許元華 馮 毅

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 2.常村礦通風(fēng)科，河南 義馬 472000)

動壓巷道圍巖加固技術(shù)研究

許元華1馮 毅2

(1.黑龍江科技大學(xué)安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 2.常村礦通風(fēng)科，河南 義馬 472000)

介紹了目前巷道圍巖穩(wěn)定性的控制方法，通過對采動巷道圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)分析，以東北某礦為例，探討了動壓巷道圍巖加固技術(shù)方案，并論述了相應(yīng)的操作方法，控制了圍巖變形，收到了良好的施工效果。

巷道，圍巖，穩(wěn)定性，煤層

0 引言

在我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭一直占據(jù)著十分重要的地位，在我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展的同時(shí)，我國對煤炭的需求量依然很大。隨著我國近幾十年對煤炭資源的開發(fā)利用，埋深較淺的煤炭資源已接近枯竭，深部開采的礦井所產(chǎn)煤炭數(shù)量占全國煤炭總產(chǎn)能的比重日益升高。相關(guān)研究表明，在我國生產(chǎn)礦井中，垂深超過700 m已有幾十處，并且在龍煤集團(tuán)內(nèi)部分礦井的開采垂深已經(jīng)大于1 100 m。我國礦井的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，深部軟巖礦井井下巷道的數(shù)量隨礦井向下的延伸逐漸增加，地應(yīng)力高、巷道變形大、支護(hù)復(fù)雜成為目前巷道維護(hù)面的最主要問題，以廣西那龍煤礦二號井為例，礦井設(shè)計(jì)能力為21萬t/年，用時(shí)8年建設(shè)完成，但因生產(chǎn)過程中巷道維護(hù)困難導(dǎo)致礦井面臨停產(chǎn)的窘境[1]。

隨著開采深度的逐漸增加，70%～80%的巷道受到采動影響，同時(shí)淺部硬巖的巖層到深部后呈現(xiàn)為明顯的軟巖性質(zhì)，巷道內(nèi)支撐壓力逐漸升高，巷道變形越來越嚴(yán)重，如出現(xiàn)兩幫移近量大、頂板下沉嚴(yán)重、底鼓等現(xiàn)象。因此，動壓巷道圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)已成為制約煤礦安全生產(chǎn)重要災(zāi)害之一?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者對煤礦深部巷道的動壓圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究，并提出了一系列的實(shí)用控制措施和技術(shù)建議[2]。

以東北某礦為例，該礦1115(1)工作面位于-750 m水平，北二采區(qū)，工作面標(biāo)高為-730 m～-795.0 m，地面標(biāo)高為+25.2 m～+26.17 m。此工作面周圍及其上下煤層均未開采。此工作面走向長為2 813.1 m～2 817.7 m，平均2 815.4 m，傾斜長235.4 m，面積662 745.2 m2。工作面煤層賦存穩(wěn)定，工作面鉆孔揭露11-2煤層厚度為2.7 m～3.84 m，平均厚度為3.27 m，傾角為4°～10°，平均7°。煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般含2層～3層炭質(zhì)泥巖夾矸。

1 動壓巷道圍巖穩(wěn)定性控制

隨著松動圈支護(hù)理論的形成和發(fā)展，圍巖控制方法和技術(shù)針對不同的問題逐漸提出新的理論和技術(shù)，如候朝炯的適用于軟巖動壓巷道的加固幫角控制軟巖巷道底鼓；陸士良、王悅漢提出的軟巖巷道支架壁后充填技術(shù)；何滿潮耦合支護(hù)的力學(xué)原理與設(shè)計(jì)方法以及鄭雨天等人的錨噴—弧板支護(hù)理論等，目前巷道圍巖穩(wěn)定性的控制方法主要分為加固法、卸壓法和聯(lián)合法三類[3，4]。

圍巖加固法是指通過支護(hù)等手段對巷道圍巖進(jìn)行加固，控制深部巷道圍巖的變形程度，使巷道保持穩(wěn)定的效果?，F(xiàn)階段，我國煤礦主要采用的圍巖加固方法可分兩類，即主動支護(hù)和被動支護(hù)。卸壓法是現(xiàn)在我國煤礦井下采用的主動加固方法之一，其主要應(yīng)用對象為深部開采的大應(yīng)力軟巖巷道，對于存在底鼓現(xiàn)象的軟巖巷道應(yīng)用效果更加明顯。隨著技術(shù)的逐漸提高以及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的積累，卸壓法也逐漸增多，目前主要的卸壓法包括巷幫鉆孔、松動爆破、卸壓煤柱(巷道)等。當(dāng)巷道的變形受到煤礦采動影響較大，采用單一的巷道支護(hù)或加固形式不能夠有效控制巷道的破壞變形，因此必須同時(shí)采用上述方法中的兩種或者多種方法來增加巷道的強(qiáng)度，進(jìn)而有效地控制巷道的變形，防止其發(fā)生變形破壞。此種方法即是聯(lián)合支護(hù)法。目前煤礦采用的聯(lián)合支護(hù)方式主要包括錨噴+注漿+錨索、錨桿+網(wǎng)+錨索等。但采用聯(lián)合支護(hù)加固巷道時(shí)，由于同時(shí)采用多種支護(hù)方式，致使巷道支護(hù)成本高于其他單一支護(hù)形式。

2 采動巷道圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)分析

2.1 上覆煤層開采活動對動壓圍巖受力影響分析

當(dāng)工作面沿走向方向向前推進(jìn)時(shí)，工作面前方沿工作面傾向方向的支撐壓力隨工作面推進(jìn)而降低，最終消失，但工作面端頭沿工作面走向方向側(cè)向支撐力不會隨工作面的推移變化而減弱，將始終作用于其下方覆蓋的巷道，影響其圍巖穩(wěn)定。煤層底部巷道與其上覆煤層工作面邊界位置的水平間距較大，此時(shí)巷道主要受到工作面沿走向推進(jìn)過程中前方支撐壓力的影響，而當(dāng)上覆煤層的工作面采動完畢后，工作面對下部巷道的影響作用將消失，圍巖趨于穩(wěn)定；而下部巷道圍巖同時(shí)受到上覆煤層工作面前方和工作面沿走向方向側(cè)向壓力的影響。

2.2 巷道圍巖的遠(yuǎn)場應(yīng)力分布

在垂直于工作面推進(jìn)方向取單位厚度的半無限平面，上邊界為煤層工作面的水平面，巷道位于離邊界h高度處，距煤層工作面端頭的水平距離為b，如圖1所示為巷道圍巖遠(yuǎn)場應(yīng)力分析的力學(xué)模型，該模型的材料視為均質(zhì)巖體，其彈性模量為E，泊松比為μ。2.3 巷道與煤層工作面垂直距離h的影響

巷道埋深H=750 m，巷道與煤層工作面端頭間的水平距離b=5 m時(shí)，巷道處的水平應(yīng)力δx，垂直應(yīng)力δy和剪應(yīng)力τxy隨垂直距離h的變化曲線如圖2所示。

通過分析圖2可得，煤層工作面與巷道的垂直距離h越小，δy和τxy值均越大；當(dāng)h=15 m逐漸變化到h=30 m時(shí)，δx的變化值約為0.5 MPa。

2.4 巷道與煤層工作面端頭間水平距離b的影響

巷道埋深H=750 m，巷道至煤層工作面垂直距離h=20 m時(shí)，巷道圍巖遠(yuǎn)場的水平應(yīng)力δx、垂直應(yīng)力δy和剪應(yīng)力τxy隨巷道與工作面端頭間的水平距離b的變化曲線如圖3所示。

通過分析圖3可得，隨著b的逐漸增大，巷道圍巖的δy值和τxy值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，而δx則表現(xiàn)出先增大而后減小的變化特征，約水平距離b=3 m處δx達(dá)到最大值，可得此時(shí)工作面開采對巷道圍巖水平應(yīng)力的影響為最大。

2.5 巷道埋深H的影響

取巷道與工作面端頭間的水平距離b=5 m、巷道至煤層工作面間垂直距離h=18 m時(shí)，圍巖的水平應(yīng)力δx、垂直應(yīng)力δy和剪應(yīng)力τxy隨工作面埋藏深度H的變化曲線如圖4所示。

通過分析圖4可得，隨著H的逐漸升高，δy,τxy和δx的值均呈正線性相關(guān)，即巷道的埋藏深度H越深，巷道圍巖應(yīng)力變化越大。

3 實(shí)施方案

20世紀(jì)80年代以后，巷道圍巖控制技術(shù)快速發(fā)展，對于破碎圍巖逐漸形成了“噴錨注”控制技術(shù)[5]?！皣姟奔磭娚浠炷列纬扇嵝灾ёo(hù)保護(hù)層，“注”即注漿加固重新形成穩(wěn)定的整體，“錨”即通過注漿錨桿增強(qiáng)錨固能力，達(dá)到控制破碎圍巖的效果。

針對該礦井，在中間切眼至開切眼約300 m范圍巷道兩幫相對穩(wěn)定，變形量不大，未出現(xiàn)大范圍錨桿失效、炸幫等現(xiàn)象，在八上層工作面開采前，急需對該范圍巷道進(jìn)行噴漿，防止圍巖風(fēng)化導(dǎo)致錨桿失效。將中間切眼以外巷道已經(jīng)嚴(yán)重破壞變形、脹包處圍巖剝落，錨桿失效的重新補(bǔ)打錨桿及鋼帶，之后進(jìn)行噴漿，噴漿厚度10 mm以上。噴漿后，在頂板打設(shè)注漿錨桿，進(jìn)行注漿加固，阻止頂板繼續(xù)離層變形，行距1.5 m，排距1.0 m，布置參數(shù)如圖5所示。

4 加固技術(shù)效果研究

在皮帶尾方向隔6 m布置1個(gè),布置2個(gè)，開切眼每10 m布置1個(gè),布置4個(gè)，共布置6個(gè)ZXY型在線測壓表，所得數(shù)據(jù)如圖6所示。研究結(jié)果表明錨桿、單體受力不大，說明支護(hù)方案可行，圍巖得到了有效控制。

5 結(jié)語

1)從理論上探討了騎跨采動壓巷道圍巖的應(yīng)力與變形的變化規(guī)律，研究得出巷道圍巖應(yīng)力與巷道埋深H、巷道距上部煤層工作面端頭的垂直距離h、水平距離b間的耦合關(guān)系，三者對巷道穩(wěn)定性的影響都十分明顯。

2)提出了動壓下巷道圍巖控制技術(shù)方案，進(jìn)行現(xiàn)場施工后，并利用MCJ-Ⅲ型錨桿測力計(jì)對該礦進(jìn)行研究，表明錨桿、單體受力不大，說明支護(hù)方案可行，圍巖得到了有效控制。

[1] 麻鳳海.巖層移動的時(shí)空過程[D].沈陽：東北大學(xué),1996.

[2] 李向陽.采空場覆巖變形特性研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004：45-56.

[3] 郭振興.大采高采場圍巖控制及支架穩(wěn)定性研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2010.

[4] 侯鳳才.新安礦大采高綜采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：黑龍江科技大學(xué)，2009.

[5] 華心祝,馬俊楓,許庭教.錨桿支護(hù)巷道巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)沿空留巷圍巖控制機(jī)理研究及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005，24(12)：2107-2112.

Research on consolidation technique for dynamic pressure roadway

Xu Yuanhua1Feng Yi2

(1.SecurityEngineeringCollege,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China; 2.VentilationDivisionofChangcunMine,Yima472000,China)

The paper introduces the controlling methods for controlling the stability of roadway surrounding rock, explore the consolidation technique scheme for the dynamic pressure surrounding rock by taking some mine in Northeast of China as the example according to the dynamic analysis of the stability of surrounding rock at roadway above mining face, and indicates respective operation methods, so as to control the deformation of surrounding rocks and achieve better construction effect.

roadway, surrounding rock, stability, coal seam

1009-6825(2015)07-0060-03

2014-12-28

許元華(1987- )，男，碩士，助教； 馮 毅(1987- )，男，助理工程師

TD265

A