張 劍，李洪賓，劉愛(ài)卿，方樹(shù)林，王國(guó)強(qiáng)，張澤鑫

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 介休 032000；5.霍州煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 霍州 031499)

采動(dòng)應(yīng)力為造成巷道大變形或失穩(wěn)破壞的重要影響因素，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如孟毅[1]針對(duì)曹村礦大巷圍巖變形量大和支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等現(xiàn)象，分析指出相鄰工作面采動(dòng)影響為造成大巷反復(fù)破壞的主控因素，研究得到巷道圍巖塑性區(qū)由圓形轉(zhuǎn)化為橢圓形的演化規(guī)律；徐幼林等[2]針對(duì)動(dòng)壓作用下灣田煤礦運(yùn)輸下山軟巖巷道圍巖變形強(qiáng)烈難支護(hù)問(wèn)題，分析得出巷道上覆工作面采動(dòng)對(duì)巷道穩(wěn)定性存在明顯影響；薛琦等[3，4]針對(duì)永久大巷受雙側(cè)工作面采動(dòng)影響導(dǎo)致巷道圍巖大變形的問(wèn)題，研究了巷道變形破壞特征及應(yīng)力分布規(guī)律。深部開(kāi)采加劇了采動(dòng)巷道圍巖變形破壞程度，加大了巷道圍巖控制的難度，關(guān)于深部采動(dòng)巷道圍巖破壞機(jī)制方面的研究已取得大量成果，馬念杰等[5]基于深部采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，分析了雙向非等壓條件下巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制及其形態(tài)特征，并對(duì)頂板穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了探討；袁越[6]針對(duì)深部動(dòng)壓回采巷道的大變形失穩(wěn)破壞及其控制難題，建立了深部動(dòng)壓環(huán)境下圓形巷道力學(xué)模型，導(dǎo)出了塑性區(qū)邊界隱性方程式；張海韋[7]針對(duì)某煤礦典型巷道工程地質(zhì)條件，模擬研究了采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力及變形的演化規(guī)律，提出了深部采動(dòng)巷道圍巖強(qiáng)化控制技術(shù)；黃炳香等[8]基于千米深井強(qiáng)采動(dòng)巷道圍巖所處應(yīng)力環(huán)境及其大變形特征，初步提出了千米深井采動(dòng)巷道圍巖流變和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)大變形理論框架。有關(guān)深部采動(dòng)巷道圍巖控制技術(shù)，主要包括高強(qiáng)度錨噴加固技術(shù)[9]、錨注聯(lián)合加固技術(shù)[10]、U型鋼支架壁后注漿加固技術(shù)[11]等，其中錨噴支護(hù)為最常用技術(shù)，而噴層加固為保持巷道穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，但噴層實(shí)施時(shí)機(jī)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定控制作用方面的研究相對(duì)較少。本文針對(duì)曙光煤礦深部采動(dòng)影響區(qū)大巷控制難題，分析引起巷道圍巖變形破壞的內(nèi)外因素，提出適應(yīng)的大巷圍巖控制技術(shù)，為類似條件巷道圍巖穩(wěn)定控制提供借鑒。

1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及支護(hù)狀況

1.1 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀

山西曙光煤礦井田西翼布置回風(fēng)巷、軌道巷及運(yùn)輸巷三條集中巷，為礦井西翼開(kāi)采的咽喉要道，三條大巷保護(hù)煤柱分別為26m和35m，而1210采空區(qū)位于集中回風(fēng)巷南側(cè)，留設(shè)大巷保護(hù)煤柱55m，回風(fēng)巷全長(zhǎng)1851m，已掘1047m，未掘804m，位于1210采動(dòng)影響區(qū)范圍為1004m，采動(dòng)擾動(dòng)區(qū)保留有380m未掘進(jìn)，如圖1所示。

圖1 巷道布置方式(m)

1.2 巷道原支護(hù)方案及狀況

回風(fēng)巷斷面為直墻半圓拱，巷道寬度為5000mm，高度為4300mm，沿煤層頂板破底掘進(jìn)。巷道原支護(hù)采用錨網(wǎng)索噴加固方案，支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示，錨桿采用屈服強(qiáng)度為335MPa左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，直徑20mm，長(zhǎng)2400mm，間排距800mm×900mm，預(yù)緊扭矩190N·m，配合鋼筋托梁護(hù)表。錨索為1×7股結(jié)構(gòu)鋼絞線，直徑21.6mm，長(zhǎng)度6500mm，預(yù)緊力140kN，間排距1600mm×1800mm。巷道掘進(jìn)支護(hù)后表面噴射混凝土厚度為100mm。

圖2 回風(fēng)巷原支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

采用上述方案后回風(fēng)巷在1210工作面終采線外未進(jìn)入采動(dòng)影響范圍，未噴漿封閉圍巖前頂?shù)装寮皟蓭妥畲笞冃瘟靠刂圃?00mm之內(nèi)，回風(fēng)巷變形穩(wěn)定后噴漿封閉圍巖后，噴層保持完好無(wú)開(kāi)裂事件發(fā)生；而當(dāng)回風(fēng)巷進(jìn)入1210工作面采動(dòng)影響區(qū)后，巷道出現(xiàn)強(qiáng)烈大變形破壞，兩幫累計(jì)變形量達(dá)到1000mm，頂板下沉量超過(guò)600mm，主要表現(xiàn)為拱頂和煤幫失穩(wěn)，拱部淺部圍巖極度破碎，嚴(yán)重鼓包導(dǎo)致大量錨桿錨索呈懸空失效狀態(tài)，巷道表面噴漿層開(kāi)裂脫落，拱部肩窩錨桿、錨索斷裂，鋼筋網(wǎng)成片撕裂、錨桿托板凹陷等支護(hù)構(gòu)件失效，掘進(jìn)后巷道即呈現(xiàn)出前掘后修的常態(tài)。

1.3 巷道支護(hù)存在問(wèn)題

1)巷道圍巖淺部破碎導(dǎo)致錨桿錨固力不足。在采動(dòng)影響區(qū)巷道掘進(jìn)迎頭，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了錨桿拉拔力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。采用2支錨固劑頂板巖層錨桿錨固力為106kN；使用1支錨固劑，臨近1210采空區(qū)左幫錨桿錨固力為68kN，而靠近軌道巷右?guī)湾^桿錨固力為76kN，巷道頂幫錨桿錨固力均明顯偏低[12]。表明1210工作面開(kāi)采采動(dòng)影響加劇了回風(fēng)巷淺部圍巖裂隙發(fā)育程度，造成錨桿錨固力不足，控制巷道圍巖效能減弱，影響到圍巖控制效果。

表1 錨桿錨固力試驗(yàn)結(jié)果

2)錨桿錨索預(yù)應(yīng)力明顯偏小。錨桿預(yù)緊扭矩為190N·m，錨索預(yù)應(yīng)力為140kN，二者均明顯偏低，支護(hù)設(shè)計(jì)未重視預(yù)應(yīng)力對(duì)控制巷道圍巖質(zhì)量和效果的重要作用[13，14]。

3)錨桿錨索支護(hù)構(gòu)件搭配性差、不兼容。錨桿托板拱高小、承載力低、加工不規(guī)范，無(wú)法配套安裝調(diào)心球墊和減摩墊片，不僅影響錨桿預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化為預(yù)應(yīng)力的效率，而且極易導(dǎo)致桿體受力狀態(tài)惡化，造成圍巖變形過(guò)程桿體受到復(fù)合應(yīng)力而產(chǎn)生非正常拉伸破斷[15]。錨索采用平托板，極低承載力即產(chǎn)生外翻，且不能將錨索高預(yù)緊力有效傳遞和擴(kuò)散到深部圍巖，嚴(yán)重消弱錨索控制深部圍巖的效能[16]。

4)噴漿滯后時(shí)間長(zhǎng)，圍巖風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重?；仫L(fēng)巷掘進(jìn)支護(hù)后采取一次性噴漿方式進(jìn)行加固圍巖，由于井下環(huán)境潮濕，巷道泥巖頂板長(zhǎng)時(shí)間裸露風(fēng)化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，加劇了巷道表面破碎程度，導(dǎo)致錨桿錨索松動(dòng)失去對(duì)圍巖的約束和控制，造成巷道由淺部到深部持續(xù)性發(fā)展破壞。

2 采動(dòng)影響區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 提高淺部圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性

1210開(kāi)采激發(fā)的采動(dòng)應(yīng)力加劇了回風(fēng)巷圍巖淺部結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育程度，導(dǎo)致淺部圍巖強(qiáng)度明顯降低，造成圍巖自穩(wěn)性和承載力顯著減弱。在回風(fēng)巷掘進(jìn)面迎頭進(jìn)行了圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，結(jié)果如圖3所示。由圖3看出，巷道淺部圍巖分布有環(huán)向裂隙、縱向裂隙及破碎帶，由于回風(fēng)巷淺部圍巖裂隙發(fā)育導(dǎo)致錨桿錨索難以在圍巖內(nèi)生根[17]，嚴(yán)重消弱了錨桿錨索支護(hù)控制圍巖的效果，出現(xiàn)巷道淺部圍巖鼓包懸空，由淺入深破壞直至發(fā)展到失穩(wěn)。

圖3 回風(fēng)巷頂板結(jié)構(gòu)面類型

回風(fēng)巷圍巖強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果如圖4所示，1210工作面采動(dòng)影響區(qū)外，煤層強(qiáng)度平均為11.11MPa，而1210采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)，煤層強(qiáng)度平均僅為7.64MPa，相比降低了31%，1210采動(dòng)擾動(dòng)造成兩幫煤層松散軟弱，導(dǎo)致錨桿錨固力急劇衰減，引起兩幫煤體大變形破壞。1210采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)外回風(fēng)巷直接頂泥巖層強(qiáng)度分別為18.25MPa 和22.63MPa，同比下降19%，由于1210采動(dòng)擾動(dòng)影響，低預(yù)應(yīng)力低強(qiáng)度錨桿支護(hù)無(wú)法形成堅(jiān)固的穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，難以抵御深部圍巖應(yīng)力傳遞導(dǎo)致失穩(wěn)破壞。

圖4 回風(fēng)巷煤巖強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果

針對(duì)采動(dòng)影響區(qū)回風(fēng)巷圍巖破碎松散特征，提出采用預(yù)先超前注漿加固圍巖方法，掘進(jìn)前通過(guò)提前注漿預(yù)先改造裂隙發(fā)育淺部圍巖結(jié)構(gòu)，改善圍巖完整性和保持自身穩(wěn)定性，提高圍巖強(qiáng)度和承載力，為后期錨桿錨索支護(hù)提供良好的圍巖環(huán)境。

2.2 優(yōu)化錨桿支護(hù)構(gòu)件配套兼容性

實(shí)踐證明高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨桿支護(hù)是控制深部強(qiáng)采動(dòng)巷道行之有效的適用方法[18-20]。針對(duì)回風(fēng)巷錨桿支護(hù)存在的問(wèn)題，提高錨桿支護(hù)材料強(qiáng)度，優(yōu)化錨桿支護(hù)構(gòu)件合理配套兼容性，加大錨桿錨索預(yù)應(yīng)力水平，實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)效果顯著改善。

2.3 及時(shí)封閉圍巖防止風(fēng)化

快速噴漿及時(shí)封閉圍巖乃錨噴支護(hù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而選擇噴層時(shí)機(jī)對(duì)巷道圍巖控制效果有重要影響。采用數(shù)值模擬方法研究錨噴工序?qū)﹀^桿受力和位移的影響規(guī)律，以此來(lái)確定噴射混凝土施工順序。噴層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，模擬四種方案：①單純錨桿支護(hù)；②先錨后噴；③先噴后錨；④先薄噴再錨固后厚噴。

表2 混凝土噴層力學(xué)參數(shù)

圖5 錨桿尾部軸向受力變化曲線

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，采用后處理方法提取錨桿尾部受力和位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了錨桿尾部軸向受力和位移變化曲線，分別如圖5、圖6所示，由圖可知，對(duì)于“只打錨桿”和“先錨后噴”兩種方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移均隨遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面快速增長(zhǎng)，但伴有小幅波動(dòng)，錨桿受力和位移分別距掘進(jìn)迎頭4m和3m時(shí)保持穩(wěn)定延續(xù)狀態(tài)；對(duì)于“先噴后錨”方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移均始終保持穩(wěn)定狀態(tài)；而對(duì)于“先薄噴再錨固后厚噴”方式，巷道拱墻部錨桿尾部受力和位移起始有小幅增加隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；4種工序條件，巷道拱墻部錨桿尾部最終受力大小分別為59.97kN、59.19kN、56.89kN、57.19kN和60.60kN、58.87kN、57.19kN、57.95kN；而最終位移大小分別為8.74mm、8.61mm、8.24mm、8.28mm和9.05mm、8.68mm、8.32mm、8.49mm。

圖6 錨桿尾部位移變化曲線

由此可知，四種錨噴工序中以“先噴后錨”方式錨桿尾部受力和位移最小且最穩(wěn)定，“只打錨桿”方式錨桿受力和位移最大，具體排序?yàn)椋骸跋葒姾箦^”小于“先薄噴再錨固后厚噴”小于“先錨后噴”小于“只打錨桿”。

四種錨噴工序中以“先噴后錨”為最佳噴層方式，但考慮井下作業(yè)環(huán)境和施工時(shí)間，確定回風(fēng)巷采用“先薄噴再錨固后厚噴”方式?；仫L(fēng)巷掘進(jìn)后隨即噴射厚度50mm混凝土，快速封閉圍巖防止煤巖風(fēng)化和潮解，同時(shí)填補(bǔ)凹凸不平圍巖表面便于安裝錨桿錨索，改善錨桿錨索受力狀態(tài)，提高錨桿錨索預(yù)緊力向支護(hù)力轉(zhuǎn)化效率，掘進(jìn)支護(hù)后再?gòu)?fù)噴也有利于防止錨網(wǎng)材料被腐蝕，保證巷道表面平整度。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 巷道圍巖條件

曙光煤礦集中回風(fēng)巷沿2#煤層頂板破底掘進(jìn)，埋深平均為605m，煤層厚3.2m，傾角2°～5°，夾矸多為泥巖，直接頂泥巖厚4.2m，黑灰色；老頂厚6.5m，細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，深灰色，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)。直接底泥巖厚2.8m，塊狀構(gòu)造，細(xì)砂巖老底厚2.0m，堅(jiān)硬，圍巖巖性特征如圖7所示。

圖7 圍巖巖性特征

3.2 巷道圍巖控制方案與參數(shù)

3.2.1 掘進(jìn)迎頭超前注漿加固方案與參數(shù)

針對(duì)回風(fēng)巷淺部破碎圍巖條件，首先采用超前注漿加固技術(shù)，目的改善淺部破碎圍巖完整性，為錨桿錨索安裝提供穩(wěn)定圍巖條件。在回風(fēng)巷掘進(jìn)面迎頭頂板和兩幫循環(huán)均勻布置五個(gè)注漿孔?？咨?000mm，頂部鉆孔向上仰角30°，兩幫鉆孔與巷幫夾角30°，注漿孔間距1800mm，排距2100mm，鉆孔直徑42mm。采用化學(xué)注漿材料，水灰比0.8～1.0，全長(zhǎng)一次注漿，注漿終止壓力3MPa。注漿方式采用由下而上分序間隔注漿，以保證漿液的滲透性和注漿效果。

3.2.2 巷道永久加固方案與參數(shù)

回風(fēng)巷采用全斷面高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨網(wǎng)噴加固技術(shù)。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖8所示，全斷面布置15根屈服強(qiáng)度500MPa、型號(hào)為?22mm-M24-2400mm高強(qiáng)度錨桿，間排距為800mm×900mm，配套規(guī)格150mm×150mm×10mm高強(qiáng)度拱形托板及調(diào)心球墊和減摩墊圈，形成完整的錨桿支護(hù)體系，錨桿預(yù)緊扭矩由190N·m提高到300N·m；全斷面布置7根強(qiáng)度等級(jí)為1860MPa、型號(hào)為?21.8mm-1×19-6300mm高強(qiáng)度錨索，配套規(guī)格300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度拱形托板及其調(diào)心球墊，形成完整的錨索支護(hù)體系，錨索預(yù)緊力由140kN增加至200kN，通過(guò)提高錨桿強(qiáng)度、優(yōu)化錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)、加大錨桿錨索預(yù)緊力來(lái)充分發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用；采用BHW4.5-280-450W型鋼板和鋼筋網(wǎng)護(hù)表，掘進(jìn)后先初噴50mm，最后復(fù)噴150mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C25。

圖8 回風(fēng)巷支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

3.3 巷道圍巖控制效果

回風(fēng)巷掘進(jìn)支護(hù)期間表面位移變化曲線如圖9所示，巷道變形量隨遠(yuǎn)離掘進(jìn)面逐漸增加，距迎頭30m位置位移趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平繛?8mm，兩幫最大移近量為84mm，巷道圍巖變形控制良好，取得預(yù)期效果。

圖9 回風(fēng)巷表面位移變化曲線

錨桿錨索受力如圖10所示，距掘進(jìn)工作面0～40m范圍，錨桿錨索受力均在持續(xù)增加，40m位置后錨桿錨索受力趨于穩(wěn)定不變化狀態(tài)，最終錨桿受力穩(wěn)定在73～92kN，錨索受力保持在110～158kN。采用超前注漿聯(lián)合預(yù)應(yīng)力錨噴綜合加固技術(shù)，回風(fēng)巷掘進(jìn)支護(hù)后始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得預(yù)期明顯效果。

圖10 錨桿錨索受力變化曲線

4 結(jié) 論

1)采動(dòng)影響區(qū)巷道淺部圍巖強(qiáng)度衰減和裂隙發(fā)育加劇，引起錨桿錨固力不足為導(dǎo)致巷道變形破壞的內(nèi)在因素，而低強(qiáng)度低預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，加之支護(hù)構(gòu)件配套不兼容為造成巷道失穩(wěn)破壞的外部因素。

2)提出回風(fēng)巷采用超前注漿加固、高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度錨桿錨索加固以及先薄噴再錨固后厚噴加固的綜合性圍巖控制技術(shù)。

3)給出化學(xué)注漿加固和錨噴加固方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明所采用的綜合加固技術(shù)取得良好效果，為類似條件巷道圍巖穩(wěn)定控制提供了參考。