申斌學(xué)， 袁超峰， 古文哲， 劉治成， 宋天奇， 潘浩

(中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

回采巷道作為地下煤炭資源開采和運(yùn)輸?shù)难屎硗ǖ?，其圍巖穩(wěn)定性控制對(duì)保證工作面安全高效開采具有重要意義[1]。隨著對(duì)不同地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境下巷道圍巖變形破壞機(jī)理和穩(wěn)定性控制技術(shù)的研究和探索，煤礦巷道支護(hù)技術(shù)和理論也日趨成熟和完善，提出了錨桿支護(hù)、錨桿+錨索支護(hù)和錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)等支護(hù)方法，形成了用于指導(dǎo)巷道支護(hù)的懸吊理論、組合梁理論和最大水平應(yīng)力理論等[2]。研究人員采用不同的支護(hù)方法與支護(hù)理論的組合指導(dǎo)現(xiàn)場巷道圍巖的穩(wěn)定性控制，效果良好。動(dòng)壓高幫回采巷道作為一種特殊的巷道，不僅在掘進(jìn)期間要經(jīng)歷掘進(jìn)過程的擾動(dòng)，而且在后期使用過程中先后要經(jīng)歷相鄰工作面和本工作面的回采擾動(dòng)，使得此類巷道的圍巖變形破壞過程異于常規(guī)的回采巷道，且高幫圍巖的穩(wěn)定性相對(duì)較弱，導(dǎo)致此類型巷道的圍巖穩(wěn)定性控制異常困難。

針對(duì)動(dòng)壓巷道圍巖變形破壞特征和穩(wěn)定性控制，學(xué)者們從不同角度提出了各種圍巖控制方法，如高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿一次支護(hù)[1]、全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)[3]、“非均勻”錨注加固技術(shù)[4]、基于“卸壓與整體支護(hù)”思路的支護(hù)技術(shù)[5]、高阻讓壓支護(hù)技術(shù)[6]、錨桿與注漿相結(jié)合的加固方法[7]、U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)方法[8-9]、錨網(wǎng)索+錨注聯(lián)合支護(hù)方式[10]等。在高幫巷道的圍巖穩(wěn)定性研究方面，有學(xué)者研究了巷道斷面寬高比對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律[11]:寬高比越小，幫部圍巖變形量越大，應(yīng)力集中程度越明顯，且高度越大，幫部圍巖穩(wěn)定性越低。

上述研究成果極大豐富了高幫類巷道或受動(dòng)壓影響巷道的圍巖變形特征和穩(wěn)定性控制技術(shù)，但大多是基于單一影響因素的穩(wěn)定性研究，很少涉及巷道在高幫和動(dòng)壓兩方面綜合作用下的圍巖變形規(guī)律和穩(wěn)定性控制，即動(dòng)壓高幫類巷道圍巖穩(wěn)定性控制研究。動(dòng)壓高幫類巷道是指服務(wù)期限內(nèi)受動(dòng)壓影響嚴(yán)重、巷幫高度較大的巷道，其圍巖變形特征是斷面尺寸和動(dòng)載影響下耦合作用的結(jié)果。不同地質(zhì)條件下的圍巖變形規(guī)律和破壞特征又顯現(xiàn)出不同?；诖耍疚囊阅车V15312工作面高幫進(jìn)風(fēng)平巷為研究對(duì)象，探討該平巷在動(dòng)壓影響下的破壞機(jī)理，通過優(yōu)化原有的支護(hù)參數(shù)，保證該動(dòng)壓高幫回采巷道的穩(wěn)定性，為類似條件下的動(dòng)壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供借鑒和參考。

1 工程概況

15312工作面開采煤層厚度為4.4～6.8 m，平均5.7 m，局部含1～2層夾矸；煤層傾角為4～11°，平均6°。煤層偽頂為平均厚度為0.1 m的砂質(zhì)頁巖，直接頂為平均厚度為12.3 m的石灰?guī)r和泥巖組成的互層，基本頂為平均厚度為10.8 m的細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。煤層直接底為平均厚度為5.4 m的粉砂質(zhì)泥巖，夾有細(xì)砂巖薄層，基本底為平均厚度為4.8 m的細(xì)粒石英砂巖。

15312工作面東側(cè)為相鄰的15310工作面，北側(cè)為采空區(qū)，南側(cè)為采區(qū)回風(fēng)巷，西側(cè)為15312工作面實(shí)體煤。15312工作面進(jìn)風(fēng)巷用于進(jìn)風(fēng)、行人和運(yùn)輸，巷道埋深為240～300 m，設(shè)計(jì)斷面為矩形，沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道凈寬度為5.0 m，凈高度為4.4 m，屬于高幫巷道。進(jìn)風(fēng)平巷在服務(wù)期間不僅會(huì)受到掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，也會(huì)受到相鄰工作面(15310工作面)和本工作面回采動(dòng)壓的影響，即15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于動(dòng)壓高幫回采巷道。15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷與15310工作面回風(fēng)平巷間的煤柱寬度為12 m，工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置

2 動(dòng)壓高幫回采巷道變形破壞機(jī)理

2.1 動(dòng)壓高幫回采巷道破壞特征

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于動(dòng)壓高幫回采巷道，其在使用過程中的破壞特征主要表現(xiàn)在幫部圍巖變形量較大，尤其是靠近頂板位置的幫部圍巖，部分區(qū)域出現(xiàn)大面積片幫和冒落，使得此區(qū)域的頂板跨度變大，頂板下沉量增大，且伴隨著錨桿破斷、托盤失效及金屬網(wǎng)撕毀嚴(yán)重等現(xiàn)象，幫部圍巖的整體性降低，巷道斷面收縮嚴(yán)重，導(dǎo)致巷道在服務(wù)期間存在較大的安全隱患，無法正常使用。

2.2 圍巖破壞機(jī)理

由15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷具體條件和巷道破壞特征可知，影響進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性的因素主要包括圍巖自身強(qiáng)度、巷道斷面尺寸、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境和圍巖支護(hù)強(qiáng)度。

2.2.1 圍巖自身強(qiáng)度

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷屬于煤巷，煤層為松軟破碎煤層，煤體孔隙裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低。巷道幫部圍巖作為薄弱環(huán)節(jié)，易在開采擾動(dòng)和自身載荷的綜合作用下首先發(fā)生較大變形，進(jìn)而導(dǎo)致巷道整體變形量較大，出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2.2 巷道斷面尺寸

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷斷面尺寸為5.0 m(寬)×4.5 m(高)，巷道寬度和高度較大，尤其是高度達(dá)到4.5 m，使得巷道圍巖變形較大，自穩(wěn)能力較差。此外，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，巖層分界面相當(dāng)于結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致巷道的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

2.2.3 巷道所處應(yīng)力環(huán)境

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷先后受到掘進(jìn)擾動(dòng)的影響、相鄰工作面開采擾動(dòng)的影響和本工作面開采擾動(dòng)的影響。

對(duì)于進(jìn)風(fēng)平巷掘進(jìn)擾動(dòng)，巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布，幫部圍巖由淺部到深部垂直應(yīng)力先增大后減小，之后逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)工作面?zhèn)鹊膸筒繃鷰r應(yīng)力集中系數(shù)為K0，煤柱位置的應(yīng)力集中系數(shù)為K1和K2，K1>K0。單一巷道掘進(jìn)后的幫部圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2(a)所示，相鄰巷道掘進(jìn)后的幫部圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2(b)所示。其中，γ為覆巖密度，H為埋深，l為巷道寬度，h為巷道高度，σz為垂直應(yīng)力，x為距巷道表面的距離，l0為煤柱寬度。

(a)單一巷道圍巖應(yīng)力

相鄰工作面開采對(duì)進(jìn)風(fēng)平巷的影響如圖3所示。15310工作面開采過程中，工作面?zhèn)认蛑螇毫?5312工作面進(jìn)風(fēng)平巷周邊的支撐壓力相互疊加，導(dǎo)致煤柱上的應(yīng)力集中程度增大，此時(shí)煤柱上的應(yīng)力集中系數(shù)為K3，K3遠(yuǎn)大于K2，且煤柱上的垂直應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近15312進(jìn)風(fēng)平巷側(cè)，煤柱穩(wěn)定性逐漸降低，巷道幫部圍巖變形量逐漸變大。

圖3 相鄰工作面開采圍巖應(yīng)力分布

本工作面開采對(duì)進(jìn)風(fēng)平巷的影響如圖4所示。15312工作面開采過程中，工作面?zhèn)认蛑螇毫εc煤柱原有的載荷相互疊加，導(dǎo)致煤柱上的應(yīng)力集中程度愈加明顯或煤柱快速發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)煤柱上的應(yīng)力集中系數(shù)為K4。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測，本工作面開采過后煤柱沒有立即發(fā)生失穩(wěn)，即本工作面開采過程中，煤柱上的應(yīng)力集中程度變大，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)的塑性區(qū)增大，此時(shí)幫部圍巖在頂?shù)装鍞D壓作用下向本工作面方向運(yùn)移，幫部圍巖變形量增大，圍巖穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

圖4 本工作面開采圍巖應(yīng)力分布

2.2.4 圍巖支護(hù)強(qiáng)度

15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷原采用錨桿+錨索+鋼帶+菱形網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的方式，如圖5所示。頂板錨桿采用20號(hào)螺紋鋼，長度為2 400 mm，間排距為1 500 mm×800 mm，配套托盤尺寸為300 mm×160 mm×10 mm。頂板錨索采用1×7股結(jié)構(gòu)鋼絞線，直徑為17.8 mm，長度為7 200 mm，配套專用的錨索鎖具，間排距為1 500 mm×800 mm，且頂板錨索間隔布置在M型鋼帶上。進(jìn)風(fēng)平巷幫部圍巖兩側(cè)采用不同的支護(hù)參數(shù)，其中煤柱側(cè)的錨桿為20號(hào)螺紋鋼，長度為2 000 mm，間排距為800 mm×800 mm；工作面?zhèn)鹊腻^桿為玻璃鋼錨桿，長度為2 400 mm，間排距與煤柱側(cè)間排距相同。進(jìn)風(fēng)平巷原支護(hù)配套網(wǎng)片規(guī)格為5 000 mm×1 200 mm的菱形網(wǎng)，錨桿預(yù)緊力為120 kN，錨索預(yù)緊力為170 kN。

圖5 原始支護(hù)斷面

分析15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷原始支護(hù)參數(shù)可看出，進(jìn)風(fēng)平巷頂板和幫部圍巖支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍差異較大。頂板采用錨桿+錨索的支護(hù)方式，支護(hù)范圍達(dá)到頂板上方7.2 m；而幫部圍巖僅采用錨桿支護(hù)，最大支護(hù)范圍為幫部圍巖以內(nèi)2.4 m，且巷道左右兩側(cè)采用不同的支護(hù)材料和支護(hù)長度，使得進(jìn)風(fēng)平巷整體支護(hù)強(qiáng)度和范圍不協(xié)調(diào)，而進(jìn)風(fēng)平巷在服務(wù)期限內(nèi)，進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)承受的載荷和擾動(dòng)遠(yuǎn)大于工作面?zhèn)?，即原始支護(hù)參數(shù)未充分考慮巷道實(shí)際的承載特征；同時(shí)錨桿和錨索的預(yù)緊力降低，最大僅為170 kN，難以提供較強(qiáng)的支護(hù)應(yīng)力場。

綜上所述，巷道圍巖自身強(qiáng)度較低、斷面尺寸較大、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜及圍巖支護(hù)強(qiáng)度不合理是導(dǎo)致15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷變形嚴(yán)重的主要原因。結(jié)合15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷實(shí)際條件，從圍巖自身強(qiáng)度低、巷道斷面尺寸大和圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜的角度控制巷道穩(wěn)定性較為困難，且現(xiàn)場觀測到巷道變形量雖然較大，但間隔煤柱未發(fā)生失穩(wěn)破壞，即間隔煤柱的寬度能夠滿足進(jìn)風(fēng)平巷的需求，故采取優(yōu)化巷道原有支護(hù)參數(shù)的措施，通過提高巷道整體的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍，降低進(jìn)風(fēng)平巷的變形量，實(shí)現(xiàn)15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性控制。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性控制

3.1 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷服務(wù)期間的圍巖受力特征，結(jié)合巷道變形的實(shí)際情況，增大巷道兩幫支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)范圍，以提高巷道圍巖的整體支護(hù)強(qiáng)度。優(yōu)化后的具體支護(hù)參數(shù)如下。

頂板錨桿采用鋼號(hào)為500的左旋無縱筋螺紋鋼，直徑為20 mm，長度為2 400 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK2380)，配套150 mm×150 mm×10 mm的拱形托板和4 800 mm×280 mm×4 mm的W鋼帶；錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，預(yù)緊力不小于120 kN。

頂板錨索采用1×19股鋼絞線，直徑為21.8 mm，長度為6 200 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK23120)，配套高強(qiáng)度托盤；頂板每排布置2根錨索，間排距為1 800 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為250 kN。

幫部采用全錨索支護(hù)，錨索材料為1×7股鋼絞線，直徑為17.8 mm，長度為4 200 mm；采用加長樹脂錨固劑(MSCK23120)，間排距為900 mm×1 000 mm，預(yù)緊力為150 kN；全斷面配套使用尺寸為4 100 mm×1 100 mm的經(jīng)緯網(wǎng),網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

優(yōu)化后的支護(hù)斷面如圖6所示。

圖6 參數(shù)優(yōu)化后巷道支護(hù)斷面

3.2 參數(shù)優(yōu)化效果

為驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的動(dòng)壓高幫回采巷道圍巖控制效果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場分布特征?？紤]到錨桿和錨索提供的預(yù)緊力數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)，故模型中不考慮地應(yīng)力作用，只涉及錨桿和錨索提供的應(yīng)力場。建立尺寸為50 m(長)×50 m(寬)×45 m(高)的模型，模型底部垂直和水平方向固定，四周水平方向固定。圍巖物理力學(xué)參數(shù)取煤體的參數(shù)，體積模量為2.9 GPa，剪切模量為2.4 GPa，黏聚力為2.5 MPa，內(nèi)摩擦角為25°，抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后，錨桿和錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場分布如圖7所示。

由圖7可知，在原始支護(hù)參數(shù)作用下，錨桿和錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力近似呈橢圓狀，在同等支護(hù)應(yīng)力下，頂板支護(hù)應(yīng)力的范圍遠(yuǎn)大于幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力的范圍。以支護(hù)應(yīng)力0.020 MPa為例，頂板圍巖中支護(hù)應(yīng)力達(dá)到0.020 MPa的范圍為6.7 m，而幫部僅為2.3 m。在優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)作用下，巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力場近似呈圓形，頂板圍巖中支護(hù)應(yīng)力達(dá)到0.020 MPa的范圍為5.5～6.0 m，幫部為3.7 m，且支護(hù)應(yīng)力最大值接近0.334 MPa，超過原支護(hù)應(yīng)力場最大應(yīng)力的26.7%。同時(shí)，相同支護(hù)應(yīng)力條件下，優(yōu)化后的支護(hù)應(yīng)力范圍遠(yuǎn)大于原支護(hù)應(yīng)力的范圍。對(duì)比支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場可以看出，優(yōu)化后的幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力場范圍增大，而頂板支護(hù)應(yīng)力場范圍減小?？紤]到15312工作面進(jìn)風(fēng)巷變形主要集中在幫部，且?guī)筒繉?shí)體煤的強(qiáng)度比頂板的砂巖和泥巖小，故優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)更適用于動(dòng)壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

(a)原始支護(hù)應(yīng)力場

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

對(duì)15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷進(jìn)行礦壓監(jiān)測，通過監(jiān)測錨桿和錨索受力情況，分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后的動(dòng)壓高幫回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制效果。2019-10-01—2020-04-17錨桿和錨索受力情況如圖8所示。

圖8 錨桿和錨索受力情況

由圖8可知：支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷錨桿錨索的受力整體較小，頂錨桿的受力基本保持不變，維持在110 kN左右；頂錨索、左錨索和右錨索受力在工作面接近測點(diǎn)位置時(shí)增大，但頂錨索和右錨索增大幅度較小，而左錨索受力快速增大，接近300 kN，三者后期均趨于穩(wěn)定。

分析監(jiān)測結(jié)果可知，由于左錨索布置在進(jìn)風(fēng)平巷煤柱側(cè)，右錨桿布置在進(jìn)風(fēng)平巷工作面?zhèn)?，而煤柱?cè)受到相鄰工作面和本工作面開采的擾動(dòng)影響較大，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中較為明顯，且巷道頂板的穩(wěn)定性比幫部煤體高，故在本工作面逐漸接近測點(diǎn)時(shí)，左錨索受力增大幅度遠(yuǎn)大于頂錨索和右錨索受力增大幅度，但錨索最終的受力未超過其強(qiáng)度極限，即支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓高幫回采巷道的圍巖穩(wěn)定性控制，現(xiàn)場也觀測到圍巖變形量較小，圍巖控制效果較好。

4 結(jié)論

(1)揭示了15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性低的主要原因?yàn)閲鷰r自身強(qiáng)度低、巷道斷面尺寸大、圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜和圍巖支護(hù)強(qiáng)度低，確定了從優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)的角度提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，并對(duì)相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)采用數(shù)值計(jì)算方法分析支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后的支護(hù)應(yīng)力場分布特征，確定了優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)圍巖支護(hù)應(yīng)力場近似呈圓形，且其幫部圍巖支護(hù)應(yīng)力場范圍較大，更適合15312工作面進(jìn)風(fēng)平巷圍巖穩(wěn)定性控制。

(3)現(xiàn)場監(jiān)測錨桿和錨索受力結(jié)果顯示，在優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)支護(hù)作用下，錨桿和錨索受力均未超過其強(qiáng)度極限，且圍巖變形量較小，圍巖控制效果較好。