楊永剛

(安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥 230001)

動壓巷道由于受到鄰近工作面的采動影響，巷道處于采空區(qū)頂板垮落“大結(jié)構(gòu)”環(huán)境之中，采空區(qū)側(cè)向支承壓力、超前支承壓力等作用于動壓巷道，造成動壓巷道支護困難[1-4]。國內(nèi)關(guān)于動壓巷道支護理論與技術(shù)的研究主要聚焦在采區(qū)動壓巷道包括沿空掘巷、沿空留巷及跨采巷道等方面[5-8]，這類巷道主要是受到工作面采動集中應(yīng)力的影響表現(xiàn)為巷道壓力的增大，支護結(jié)構(gòu)作用的對象是較為完整的圍巖，采用合適的支護技術(shù)和支護方法巷道圍巖大變形是可以控制的。

對于中近距離下伏工作面采動條件下的巷道，下伏工作面回采后采場圍巖應(yīng)力重新分布，此類巷道的破壞特征及程度與下伏工作面相對空間位置及工作面回采過程密切相關(guān)。此種條件下巷道支護的對象已不再是完整的巖體，而是可能已經(jīng)出現(xiàn)離層、斷裂甚至已經(jīng)破碎的巖體，巷道圍巖控制將極為困難[9-11]。

淮北礦區(qū)朱莊煤礦二水平南大巷處于擬回采的Ⅲ620工作面正上方，垂距為54 m，巷道走向與工作面回采方向平行。巷道整體處于下部工作面回采后垮落頂板之上，巷道變形極為劇烈。同時，因二水平南大巷為系統(tǒng)巷道，在下部工作面回采過程中還要滿足巷道正常使用要求，巷道支護安全要求高。隨著開采強度的逐年加大，淮北礦區(qū)類似條件的巷道將變得越來越常見，而此類巷道支護困難，維護費用高，其變形控制已成為直接影響礦井安全高效生產(chǎn)的制約因素之一。因此，研究中近距離下伏工作面采動條件下巷道支護與圍巖變形控制技術(shù)是淮北礦區(qū)各礦井動壓巷道變形控制中一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)課題。

1 工程地質(zhì)條件

Ⅲ620工作面為朱莊礦三水平Ⅲ62采區(qū)上部第一個工作面，工作面平均傾斜長150 m，工作面平均走向長度820 m。煤層厚度為2.1～3.2 m，平均厚度2.6 m，傾角2°～9°，平均傾角6°，上覆3、4煤層均已回采完畢。二水平南大巷位于Ⅲ620工作面頂板上方53 m，兩者走向相同。根據(jù)64-4鉆孔柱狀圖，該巷道位于6煤頂板54 m的粉砂巖層位內(nèi)，粉砂巖層厚6.5 m；巷道底板為4.3 m砂巖和12.0 m粉砂巖；巷道頂板為3.9 m鋁質(zhì)泥巖，灰色見紫色斑塊及白色粗鮞子，含大量云母片；其上為2.05 m砂巖，灰色細粒性硬礦物，以石英為主；再其上為10.6 m泥巖。

現(xiàn)有的二水平南大巷為系統(tǒng)巷道，斷面形式為三心拱，巷道寬×高=3 800 mm×2 600 mm，凈斷面面積為8.6 m2。采用砌碹支護，碹體采用料石，厚度300 mm。根據(jù)Ⅲ620工作面采前現(xiàn)場調(diào)研情況，碹體與圍巖之間普遍留有200～300 mm的空隙，兩者接觸不實，且圍巖存在風(fēng)化破碎現(xiàn)象。

2 相似模擬實驗研究

2.1 實驗技術(shù)參數(shù)確定

模型原始參數(shù)取自朱莊礦二水平南大巷及下部Ⅲ620工作面綜合柱狀圖及試驗區(qū)域的地質(zhì)資料。以Ⅲ620工作面回采、二水平南大巷為主要研究對象，模擬煤層平均厚度2.6 m。主要考慮Ⅲ622工作面(面長200 m)回采、Ⅲ620工作面(面長150 m)回采及兩側(cè)邊界。選取幾何相似常數(shù)為100，容重相似常數(shù)為1.6，根據(jù)相似理論確定如下相似常數(shù)：應(yīng)力及強度相似常數(shù)為160，時間相似常數(shù)為10。選用長×高×寬為3 000 mm×2 000 mm×250 mm的平面模型支架進行模擬。

為研究不同層位巷道變形破壞特征，模型高度方向上，分別在擬回采工作面上方垮落帶、斷裂帶、彎曲帶布置巷道。本次模擬實驗共設(shè)置11條巷道，具體位置如圖1所示。模型水平方向上，1#、4#、8#、10#模擬巷道位于模型中部、工作面正上方，其余巷道分布于預(yù)計垮落線(預(yù)計垮落角60°)附近10 cm左右。

圖1 工作面回采與巷道模型示意圖

1)巖層相似材料確定。巖層模擬選用石膏、大白粉為膠結(jié)材料，河沙為骨料，采用直徑D=1.4～5.0 mm的粗云母作為層間裂隙、節(jié)理等弱面模擬材料[12-14]。通過材料配比力學(xué)性能測試實驗，綜合確定各類巖層的配比設(shè)計。

2)支架相似材料選擇。根據(jù)強度相似比，在實驗室內(nèi)對U型鋼支架模擬材料進行選材實驗。通過對鋁、銅、錫、鉛、木材等多種材料的直徑、強度、彈性模量等相關(guān)參數(shù)力學(xué)測試，在測試分析的基礎(chǔ)上選取鉛皮制作的模型支架作為模擬材料，支架采用三段式結(jié)構(gòu)進行模擬，以模擬支架的可縮性能，如圖2所示。

圖2 模型支架及其安裝照片

2.2 模型開挖與觀測

1)以實際工作面平均推進速度5 m/d為基準(zhǔn)，在實驗過程中嚴(yán)格遵守前述相似定律進行開挖，每2.4 h開挖一次，每次開挖5 cm，回采長度2 m。

2)為研究不同層位巷道圍巖的穩(wěn)定特征，沿模型高度方向共設(shè)置11條巷道，分別位于“Ⅲ620工作面”煤層上方8 m(垮落帶)、20 m(斷裂帶)、54 m(巷道層位)、90 m(彎曲帶)。

3)采用全站儀觀測工作面推進過程中采空區(qū)頂板不同層位巖層位移特征，分別在垮落帶、斷裂帶和彎曲帶內(nèi)布置位移測點，分別位于“Ⅲ620工作面”上方8、20、54、90 m層位，共計34個測點。

4)采用光纖光柵位移測量系統(tǒng)對不同層位的巷道圍巖微位移進行觀測，同時采用照相、素描、測量等方法，研究分析實驗巷道隨工作面回采距離與巷道圍巖位移穩(wěn)定之間的關(guān)系，以及巷道周邊裂隙發(fā)育規(guī)律特征。

2.3 相似模擬結(jié)果與分析

1)工作面來壓及頂板運移規(guī)律。工作面回采過程中老頂初次垮落步距50 m左右，周期來壓步距在5～15 m內(nèi)；工作面上覆巖層的垮落帶高度為 10～13 m，斷裂帶高度為26～35 m，頂板巖體離層的產(chǎn)生、發(fā)展隨工作面回采而不斷擴大，離層不斷向上傳遞，但始終位于采空區(qū)正上方巖體中。頂板裂隙發(fā)育高度與工作面推進度呈高度線性相關(guān)，其關(guān)系式為y=0.56x-17.6。

2)巷道穩(wěn)定與工作面回采過程空間關(guān)系。按“豎向三帶”劃分時，在2.6 m模擬采厚的情況下，垮落帶內(nèi)的巷道受頂板巖層垮落影響，底板或兩幫離層裂隙會達到1.5 m左右甚至更大，巷道受到嚴(yán)重破壞，不能維護巷道空間的穩(wěn)定；斷裂帶內(nèi)由于巖層具有分組不均勻下沉的特征，巷道若布置在分組下沉區(qū)域內(nèi)，圍巖裂隙發(fā)育程度較低，采用合適的支護時能夠維護巷道空間的穩(wěn)定，但當(dāng)巷道布置在不分組下沉區(qū)域，巷道兩幫或底板仍會產(chǎn)生較大的離層，并產(chǎn)生較大的水平錯動，巷道整體穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，此時選擇合適的支護就成為重點；彎曲帶內(nèi)的巖體表現(xiàn)為整體下沉，分層剪切錯動進一步減小，布置在其中的巷道受采動影響較小，圍巖破壞不明顯，采用合適的支護方式能夠維護巷道空間的穩(wěn)定。不同層位巷道破壞特征實驗照片如圖3所示。

(a)垮落帶內(nèi) (b)彎曲帶內(nèi)

3)巷道穩(wěn)定與工作面回采過程時間關(guān)系。處于彎曲帶內(nèi)的巷道的變形及穩(wěn)定時間主要受采空區(qū)頂板離層發(fā)育程度影響，從根本上說是受周期來壓步距、垮落角及離層巖體蠕變時間控制。當(dāng)工作面回采產(chǎn)生的頂板離層未發(fā)育至該巷道層位，則巷道穩(wěn)定；當(dāng)工作面推進至巷道與煤層垂直間距1倍左右距離時，巷道開始發(fā)生變形，工作面繼續(xù)推進至頂板來壓時，頂板產(chǎn)生較大范圍移動，此時巷道圍巖位移發(fā)生劇烈變化；當(dāng)工作面推過該巷道105～150 m 后(本實驗中6#巷道工作面推進約150 m，7#巷道工作面推進約105 m)，隨著頂板垮落高度繼續(xù)增大，離層裂隙向淺部發(fā)展，下部離層裂隙被逐漸壓實，巷道圍巖變形速度趨緩。

4)覆巖垮落特征與巷道支護方式選擇的關(guān)系。位于采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部巷道支護方式的選擇應(yīng)首先考慮所處層位。位于斷裂帶內(nèi)或垮落線上的巷道，巷道圍巖可能會發(fā)生較大的水平離層或錯動，且離層量較大，常規(guī)的錨桿錨索支護可能受巖層斷裂“大結(jié)構(gòu)”影響而被破壞，單一U型棚支護可能受離層影響而與頂板脫離導(dǎo)致支護失效，此時應(yīng)考慮錨桿支護與U型棚支護的組合；彎曲帶內(nèi)的巷道，巖體離層量較小，可以考慮錨梁網(wǎng)支護，但錨桿、錨索應(yīng)有一定的可伸長量。

3 巷道加固技術(shù)

3.1 加固對策

根據(jù)相似模擬實驗結(jié)果，朱莊礦二水平南大巷位于 Ⅲ620 工作面上覆巖層彎曲帶內(nèi)，巷道可能出現(xiàn)離層破壞，采取采前架棚降低圍巖破壞程度，采后注漿重構(gòu)圍巖結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施是能夠滿足巷道加固需求的。

1)采前架棚預(yù)加固。在下部Ⅲ620工作面回采前，架設(shè)U29型鋼支架，使其與碹體共同承載，同時防止碹體垮落，減少破壞后修復(fù)工作量。

2)采后碹體壁后注漿，圍巖重構(gòu)。受下伏工作面采動影響，碹體破壞，其與圍巖體之間空隙進一步增大，圍巖受力狀況更為惡化，噴漿后再進行碹后注漿，一方面改善碹體與圍巖的接觸狀態(tài)，消除壁后的偏載荷和點載荷作用，改善了圍巖及碹體的整體作用；另一方面修復(fù)圍巖，改善其完整性，充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力。

3.2 巷道加固方案

3.2.1 架棚加固

在Ⅲ620工作面回采之前完成加固，巷道加固設(shè)計方案如圖4所示。

(a)巷道加固設(shè)計方案

1)清除巷道圍巖表面已經(jīng)破壞、破碎的碹體或巖體；

2)金屬網(wǎng)背護。架棚前鋪設(shè)金屬網(wǎng)，其采用8#鐵絲編織而成、孔徑不大于40 mm。金屬網(wǎng)背護圍巖表面，相鄰金屬網(wǎng)相互搭接，搭接長度不小于 100 mm，并在搭接處用14#鐵絲扎牢；

3)U型棚支護。按規(guī)定架設(shè)U 29型棚，壓緊金屬網(wǎng)。U型棚由3段組成，頂板一段長度3 400 mm，兩幫長度2 530 mm，兩段之間搭接長度不小于400 mm，搭接段采用2副卡纜連接。棚距700 mm，棚檔間采用廢舊工字鋼、槽鋼等材料背護圍巖；布置5組拉桿，分別位于巷頂、肩窩及兩幫(距底板400 mm)，柱窩深度200 mm，柱底用16 mm厚鋼板焊接穿鞋。

3.2.2 圍巖重構(gòu)

在Ⅲ620工作面回采之后施工。試驗區(qū)段兩端預(yù)先采用化學(xué)漿液注漿，形成隔離墻，防止在試驗區(qū)段注漿過程中向外側(cè)串漿、漏漿，封堵工藝施工后進行試驗區(qū)段碹體壁后注漿，進行圍巖重構(gòu)。

1)注漿孔施工。注漿孔間排距1 600 mm×1 800 mm，每排布置5個淺注漿孔，淺孔孔深 600 mm，孔徑32 mm，垂直巖面打入。淺孔注漿管規(guī)格：直徑30 mm，長500 m。采用快硬水泥藥卷封孔。

2)圍巖表面噴漿。對巷道表面噴射混凝土砂漿，砂漿強度等級C30，噴層厚度100 mm，使噴層與碹體形成一個結(jié)合層，同時作為注漿時的止?jié){層。

3)淺孔注漿。注漿壓力為1～2 MPa，注漿穩(wěn)壓時間3～5 min；因碹體壁后孔隙大，選用水泥砂漿注漿，漿液材料由以下幾部分組成：PO42.5普通硅酸鹽水泥、中粒河砂(細度模數(shù)2.0)、膨脹劑、減水劑、水。水泥、河沙、水的質(zhì)量配合比為w水泥∶w砂∶w水=1∶2∶1，減水劑為水泥用量的3%，減水劑為拌合總量的1%。

3.3 礦壓觀測結(jié)果分析

為研究Ⅲ620 工作面回采期間上部巖層沉降規(guī)律，利用井下防爆全站儀通過選取井下不受采動影響的不動點作為基站，對巷道內(nèi)觀測點(自Ⅲ620工作面開切眼垂線外側(cè)60 m開始布置，每30 m一組測點)進行測量，觀測二水平南大巷內(nèi)各觀測點的絕對空間位移，觀測時間300余天。巷道變形觀測曲線如圖5所示。

(a)巷道沉降觀測曲線

1)由圖5(a)可見，受下伏Ⅲ620工作面回采影響，開切眼外側(cè)60 m以內(nèi)的測站未發(fā)生明顯下沉；位于采空區(qū)上方的巷道發(fā)生了整體下沉，且滯后于工作面推進，滯后距離為16～30 m。巷道內(nèi)最大沉降發(fā)生在位于距離開切眼40 m以遠，底板最大沉降值為300 mm左右，且與工作面的推進度和工作面上覆巖層的垮落情況密切相關(guān)。

2)單一測點受采動影響產(chǎn)生劇烈變形階段一般持續(xù)30～50 d，劇烈影響期兩幫及頂?shù)装遄畲笞冃嗡俣然驹?0 mm/d和15 mm/d左右，經(jīng)歷 60 d 左右的緩慢變形期之后變形趨于穩(wěn)定。

3)巷道圍巖受下伏工作面采動影響，未采取加固措施段巷道破壞較為嚴(yán)重，局部碹體垮落，給后期修護帶來較大困難；采取加固措施的試驗段巷道整體表現(xiàn)為幫部襯砌沿走向的張拉破壞，未出現(xiàn)碹體垮落現(xiàn)象，兩幫相對最大位移量約為130 mm，頂?shù)装逡平考s為-160 mm。巷道在下伏Ⅲ620工作面采動影響后即進行了注漿重構(gòu)圍巖工藝技術(shù)施工，顯著降低了巷道修復(fù)工程量。

4 結(jié)論

1)中近距離下伏工作面采動條件下上部巷道的穩(wěn)定性與兩者層位密切相關(guān)：垮落帶內(nèi)的巷道破壞嚴(yán)重，空間難以維持；斷裂帶內(nèi)巖層具有分組不均勻下沉特征，巷道若處于分組下沉區(qū)域內(nèi)時圍巖變形較小，處于不分組下沉區(qū)域內(nèi)時圍巖裂隙較為發(fā)育，需選擇合適的支護方法；彎曲帶內(nèi)的巷道受采動影響較小，圍巖破壞不明顯。

2)巷道的變形及穩(wěn)定時間主要受采空區(qū)頂板離層發(fā)育程度影響，從根本上說是受周期來壓步距、離層巖體蠕變時間控制。巷道變形起止階段均發(fā)生在工作面與巷道層間距的2倍左右距離時。

3)試驗巷道采取采前架棚預(yù)加固、采后碹體壁后注漿圍巖重構(gòu)加固方案，工程應(yīng)用結(jié)果表明，巷道經(jīng)受住了下伏工作面采動影響，保證了巷道采動影響期內(nèi)的正常使用。