李樹剛,成小雨，劉 超，張?zhí)燔?，邢立杰，?輝

(1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054)

松軟煤層動壓巷道變形破壞特征及加固技術(shù)研究

李樹剛1，2,成小雨2，劉 超1，2，張?zhí)燔?，邢立杰2，王 輝2

(1.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710054)

余吾煤業(yè)S2206工作面進風巷處于松軟煤層中，受工作面采動影響圍巖變形破壞較嚴重。通過分析原有支護條件下巷道的變形破壞特征，結(jié)合現(xiàn)場實際提出了錨噴注聯(lián)合支護加固方案，并進行全方位礦壓監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：采用加固后巷道圍巖變形得到有效控制，塑性區(qū)顯著減小，錨索受力處于較佳狀態(tài)，充分發(fā)揮了支護體的承載能力，能夠保證巷道的長期穩(wěn)定。

松軟煤層；動壓巷道；破壞特征；錨噴注；礦壓監(jiān)測

隨著礦井開采深度的不斷增大，開掘巷道所處的地質(zhì)條件也在不斷變化，圍巖所受壓力逐漸增大，礦壓顯現(xiàn)頻繁而劇烈，巷道圍巖往往表現(xiàn)出大變形和難支護的特征，給巷道的掘進和日常維護工作帶來了很大的挑戰(zhàn)。本文對余吾煤業(yè)S2206進風巷原有支護設(shè)計圍巖變形破壞特征進行分析，提出相應(yīng)的支護加固方案，并運用多種礦壓監(jiān)測手段和方法，評價方案實施后巷道圍巖的穩(wěn)定性，考察支護效果，以期為巷道的信息化施工和設(shè)計方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)，保證巷道的長期穩(wěn)定。

1 工程概況

余吾煤業(yè)3號煤層厚度在5.35～6.12m之間，煤層傾角-3～10°，密度1.39t/m3。S2206工作面采用兩進兩回的通風方式，S2206進風巷位于S2206膠帶巷與S2207回風巷之間，間距分別為35m和30m，沿3號煤層頂板掘進，為矩形斷面，規(guī)格為3.8m×3.2m，巷道最大埋深560m左右。S2206進風巷受臨近巷道掘進活動及工作面回采的影響，應(yīng)力場和破裂損傷區(qū)相互疊加，巷道易產(chǎn)生大變形甚至失穩(wěn)破壞，對巷道的安全和正常使用影響較為嚴重。

根據(jù)余吾礦區(qū)以往地應(yīng)力實測資料可知，礦區(qū)地應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，垂直應(yīng)力約為14.5MPa，最大水平主應(yīng)力平均為垂直主應(yīng)力的0.71倍，最小水平主應(yīng)力平均為垂直主應(yīng)力的0.36倍。相對較高的地應(yīng)力與圍巖低強度之間的矛盾突出，是造成該巷道大變形失穩(wěn)的主要原因。

2 原有支護設(shè)計分析

S2206進風巷原有支護設(shè)計采用錨(網(wǎng))索支護，兩幫為4根φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部為5根φ22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿排距900mm，頂錨桿間距800mm，幫錨桿間距900mm；頂部每排布置2根錨索，錨索規(guī)格φ18.9mm×8300mm，排距900mm，間距1600mm。

由于受到S2206工作面回采的影響，S2206進風巷正處于回采應(yīng)力集中帶，圍巖變形破壞嚴重。巷道兩幫煤體松散破碎，僅用4根單體錨桿作為支護，起不到整體的支護效用而產(chǎn)生較大收斂，最大變形量達982mm；頂板因支護強度不足，出現(xiàn)了一定的離層下沉現(xiàn)象，下沉量在160mm左右；巷道幫部的整體性和穩(wěn)定性對底板的控制非常重要，由于受到巷道兩幫收斂剪切作用，且目前巷道已有的支護設(shè)計沒有考慮對底板的控制，導(dǎo)致底板鼓起量較大，嚴重地段達800mm。在采動壓力影響下，圍巖變形量將繼續(xù)增加，塑性區(qū)范圍將不斷擴大，將會嚴重影響巷道正常使用和礦井安全生產(chǎn)，因此急需對巷道采取相應(yīng)的修復(fù)加固措施。

3 修復(fù)加固方案

依據(jù)S2206進風巷已有支護條件下圍巖的變形破壞特征，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出了如下支護加固方案。

3.1 頂板加固

將目前頂板“2-2-2”的錨索支護形式加強為“3-3-3”的支護形式，即沿巷道走向靠近頂板中線補充施工錨索梁，施工位置錯開原有支護，如圖1所示。錨索規(guī)格為φ22mm×8300mm，錨索間距900mm，配合20號槽鋼并壓托盤施工；20號槽鋼長度為2400mm，布置3孔，孔中心距900mm，垂直頂板鉆孔。

圖1 頂板加固

3.2 兩幫加固

(1)在幫部距底板500mm處，采用走向錨桿壓梯子梁支護，如圖2所示。錨桿規(guī)格為φ22mm×2400mm，傾角向下30°，錨桿排距900mm。

(2)幫部加強支護采用走向錨索梁，每4排布置2套錨索梁，分別距頂板600mm和1600mm，傾角分別為向上30°和向下15°，如圖2所示。鋼絞線規(guī)格為φ22mm×5300mm，2400mm輕型20號槽鋼眼孔間距為1800mm。

圖2 兩幫加固

3.3底板加固

在底板兩底角距兩幫300mm各施工1排斜向下60°的錨桿，錨桿規(guī)格為φ22mm×2400mm，錨桿排距900mm。

3.4全斷面噴注漿加固

首先進行初噴密封，噴層厚度為50～100mm。注漿孔分別布置在頂板、兩幫中部及底角兩側(cè)，如圖3所示。注漿孔深3000mm，排距為2700mm。采用低壓注漿，壓力為1.0～1.5MPa，注漿材料為硫鋁酸鹽快硬水泥。

圖3 注漿孔布置

4 穩(wěn)定性監(jiān)控及支護效果分析

為了檢驗支護加固方案的現(xiàn)場應(yīng)用效果，在S2206進風巷進行方案的試驗和巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)控。

4.1 監(jiān)測結(jié)果及分析

選取試驗段內(nèi)和試驗段外的典型監(jiān)測斷面，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和對比分析，考察支護加固方案的實施效果。

4.1.1 圍巖表面位移

圖4監(jiān)測曲線表明，各斷面圍巖變形量最終控制在較低水平，水平收斂、頂板下沉和底板鼓起3條曲線均趨于穩(wěn)定，且3條曲線變化趨勢基本一致：曲線在初期快速上升，這是由于巷道受到本工作面開采擾動應(yīng)力場和原巖應(yīng)力場的疊加作用，圍巖變形量急劇增大，這一階段內(nèi)，監(jiān)測斷面距開采工作面較近，曲線存在一定的震蕩，顯示表面巖體變形的不穩(wěn)定性。隨著錨桿(索)支護發(fā)揮作用，后期變形速率逐漸減小，最終達到一個基本穩(wěn)定的狀態(tài)。從監(jiān)測結(jié)果可以看出，巷道圍巖表面位移呈現(xiàn)“兩幫收斂>底鼓>頂板下沉”的分布規(guī)律，且兩幫收斂量和底鼓量均遠大于頂板下沉量，說明巷道幫部和底板的穩(wěn)定性緊密相連，兩者的變形具有一定的相關(guān)性。監(jiān)測數(shù)據(jù)還表明，試驗段內(nèi)的圍巖變形量明顯小于試驗段外，其中兩幫和底板的變形數(shù)據(jù)尤其如此。說明巷道整體穩(wěn)定性有明顯提升，所采取的支護加固措施效果是顯著的。

圖4 圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果

4.1.2 圍巖深部位移

從圖5監(jiān)測曲線可以看出，圍巖深部各點位移的發(fā)展過程分為明顯的3個階段。第1階段為快速增長期，這一階段位移發(fā)展速率較快；第2階段為震蕩調(diào)整期，隨著工作面繼續(xù)推進，初期錨桿和錨索支護發(fā)揮作用，變形受開挖影響逐漸減?。坏?階段為變形穩(wěn)定階段，這一階段存在蠕變變形，但位移量不大，變形很快穩(wěn)定下來。

圖5 圍巖深部位移監(jiān)測結(jié)果

圍巖深部位移場分布與表面位移有一定聯(lián)系，深部圍巖位移可以視為表面位移的內(nèi)延，總體上是表面位移愈大，深部一定范圍內(nèi)各點的位移量也愈大，但不同深度處增大的速度不同，位移速度場沿深度方向呈不均勻分布，表現(xiàn)為各測點的變形速率隨著距巷道表面距離的增大而顯著減小的梯度，而這種不均勻性，各測試鉆孔又有所不同，有的內(nèi)外位移存在較大位移差，有的則接近等速外移。

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，巷道左幫圍巖內(nèi)部各點的累計絕對位移量均大于巷道右?guī)?，這是因為左幫較右?guī)透拷_采工作面，受工作面采動應(yīng)力的影響較大，深部圍巖活動較為劇烈，位移也就較大。對比試驗段內(nèi)外的監(jiān)測曲線可以得出，試驗段內(nèi)頂板和兩幫的各點累計絕對位移量均小于試驗段外，這說明采取支護加固措施后，深部圍巖的整體性有較大提升，巷道穩(wěn)定性得到較大改善。

4.1.3 錨索受力

從圖6監(jiān)測曲線可知，錨索受力總體變化可分3個階段：第1階段為快速增長期，錨索安裝后短時間內(nèi)即與圍巖產(chǎn)生相互作用，錨索本身在巖體形變作用下軸向力迅速增大，限制了圍巖沿巷道自由面上的法向變形；第2階段為波動變化期，錨索受力變化比較頻繁，出現(xiàn)上述特征波動的原因主要是巖體及錨索的內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整，產(chǎn)生壓縮、回彈的反復(fù)過程；第3階段為平穩(wěn)變化期，應(yīng)力值穩(wěn)定時間與圍巖變形穩(wěn)定時間接近。此階段錨索最大受力均達到峰值應(yīng)力但尚未達到錨索的屈服極限，表明錨索有一定的安全儲備，巷道的支護是安全可靠的。

圖6 錨索受力監(jiān)測結(jié)果

由監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以看出，試驗段外各錨索的受力初值普遍大于試驗段內(nèi)，這是由于其更靠近開采工作面，最先受到開采應(yīng)力的影響，錨索承載較高的開采動壓而使得受力迅速增大。并且3根監(jiān)測錨索受力大小的排序均為：頂板錨索>左幫錨索>右?guī)湾^索，這主要是因為該試驗段的地應(yīng)力呈現(xiàn)垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力的分布規(guī)律，并且更靠近工作面的左幫，承受了比右?guī)透叩拈_采動壓。

4.1.4巷道不均勻變形

圖7為試驗段內(nèi)、外巷道不均勻變形圖。

圖7 巷道不均勻變形監(jiān)測結(jié)果

從圖7試驗段外監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)可以看出，原有支護對幫部和底板控制的考慮不夠完善，兩幫收斂量較大，兩幫的失穩(wěn)導(dǎo)致底鼓量增長較快，并且兩幫和頂?shù)讎鷰r中部的變形量普遍大于其他部位，其中兩幫圍巖3組測點的變形大小排序為：中部測點>上部測點>下部測點，頂?shù)讎鷰r3組測點的變形大小排序為：中部測點>左部測點>右部測點，這是由于兩幫下部受到底板的剪切約束和頂?shù)装遄蟛渴艿阶髱透蟮臄D壓力造成的。從試驗段內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和曲線圖中可以明顯地看到，兩幫和頂?shù)装宓氖諗苛棵黠@減小，圍巖變形得到了較好的控制，說明所采取的支護加固方案是可行且有效的。

5 結(jié)論

(1)依據(jù)S2206進風巷原有支護變形破壞情況的分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，提出了走向高預(yù)應(yīng)力錨索梁控頂、走向高預(yù)應(yīng)力錨索梁穩(wěn)幫、幫角走向錨梁配合底角錨桿護底、全斷面噴注漿補強的聯(lián)合支護加固方案，并進行了現(xiàn)場試驗和巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測。

(2)監(jiān)測結(jié)果表明，加固方案實施后，巷道圍巖變形量控制在較低水平，兩幫收斂、頂板下沉和底鼓均趨于穩(wěn)定，錨索處于較佳的受力狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制，支護效果顯著。

(3)處于深部巖體中的巷道，圍巖受力復(fù)雜，只有通過監(jiān)控量測來掌握巷道的變形和受力狀態(tài)，依據(jù)反饋的實測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)支護參數(shù)和施工，采取及時有效的輔助措施，才能保證巷道的長期穩(wěn)定。

[1]靳俊恒，孟祥瑞，高召寧.高應(yīng)力破碎軟巖巷道錨注加固的數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2011，40(4)：150-152.

[2]康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤礦開采，2011，16(3)：25-30，131.

[3]馬開春.深井巷道支護技術(shù)[J].煤礦安全，2011，40(8)：47-50.

[4]李振頂，謝中強.深部高應(yīng)力軟巖巷道維修支護技術(shù)[J].煤礦開采，2011，16(4)：63-65，39.

[5]徐 雨，陳新明，焦華喆.趙固二礦深井馬頭門復(fù)合軟巖支護技術(shù)[J].金屬礦山，2012，37(4)：32-35.

[6]呂言新，李海波，喬衛(wèi)國，等.深井高應(yīng)力大斷面軟巖巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32(5)：20-23.

[7]晁俊奇，喬長燦，戚彥貴.朱集礦千米深井巷道支護與加固技術(shù)[J].煤礦開采，2010，15(3)：64-66.

[8]陳 賓，郝光生.高應(yīng)力軟巖二次錨網(wǎng)協(xié)同支護技術(shù)研究[J].煤炭工程，2013，39(4)：35-37.

[9]宗義江，韓立軍，陳 城，等.大斷面極不穩(wěn)定軟巖巷道支護與施工成套技術(shù)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37(3)：34-37.

[10]于 鋒，陳廣印，孟 波，等.極軟巖順槽底臌控制研究[J].煤礦安全，2013，44(8)：27-29.

[11]秦慶舉，曹 飛.祁東煤礦軟巖巷道支護技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤礦開采，2012，17(6)：52-55.

[責任編輯：林健]

DeformationandFailureCharacteristicofDynamic-pressureRoadwayinSoftCoalandReinforcementTechnology

LI Shu-gang1,2,CHENG Xiao-yu2,LIU Chao1,2,ZHANG Tian-jun3,XING Li-jie2,WANG Hui2

(1.Education Ministry Key Laboratory of West Mine Mining and Disaster Prevention,Xi’an 710054,China;2.Energy School,Xi’an Universityof Science & Technology,Xi’an 710054,China;3.Science School,Xi’an University of Science & Technology,Xi’an 710054,China)

Intake airway of S2206 mining face in Yuwu Coal Company was in soft coalseam.Influenced by mining,deformation and failure of surrounding rock was serious.By analyzing deformation and failure characteristic of former supporting project,a combined reinforcement project of anchored grouting and injecting was put forward and all-around underground pressure monitoring was made.Monitoring result showed that after applying reinforcement project,surrounding rock deformation was controlled effectively,plastic-zone reduced largely,anchored cable was in best stress state and fully produced bearing capacity of supporting body,which could keep long-term stability of roadway.

soft coalseam; dynamic-pressure roadway; failure characteristic; anchored grouting and injecting; underground pressure monitoring

2014-01-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.015

國家自然科學(xué)基金項目(51174157，51104118，51304154)；陜西省博士后基金資助項目(陜博管辦[2013]10號-2-76)

李樹剛(1963-)，男，甘肅會寧人，博士研究生，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事礦山安全科學(xué)與工程、采動礦山壓力及控制，圍巖活動與瓦斯運移、煤層自燃間關(guān)系及控制，非穩(wěn)態(tài)滲流力學(xué)等領(lǐng)域的研究。

李樹剛,成小雨，劉 超，等.松軟煤層動壓巷道變形破壞特征及加固技術(shù)研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：51-54，32.

TD353

A

1006-6225(2014)05-0051-04