波形呈雜亂無章狀態(tài)。當(dāng)電磁波經(jīng)過松動圈與非破壞區(qū)交界面時，必然發(fā)生較強(qiáng)的反射，從而可根據(jù)反射波圖像特征來確定圍巖松動圈破壞范圍。

為探明21051 工作面回采巷道圍巖松動圈變化規(guī)律，選用巖層探測記錄儀（YTJ20 型）和地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測試，共布置三個測點，如圖5。按“左幫→拱頂→右?guī)汀装濉表樞蜻M(jìn)行測試。巷道松動圈發(fā)育特征見表2。

圖5 測點布置位置圖

表2 21051 回采巷道松動圈發(fā)育特征

根據(jù)測試結(jié)果繪制圖6 中巷道測點1、2、3 處的圍巖松動圈發(fā)育形態(tài)，得出如下特征和規(guī)律：

圖6 巷道圍巖平衡圈發(fā)育范圍（m）

1）巷道變形特征表現(xiàn)為顯著的流變特性，巷道斷面容易發(fā)生全斷面收縮。

2）經(jīng)過不同擴(kuò)修次數(shù)的巷道，松動圈發(fā)育特征相似，即拱部裂隙發(fā)育范圍最大，幫部次之，底板最小。

3）拱部圍巖和左、右?guī)偷钠茐姆秶荚?.5 m以上，屬大松動圈極不穩(wěn)定圍巖。

4）鉆孔探測范圍內(nèi)，雖然裂隙具有擠壓填充痕跡，但煤體結(jié)構(gòu)完整，可以進(jìn)行錨桿、錨索等主動支護(hù)方式施工。

2.5 礦壓觀測結(jié)論

2.5.1 二1 煤層構(gòu)造破碎帶21051 回采巷變形規(guī)律

1）巷道變形主要發(fā)生在距離掘進(jìn)頭80 m 范圍內(nèi)，距掘進(jìn)頭120 m 后逐步穩(wěn)定。

2）U 型鋼棚支護(hù)條件下，巷道頂?shù)滓平窟_(dá)1500～2000 mm，收縮率達(dá)到57%；兩幫移近量1500 mm，收縮率達(dá)到30%。棚腿內(nèi)傾，背板折斷，煤體擠出。

3）U 型鋼可縮性支架+錨網(wǎng)索補強(qiáng)支護(hù)條件下，巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平糠謩e為460 mm 和280 mm，較U 型鋼棚支護(hù)條件下明顯減小，說明錨桿和錨索支護(hù)效果明顯。

2.5.2 巷道圍巖松動圈

1）巷道圍巖松動圈頂部最大，為3.5～5.9 m，一般為4.3 m；兩幫松動圈次之，為2.5～4.3 m，平均3.0 m；底板松動圈最小，為1～1.5 m，平均1.26 m。

2）隨著擴(kuò)修次數(shù)增加，松動圈形態(tài)和范圍基本保持不變，表現(xiàn)為大松動圈。

3）松動圈探測表明，巷道煤巖體結(jié)構(gòu)完整，可以進(jìn)行錨桿、錨索施工。

2.5.3 21051 下付巷掘進(jìn)巷道采用U 型鋼+工字鋼梁錨索支護(hù)的變形規(guī)律

1）巷道頂?shù)灼骄諗克俣?.15 mm/d，兩幫收斂速度為0.06 mm/d。

2）巷道兩幫移近量平均 628 mm，頂?shù)滓平科骄?85 mm，巷道變形以頂?shù)资諗孔冃螢橹?，頂?shù)滓平渴莾蓭鸵平康?.27 倍。

3）底鼓量平均540 mm，頂板下沉量345 mm，底鼓量大于頂板下沉量。

2.5.4 巷道破壞機(jī)理及支護(hù)對策

1）巷道破壞機(jī)理[5]。巷道底鼓變形將引起兩幫失穩(wěn)，兩幫變形失控，引起頂板動壓影響范圍和支護(hù)失穩(wěn)。巷道錨索太長，受力過大，不能適應(yīng)巷道變形，易拉斷；錨桿、錨索、U 型棚不能協(xié)調(diào)支護(hù)，導(dǎo)致巷道破壞。

2）支護(hù)失效原因。采用U 型鋼支架配合錨網(wǎng)支護(hù)，缺乏及時支護(hù)；底板缺乏控制，加劇兩幫破壞；兩幫支護(hù)強(qiáng)度不足，加劇頂板失穩(wěn)；破碎易軟化圍巖沒有噴漿封閉。

3）支護(hù)對策。優(yōu)化斷面，采用反底拱提高底板穩(wěn)定性；采用錨網(wǎng)與錨桿聯(lián)合支護(hù)，加強(qiáng)頂板、兩幫支護(hù)；噴漿防止圍巖軟化，形成整體聯(lián)合支護(hù)。

2.5.5 三軟煤層巷道支護(hù)原則

1）總原則：要充分利用平衡圈內(nèi)圍巖的自承載能力，支護(hù)體與圍巖共同承載。

2）治頂先治幫：加強(qiáng)兩幫支護(hù)，控制巷道等效寬度，降低頂板支護(hù)難度。

3）治幫先治底：加強(qiáng)底板控制，防止兩幫破壞區(qū)和頂板極限平衡拱的擴(kuò)大。

4）肩腳是關(guān)鍵：兩肩支護(hù)對頂板和兩幫穩(wěn)定性具有重要作用，兩幫腳支護(hù)對控制底鼓和防止兩幫破壞具有重要作用，是形成整環(huán)支護(hù)的關(guān)鍵。

5）整環(huán)控制：“底板-兩幫-頂板”作為一個整體系統(tǒng)，按照巷道圍巖平衡圈的大小，進(jìn)行整環(huán)支護(hù)設(shè)計。

2.5.6 二1 煤層底板三帶[6]范圍

1）破裂帶。該帶圍巖裂隙發(fā)育，圍巖存在透水性，呈“魚背”型分布，最大深度 13 m。該帶受采動集中應(yīng)力影響，巷道維護(hù)困難，是巷道布置必須避開的區(qū)域。

2）斷裂帶。在此區(qū)域內(nèi)圍巖剪切和張拉裂隙發(fā)育，呈“馬鞍形”分布。該帶在工作面傾向的下側(cè)深度達(dá)到25.3 m，工作面中部深度15.6 m，工作面上側(cè)深度21.1 m。該帶圍巖裂隙發(fā)育，受到支承壓力的一定影響，也不利于布置巷道。

3）原巖帶。處于斷裂帶以外的區(qū)域，基本處于原巖應(yīng)力，巖層處于原巖狀態(tài)，該區(qū)域稱為原巖帶。在采空區(qū)下部，該區(qū)域基本處于底板深度21 m外，適于布置底板巷道。

3 結(jié)論

針對鄭州煤電告成煤礦二1 煤21051 下付巷典型的“三軟”煤層巷道圍巖松散破碎[7]特征，研究了其變形和圍巖松動圈變化規(guī)律。得出，巷道圍巖兩幫及頂?shù)滓平科骄_(dá)到600～950 mm，頂?shù)鬃畲螅瑑蓭痛沃?，表現(xiàn)為四周變形，屬于大變形軟巖巷道。巷道圍巖松動圈范圍一般為頂板4.3 m，兩幫3.0 m，底板1.26 m，屬于大松動圈。通過合理設(shè)計錨桿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行巷道支護(hù)，能夠有效降低巷道頂?shù)装逡平?，取得明顯效果。