董瑞廷

(晉能控股集團 晉圣億欣煤業(yè)，山西 晉城 048006)

河南某礦區(qū)煤層賦存有埋深大、地應力高等特點，其煤層頂板主要為泥巖，底板主要為炭質泥巖或煤矸互疊層，屬于典型的“三軟”煤層[1]。礦井巷道支護和維護十分困難、巷道變形量大、修復工程量大、支護成本高，嚴重制約了安全經(jīng)濟高效礦山的建設，實踐證明該礦現(xiàn)有的支護方式和以往的支護經(jīng)驗無法滿足深部厚煤層巷道安全生產(chǎn)要求[2-3]。如果不解決上述問題將會給該礦巷道支護和安全生產(chǎn)帶來很大的困難。因此，急需對此類巷道變形破壞規(guī)律和圍巖控制技術進行研究，優(yōu)化現(xiàn)有支護形式和工藝，確保礦井安全高效生產(chǎn)，提高社會和經(jīng)濟效益[4-5]。

預應力注漿錨索是在中空注漿錨索基礎上改進而成，并配合適當?shù)淖{材料和注漿設備進行巷道支護的新型工藝術[6-7]。該技術改變了錨索的受力狀態(tài)，提高了支護系統(tǒng)的剛性和對巷道圍巖的約束效應，特別對“三軟”巷道支護效果十分明顯[8]。為了解決義煤集團新安煤礦“三軟”煤巷支護問題，在原有支護工藝基礎上進行優(yōu)化，從而達到提高圍巖強度、延長巷道服務壽命的目的。

1 工程概況

1.1 工作面布置

該礦15130采煤工作面位于15采區(qū)下山東翼，緊鄰15110采煤工作面、15150采煤工作面和15軌道下山。工作面地面標高平均+307 m，工作面標高平均+45 m，平均埋深262 m.15130下巷總長度為730 m，沿2-1煤層底板掘進，巷道設計掘進斷面尺寸：寬×高=5 600 mm×3 200 mm，斷面為17.9 m2，支護形式為“錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁+鋼帶+雙層網(wǎng)”聯(lián)合支護，巷道的相對位置如圖1所示，支護斷面如圖2所示。

圖1 工作面及周邊開采情況(m)

圖2 15130下巷支護斷面圖(mm)

1.2 地質情況

15130下巷煤層覆存穩(wěn)定，起伏變化不大，其煤層結構及地質條件簡單，煤層傾角4～9°，屬不易自燃煤層，自然發(fā)火期為6個月，爆炸指數(shù)為15.51%～16.34%.

2 煤巷圍巖破壞機理分析

2.1 圍巖破壞主要因素

1) 圍巖巖性。圍巖的巖性對巷道穩(wěn)定性的影響最大。圍巖的強度決定了圍巖的穩(wěn)定性，但由于巖體的非均質性，其中的結構面成為影響巖體穩(wěn)定的重要因素，可以說結構面的發(fā)育程度決定了圍巖的強度[9]。

2) 巷道埋深。隨著埋深增加，巖體的的性質逐漸朝著軟巖的性質轉變。巷道開挖后，應力逐漸向深部轉移，淺層圍巖在壓剪應力的作用下，逐漸發(fā)生擴容或破裂，產(chǎn)生變形，進一步導致巷道失穩(wěn)[10]。

3) 地應力。隨著埋深增加，水平應力將逐漸大于垂直應力，根據(jù)最大水平應力理論，水平應力對巷道頂?shù)装逵绊戄^大。其中，最大水平應力與巷道走向的夾角對巷道穩(wěn)定性影響較大，表現(xiàn)為隨著夾角的增加，巷道穩(wěn)定性逐漸降低，其中0°最穩(wěn)定，90°穩(wěn)定性最差。

4) 地質構造。煤層中主要的地質構造包括褶皺、斷層和煤層厚度變化等。這些地質構造會產(chǎn)生附加的構造應力，從而在地質構造附近產(chǎn)生應力的突變，表現(xiàn)為應力積聚增加或降低。當煤層揭露后，應力以不同能量形式急劇釋放，導致巷道失穩(wěn)[11]。

5) 回采動壓。地下相鄰采掘工作面之間距離是影響巷道穩(wěn)定性的重要因素之一。根據(jù)有關資料顯示，靜水壓力作用下，巷道的應力影響范圍約為3倍的巷道直徑。而巷道在鄰近工作面動壓擾動影響下，打破了原始的應力平衡狀態(tài)，應力相互疊加，使得巷道的穩(wěn)定性大幅降低。

6) 地下水。煤巖體中的水分含量會大大的降低圍巖的強度。因為圍巖中的水存在滲透壓力，會在裂隙處形成水鍥作用，導致巖體發(fā)生損傷，這將大大降低煤巖體的抗剪強度。因此地下水系較發(fā)育的巷道圍巖往往穩(wěn)定性較差[12]。

2.2 動壓巷道變形規(guī)律

采準巷道在整個服務年限內(nèi)，經(jīng)歷了多種形式采掘擾動后，應力重新分布，巷道的圍巖也在持續(xù)變形，一般將這個變形過程分為5個階段。

1) 巷道掘進影響階段。巷道掘進后，應力重新分布，在圍巖一定深度內(nèi)產(chǎn)生應力集中，淺部圍巖向巷道空間發(fā)生位移，產(chǎn)生塑性變形。擾動停止后，隨著時間延長，圍巖變形趨于緩和[13]。

2) 掘進影響穩(wěn)定階段。巷道掘進后，變形逐漸趨于緩和，但是煤巖體的蠕變性，決定了巷道變形將會隨時間而持續(xù)增加，但是其變性速率較新掘巷道小得多。

3) 采動影響階段。巷道在鄰近采掘工作面采掘活動影響下，其產(chǎn)生的超前支承壓力與巷道圍巖應力產(chǎn)生疊加，巷道圍巖應力重新分布，圍巖變形急劇快速增加。

4) 采動影響穩(wěn)定階段。鄰近采掘工作面對巷道擾動后，隨時間延長，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定，但其變形速率大于巷道掘進穩(wěn)定階段的變形速率[14]。

5) 二次采動影響階段。巷道在本區(qū)段回采工作面采動影響下，與鄰近采掘工作面超前支承壓力互相疊加，對巷道產(chǎn)生二次擾動，巷道應力重新分布，塑性區(qū)進一步擴大，圍巖變形劇烈。

2.3 巷道的動壓效應分析

對于采動的動壓效應，是由于頂板斷裂或變形釋放了能量，以應力波的形式往外傳播，對巷道產(chǎn)生振動作用。開采引發(fā)的礦震可以采用天然地震的分析方法進行研究，在地震力學中，能量是描述地震波的一個重要的物理量。假設震源在巷道頂部，震源產(chǎn)生的地震波傳播到巷道位置時，所產(chǎn)生的位移如公式(1)所示：

y=A0cos(2πt/T0)

(1)

式中：A0表示振幅，T0表示周期。

則振動速度可以表示為公式(2)：

v=-(2πA0/T0)sin(2πt/T0)

(2)

單位體積的振動動能密度e可以用公式(3)表示：

(3)

式中：ρ為介質的密度；持續(xù)時間t=nT0，則來自震源的全部動能可以用式(4)表示：

Ek=4π3L2ctρ(A0/T0)2

(4)

式中：L為假設震源和巷道之間距離；c為波的傳播速度。

最后通過計算可得出，總地震能量可用公式(5)表示：

E=3π3L2ctρ(A0/T0)2

(5)

因此，對于采動巷道所受到的擾動，可通過能量的角度進行分析控制。

3 動壓巷道支護參數(shù)優(yōu)化

3.1 支護設計原則

本設計方案針對該礦15130下巷，根據(jù)現(xiàn)場圍巖環(huán)境，采用高強錨注支護工藝進行超強補強加固，代替現(xiàn)有的架棚和錨網(wǎng)索支護，本方案設計的基本原則為：

1) 在現(xiàn)有施工技術和裝備的條件下便于實施，且經(jīng)濟合理、技術可行。

2) 確保在回采過程中的施工安全，不發(fā)生冒頂事故。

3) 實現(xiàn)利用高強錨注支護工藝來提高巷道圍巖強度，提高巷道支護系統(tǒng)的安全可靠程度，維持巷道服務期間的穩(wěn)定效果[15]。

3.2 支護方案確定

支護方案優(yōu)化后保持原支護體系中錨桿參數(shù)不變。錨索長度調整為中空注漿錨索，錨索長度6.3 m，錨索具體支護參數(shù)要以現(xiàn)場實際地質條件進行及時補強加密。根據(jù)巷道主要破壞因素和變形規(guī)律，主要分為巷道正常掘進階段、動壓影響解讀和地質異常掘進階段。

1) 正常巷道掘進期間支護設計。錨索規(guī)格：D22 mm×6 300 mm中空注漿錨索，配合300 mm×300 mm×16 mm托盤。布置方式：結合實際地質條件及工程類比法，若頂板完整時，采用“3-0-0-3”方式布置，間排距為1 400 mm×2 700 mm，如圖3所示。

圖3 錨注支護方案平面圖(正常掘進期間)(mm)

采用樹脂端錨工藝，每根錨索使用2卷MSZ2550型錨固劑或等效樹脂錨固劑端錨，張拉預緊力不低于120 kN.

注漿參數(shù)：注漿錨桿和注漿錨索的注漿壓力分別為3～5 MPa和不低于7 MPa.

2) 動壓影響期間支護設計。當受到相鄰采掘工作面擾動影響時，采用“采動補強”支護工藝，即受到采動影響前及時在兩排注漿錨索之間補強一排(3根)同規(guī)格的注漿錨索，如圖4所示。

圖4 錨注支護方案平面圖(擾動期間)(mm)

3) 地質異常期間支護設計。在巷道錨注修復工程中，如遇斷層、淋水、采動影響劇烈等地質異常區(qū)和構造帶區(qū)域，采取高強樹脂錨桿緊跟迎頭施工，兩幫及頂板加密注漿錨索，并配合輔助加固，具體參數(shù)為：

錨索規(guī)格:D22 mm×6 300 mm中空注漿錨索，配合300 mm×300 mm×16 mm托盤。布置方式：頂板采用“4-3-4”方式布置，間排距為1 120 mm×900 mm，如圖5所示。

圖5 錨注支護方案平面圖(地質異常區(qū))(mm)

采用樹脂端錨，每根錨索使用2卷MSZ2550型錨固劑或等效樹脂錨固劑端錨，張拉預緊力不低于120 kN.

4 巷道礦壓觀測

為了驗證支護方式的合理性，通過巷道表面位移觀測、深部圍巖變形觀測、鉆孔窺視等觀測方式，觀測了支護方式優(yōu)化后的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

4.1 巷道表面位移觀測

巷道表面位移測量的目的是通過測量找到巷道變形的規(guī)律，從而進一步分析巷道變形與支護體的相互關系，表面位移監(jiān)測作為動態(tài)監(jiān)測的一部分，可以為后續(xù)進行合理支護的改進提供可靠的基礎數(shù)據(jù)。巷道內(nèi)每10 m設置一組位移觀測站，以1號和2號觀測站為例，如圖6和圖7所示。

圖6 測點1號巷道位移量

圖7 測點2號巷道位移量

由圖6和圖7可知：由工作面前方70 m進行不間斷的表面位移監(jiān)測所得圍巖位移穩(wěn)定，超前工作面70～30 m時圍巖變形量較小，工作面超前30 m內(nèi)隨著工作面的推進，收到采動強擾動的影響圍巖位移急劇加大，其中，最后一次監(jiān)測(距工作面不足10 m)處時，1號觀測站頂?shù)装逡平繛?4 mm，兩幫移近量為59 mm，2號觀測站頂?shù)装逡平繛?3 mm，兩幫移近量為52 mm.可見受到工作面擾動后圍巖的穩(wěn)定性良好，沒有發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，現(xiàn)階段礦壓監(jiān)測表面錨注加強支護起到了預期理想效果。

4.2 頂板深部圍巖變形監(jiān)測

頂板深部位移變形監(jiān)測主要是監(jiān)測圍巖不同深部的位移。由于巷道變形，不同深度圍巖的位移變化不同，當支護體失效時，可能會發(fā)生離層的風險，而頂板深部位移監(jiān)測可有效地對離層進行預測。巷道內(nèi)每隔30 m設置一個頂板離層儀，基點設置深度為3 m和6 m，以1號、2號離層儀為例，其數(shù)據(jù)變化如圖8和圖9所示。

圖8 離層儀1號頂板離層量

圖9 離層儀2號頂板離層量

由圖8和圖9可知：由工作面前方70 m進行頂板深基點監(jiān)測所得圍巖變形不大，基本能維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，超前工作面70～30 m時圍巖變形量較小，工作面超前30 m內(nèi)隨著工作面的推進，受到采動強擾動的影響圍巖位移急劇加大。1號離層儀最大變形主要集中于0～3 m的淺部為26 mm，深部3～6 m的變形量僅為5 mm，淺部0～3 m變形量為總變形量的84%，深部3～6 m的變形量為總變形量的16%；2號離層儀最大變形主要集中于0～3 m 的淺部為24 mm，深部3～6 m的變形量僅為4 mm，淺部0～2 m變形量為總變形量的86%，深部3～6 m的變形量為總變形量的14%.可見受到工作面擾動后圍巖的穩(wěn)定性良好，沒有發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，現(xiàn)階段礦壓監(jiān)測表面錨注加強支護起到了理想預期效果。

4.3 頂板鉆孔窺視

頂板鉆孔窺視是直接觀測頂板圍巖結構的最直接有效的方法。通過頂板鉆孔窺視可以直接對頂板不同深度的巖層厚度、結構、裂隙發(fā)育程度進行觀測，通過觀測不僅可以優(yōu)化合理的錨固層位，而且可以對支護體的有效性進行驗證。選擇一處頂板完好，進行鉆孔窺視，其結果如圖10所示。

圖10 頂板鉆孔巖性窺視圖

通過圖10可以得出，頂板巖層1～2 m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，隨著深度增加，裂隙減少，巖體完整性增加，雖局部孔壁粗糙但沒有影響到圍巖完整性，巷道整理范圍內(nèi)無離層破碎區(qū)發(fā)育。巷道頂板的裂隙主要是受到巷道多次擾動后產(chǎn)生的，但是由于注漿效果對裂隙的有效填充，可以看出錨注支護起到了理想的支護效果。

5 結 語

1) 分析“三軟”煤層巷道變形機理，獲得了圍巖破壞的主要因素有巖性、埋深、地應力、地質構造、回采動壓、地下水等；劃分了煤巷變形的5個階段，即“掘進影響階段—穩(wěn)定階段-采動影響階段—再穩(wěn)定階段—二次采動影響階段”。

2) 根據(jù)煤巷變形機理，在原支護方案的基礎上提出了全長注漿錨索聯(lián)合支護技術，并劃分了3個階段，即“正常掘進期間—動壓影響期間—地質異常期間”便于對支護參數(shù)進行動態(tài)調整。

3) 通過受采動煤巷礦壓觀測獲得，采動影響穩(wěn)定后，1號觀測站煤巷頂?shù)装逡平繛?4 mm，兩幫移近量為59 mm，2號觀測站煤巷頂?shù)装逡平繛?3 mm，兩幫移近量為52 mm；通過頂板離層儀獲得，1號測點淺部圍巖變形量為26 mm，深部變形量為5 mm，2號測點淺部圍巖變形量為24 mm，深部變形量為4 mm；通過鉆孔窺視獲得，1～2 m范圍內(nèi)裂隙較發(fā)育，2 m以外圍巖較完整。