吳少康 ，張俊文 ，徐佑林 ，宋治祥 ，張 楊 ，范文兵 ，董續(xù)凱 ，張際濤 ，陳志松

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083；2.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550003；3.貴州黔誠(chéng)力錦科技有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081；4.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201；5.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引 言

隨著煤炭開(kāi)采向深部轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的淺部礦井支護(hù)技術(shù)已無(wú)法解決高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制難題[1-2]。常見(jiàn)的支護(hù)形式如錨索破壞、U 型鋼扭曲及斷裂等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。即使經(jīng)過(guò)反復(fù)維修加固，巷道變形仍然嚴(yán)重。根本無(wú)法從本質(zhì)上徹底解決巷道變形破壞問(wèn)題[3-5]。導(dǎo)致在巷修時(shí)浪費(fèi)大量人力物力，且生產(chǎn)成本不斷增加[6-7]。因此，對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究十分必要[8-11]。

現(xiàn)階段，針對(duì)高應(yīng)力軟巖巷道難題主要采取主動(dòng)支護(hù)及卸壓等手段進(jìn)行圍巖控制。康紅普[12]提出了錨注-噴漿協(xié)同控制技術(shù)，成功解決了千米深井松軟煤幫大變形問(wèn)題。徐佑林等[13]根據(jù)巷道破壞特征，通過(guò)理論計(jì)算精確得出巷道破壞的具體位置，提出了相應(yīng)的錨注加固支護(hù)技術(shù)，有效控制了高應(yīng)力軟巖巷道的變形。閆小衛(wèi)[14]針對(duì)軟巖巷道持續(xù)變形問(wèn)題，提出了“注漿+預(yù)應(yīng)力錨桿+錨索+表層噴漿”技術(shù)，使頂?shù)装寮皟蓭偷囊平繙p少了81.83%及61.45%。楊仁樹(shù)等[15]提出了“強(qiáng)力錨桿+高預(yù)應(yīng)力錨索+槽鋼梁式桁架錨索+噴射混凝土層+架設(shè)U型鋼”技術(shù)控制深部高應(yīng)力軟巖巷道。王羽揚(yáng)等[16]設(shè)計(jì)出“錨桿錨索+灌漿+鋼管混凝土支架”的復(fù)合支護(hù)方案,通過(guò)建立模型計(jì)算出支護(hù)方案的極限承載能力，并在現(xiàn)場(chǎng)取得了顯著效果。陳寶寶等[17]通過(guò)對(duì)路邊應(yīng)力分區(qū)、數(shù)值模擬優(yōu)化爆破參數(shù)，采用卸壓方式對(duì)深部巷道進(jìn)行支護(hù)，取得了很好的效果。謝生榮[18]等通過(guò)分析圍巖變形原因，采用外錨-內(nèi)卸協(xié)同控制技術(shù)解決了大斷面煤巷持續(xù)大變形問(wèn)題。以上研究成果解決了高應(yīng)力軟巖巷道遭遇的眾多工程問(wèn)題，但由于成本及復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)圍巖控制問(wèn)題的約束，高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)體系仍需進(jìn)一步完善[19-21]。

貴州土城礦21 采區(qū)212 回風(fēng)石門(mén)采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)形式仍無(wú)法避免巷道持續(xù)大變形。受采動(dòng)高應(yīng)力影響，造成每年巷修2～3 次，僅維修費(fèi)用就在幾百萬(wàn)左右。嚴(yán)重制約礦井的安全高效生產(chǎn)。鑒于此，筆者提出“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)制約軟巖巷道大變形，為完善高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)提供一定的理論依據(jù)。

1 工程背景

土城礦位于貴州省盤(pán)縣，礦井工程地質(zhì)條件較好，構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面掘進(jìn)范圍無(wú)采空區(qū)。現(xiàn)采煤層為212 回風(fēng)石門(mén)左側(cè)12 號(hào)煤層，依次開(kāi)采13-2、15、17 號(hào)煤層，屬于穿煤層巷道。圖1 為212 回風(fēng)石門(mén)及周邊煤層的剖面圖。為明確巷道變形特征，取212 回風(fēng)石門(mén)穿過(guò)13-2 及15 號(hào)煤層區(qū)域作為試驗(yàn)地點(diǎn)，地質(zhì)柱狀如圖2 所示。

圖1 212 回風(fēng)石門(mén)與煤層位置剖面圖Fig.1 Section of 212 main return-air cross-cut and coal seam

圖2 回風(fēng)石門(mén)與煤層位置剖面圖及變形情況Fig.2 Profile and deformation of return air stone gate and coal seam

2 巷道圍巖變形破壞特征分析

2.1 巷道支護(hù)現(xiàn)狀

巷道埋深約為580 m，斷面形狀為三心拱巷道（寬5.066 m×高3.2 m）。采用“錨桿+鋼筋網(wǎng)+U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)形式。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，巷道先后出現(xiàn)底鼓（最高達(dá)1 000 mm）、兩幫及頂?shù)装迨諗浚ň^(guò)1 000 mm），甚至底板出現(xiàn)開(kāi)裂，嚴(yán)重危及礦工安全?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍照片如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)變形破壞Fig.3 Site deformation and damage

2.2 巷道變形破壞原因分析

通過(guò)對(duì)回風(fēng)石門(mén)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，歸納出變形原因有以下幾點(diǎn)：

1）高應(yīng)力區(qū)域：212 回風(fēng)石門(mén)埋深約580 m，圍巖以細(xì)砂巖及粉砂巖為主，中間夾數(shù)層泥巖，巖性較為松軟破碎，屬于典型的高應(yīng)力軟巖巷道。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，212 回風(fēng)石門(mén)最大應(yīng)力為37 MPa(取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段與未試驗(yàn)段之間多處測(cè)量，見(jiàn)下文)，如圖4 所示。石門(mén)處于高應(yīng)力區(qū)，具有流變效應(yīng)?，F(xiàn)有支護(hù)形式滿(mǎn)足不了支護(hù)需求，必須經(jīng)常返修才能勉強(qiáng)維護(hù)巷道的正常使用。

圖4 212 回風(fēng)石門(mén)圍巖應(yīng)力Fig.4 212 surrounding rock stress of main return-air cross-cut

2）采動(dòng)應(yīng)力影響：212 回風(fēng)石門(mén)在采動(dòng)應(yīng)力的作用下，由于地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題導(dǎo)致了圍巖失穩(wěn)。巷道底板及兩幫在采動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了不同程度的拉伸破壞，頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力得到釋放并向兩幫轉(zhuǎn)移。這種應(yīng)力卸載和轉(zhuǎn)移過(guò)程導(dǎo)致底角及肩角水平位移增大，兩幫圍巖承受較大荷載。當(dāng)遭受垂直應(yīng)力擠壓時(shí)，巷道底部承受的擠壓力較大，而頂部圍巖承受的拉伸力較大，由于力學(xué)不平衡導(dǎo)致圍巖的破壞。

3）巷道大斷面影響：212 回風(fēng)石門(mén)為大斷面三心拱巷道（寬5.066 m×高3.2 m）。已有研究表明[22-23]：巷道斷面增大時(shí)，圍巖受力范圍也相應(yīng)增大，而巷道變形所需要的抗彎剛度和抗剪強(qiáng)度也隨之增大。此外，巷道斷面增加還會(huì)導(dǎo)致淺部錨桿錨索錨固力得不到保證。主要是由于較大的巷道斷面，錨桿錨索通常需要較長(zhǎng)的錨固長(zhǎng)度才能保證足夠的錨固力。然而淺層的圍巖通常沒(méi)有足夠的承載能力來(lái)提供必要的支撐。因此，在大斷面巷道中進(jìn)行圍巖控制變得更加困難，巷道變形破壞加劇。

3 巷道破壞機(jī)理研究

3.1 建立數(shù)值模型

為更好理解現(xiàn)場(chǎng)變形難題的根本原因，考察可能的實(shí)際影響因素。通過(guò)對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況及各因素影響，建立了相應(yīng)的數(shù)值模擬和物理模型進(jìn)行研究，詳細(xì)地探究問(wèn)題的本質(zhì)。建立的3DEC離散元數(shù)值模型如圖5 所示。在212 回風(fēng)兩側(cè)主要開(kāi)采煤層各留寬30 m 保護(hù)煤柱，分析各主要影響煤層工作面開(kāi)采完成后，采動(dòng)應(yīng)力對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)巷道的影響，煤層開(kāi)采順序?yàn)?2 號(hào)→13-2 號(hào)→15 號(hào)→17 號(hào)。

圖5 數(shù)值模型建立Fig.5 Establishment of numerical model

數(shù)值模擬中，巷道兩側(cè)邊界（Y方向邊界）、巷道底部邊界（Z方向邊界）及巷道長(zhǎng)度方向邊界（X方向邊界）都是以固定位移方式進(jìn)行邊界條件約束，以此來(lái)模擬無(wú)限巖體對(duì)巷道圍巖的作用，由于巷道埋深較大，模型如要建立至地表，尺寸會(huì)過(guò)大，因而將上覆巖層的自重應(yīng)力以等效應(yīng)力的方式施加于模型上部邊界（Z方向邊界）。建立模型尺寸為500 m×100 m×100 m，共劃分網(wǎng)格約120 萬(wàn)個(gè)，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，巷道尺寸（寬×高）為5 m×3 m。表1 為物理力學(xué)參數(shù)表。模型邊界條件為：上表面施加12.5 MPa 的垂直載荷，其他界面均為固定邊界。當(dāng)模型初始平衡后，煤層位置初始垂直應(yīng)力約為15 MPa，水平應(yīng)力約為20 MPa，方向與巖層走向垂直。巷道開(kāi)挖后，為更直觀顯現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律，巷道不施加任何支護(hù)。

表1 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)Table 1 Numerical simulation mechanical parameters

3.2 監(jiān)測(cè)方案

為分析煤層開(kāi)采對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)巷道圍巖影響。分別對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)的軸向和徑向方向作剖面，軸向剖面為沿212 回風(fēng)石門(mén)中線(xiàn)作剖面，沿煤層走向方向。徑向剖面為在13-2 煤與212 回風(fēng)石門(mén)的交叉點(diǎn)處（x=242），沿煤層傾向方向。徑向剖面與煤柱平行，軸向剖面與煤柱垂直相切，如圖6 所示。

3.3 徑向垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力演化規(guī)律

如圖7 為巷道徑向方向水平應(yīng)力演化規(guī)律。由圖7 可知，煤柱中間的徑向水平應(yīng)力集中是由于煤層開(kāi)采引起。具體的水平應(yīng)力集中位置主要受到地質(zhì)條件、巖層性質(zhì)以及礦井開(kāi)采方式等因素的影響，而與工作面和巷道的相對(duì)位置并無(wú)直接關(guān)系。因此，在模擬研究中未進(jìn)行工作面與巷道相對(duì)位置的研究。隨著煤層的不斷開(kāi)挖，靠近212 回風(fēng)石門(mén)段采空區(qū)不斷增加。巷道周?chē){(lán)色區(qū)域（徑向水平應(yīng)力集中現(xiàn)象）越發(fā)明顯，且顏色逐漸加深。與此同時(shí)，圖7模擬的效果僅為石門(mén)徑向剖面的一部分（根據(jù)工作面位置選擇剖面位置，觀察和分析采動(dòng)影響。通過(guò)對(duì)該剖面位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在采動(dòng)過(guò)程中，巖層受采動(dòng)應(yīng)力影響。通過(guò)在巖層中布設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力持續(xù)變化，可以揭示采動(dòng)影響的分段特征。且剖面位置具有空間連續(xù)性，相鄰的剖面位置之間具有相對(duì)連續(xù)性，相對(duì)于單一點(diǎn)的觀測(cè)，多個(gè)剖面位置可以提供更大范圍的信息。通過(guò)對(duì)多個(gè)剖面位置的觀測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以綜合判斷采動(dòng)影響的分段現(xiàn)象，揭示不同區(qū)域之間的異同），而212 回風(fēng)石門(mén)是由無(wú)數(shù)個(gè)徑向剖面組成。因此，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，不同分段的回風(fēng)石門(mén)會(huì)受到不同的徑向水平應(yīng)力影響。隨著開(kāi)采煤層的增多，212 回風(fēng)石門(mén)的應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生顯著變化。原本穩(wěn)定的巷道圍巖會(huì)受到新開(kāi)采煤層的挖空導(dǎo)致應(yīng)力重新分布的影響。這種重新分布的應(yīng)力使巷道圍巖受到不同程度的壓力和變形，從而引起圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象。此外，不同煤層的物理性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。不同層位的煤層在礦井開(kāi)采過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出不同的抗壓能力和變形特性，導(dǎo)致回風(fēng)石門(mén)在不同分段受到不同的徑向水平應(yīng)力影響。綜上所述，隨著煤層的開(kāi)采，回風(fēng)石門(mén)在不同分段會(huì)受到不同的徑向水平應(yīng)力的影響，而這種差異會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，并且隨著開(kāi)采的進(jìn)行會(huì)變得更加明顯。

圖7 212 回風(fēng)石門(mén)徑向水平應(yīng)力演化規(guī)律Fig.7 Evolution law of horizontal stress in radial direction of 212 main return-air cross-cut

圖8 為212 回風(fēng)石門(mén)徑向方向垂直應(yīng)力演化規(guī)律。由圖8 可知，當(dāng)12 號(hào)煤層開(kāi)采完成后，212回風(fēng)石門(mén)處藍(lán)色區(qū)域逐漸加深，尤其是兩幫區(qū)域。表明該過(guò)程后，垂直應(yīng)力逐漸集中，范圍逐漸擴(kuò)大，且緩慢形成“翅膀張開(kāi)”狀。最后致使集中區(qū)域與該煤層終采線(xiàn)貫通。對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。圖8a顯示了隨著12 號(hào)煤兩側(cè)的不斷開(kāi)挖，212 回風(fēng)石門(mén)垂直應(yīng)力不斷增大，集中區(qū)域范圍也不斷擴(kuò)大。由圖8b、8c、8d 中可以明顯看出，隨著采空區(qū)的逐步加大，212 回風(fēng)石門(mén)兩幫區(qū)域藍(lán)色加深及范圍（應(yīng)力集中現(xiàn)象及集中范圍）更加明顯。具體表現(xiàn)出：最大應(yīng)力集中系數(shù)不小于1.6，其中以截取面積為初始表面積（圖8 中17 號(hào)煤開(kāi)采完成后回風(fēng)石門(mén)周?chē){(lán)深色面積占比），最大應(yīng)力集中區(qū)域面積由初始表面積的1/28 擴(kuò)展至初始表面積的1/6，說(shuō)明在煤層開(kāi)采過(guò)程中，巷道兩側(cè)的深部圍巖承受著由煤柱和煤層終采線(xiàn)傳遞過(guò)來(lái)的垂直載荷。這些載荷會(huì)使巷道深部圍巖發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在徑向方向上形成應(yīng)力集中帶。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)煤層開(kāi)采的過(guò)程中，煤柱和煤層終采線(xiàn)的負(fù)荷傳遞到巷道周?chē)纳畈繃鷰r時(shí)，由于深部圍巖的抗壓能力有限，垂直應(yīng)力會(huì)以巷道的肩角和底角為線(xiàn)向兩側(cè)擴(kuò)散。同時(shí)，在巷道兩側(cè)保護(hù)煤柱至煤層終采線(xiàn)范圍內(nèi)，煤柱和煤層終采線(xiàn)的支撐作用相對(duì)較強(qiáng)，可以有效分擔(dān)垂直應(yīng)力。而在這個(gè)范圍之外，巷道周?chē)膰鷰r則承受著更大的垂直應(yīng)力。（在巷道無(wú)支護(hù)狀態(tài)下，煤層開(kāi)采后，巷道圍巖會(huì)發(fā)生塑性變形，并向巷道內(nèi)側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要是由于煤層開(kāi)采致使煤柱收縮及巖層失穩(wěn)，使巷道兩側(cè)圍巖產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致峰值應(yīng)力達(dá)到圍巖峰值抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生破壞。而巷道兩側(cè)保留的煤柱在煤層停采后，承受著來(lái)自?xún)蓚?cè)圍巖的較大應(yīng)力，且無(wú)支護(hù)措施分散應(yīng)力，煤柱所處區(qū)域應(yīng)力較高，存在較大應(yīng)力集中效應(yīng)）。

圖8 212 回風(fēng)石門(mén)徑向垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.8 Evolution law of vertical stress in radial direction of 212 main return-air cross-cut

3.4 巷道軸向方向采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律

圖9 為212 回風(fēng)石門(mén)軸向方向水平應(yīng)力演化規(guī)律。

圖9 212 回風(fēng)石門(mén)軸向水平應(yīng)力演化規(guī)律Fig.9 Evolution law of horizontal stress in the axial direction of 212 main return-air cross-cut

由圖9 可知，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)展，原本位于煤層內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致周?chē)锏朗艿礁嗟乃綉?yīng)力影響。同時(shí)，采空區(qū)中的高應(yīng)力區(qū)域通過(guò)應(yīng)力傳遞作用，影響到周?chē)锏?。特別是煤柱和采空區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域，應(yīng)力集中更為明顯。除此之外，由于采空區(qū)的存在，巷道圍巖在軸向方向上受到煤柱和采空區(qū)的擠壓作用。這種擠壓會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形和應(yīng)力集中，尤其是位于巷道圍巖頂、底板區(qū)域。由于受到限制而承受更大的水平應(yīng)力，最終導(dǎo)致巷道圍巖的變形和失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖10 為212 回風(fēng)石門(mén)軸向方向上垂直應(yīng)力演化規(guī)律。由圖10 可知。巷道軸向距離受采動(dòng)影響逐漸增加。分析原因可知：該區(qū)域主要與煤層開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力分布的變化有關(guān)。在煤層開(kāi)采初期，采空區(qū)周?chē)膰鷰r處于較為緊密的狀態(tài)，受到的應(yīng)力主要是軸向應(yīng)力，與采空區(qū)的大小相當(dāng)。隨著采空區(qū)的擴(kuò)大，巷道周?chē)膰鷰r開(kāi)始發(fā)生塑性變形，垂直應(yīng)力逐漸增加，軸向應(yīng)力減小，導(dǎo)致巷道軸向距離受采動(dòng)影響逐漸增加。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力多集中在采空區(qū)頂板上方。主要原因是由于采空區(qū)下方的圍巖會(huì)受到采空區(qū)上方煤柱的擠壓，產(chǎn)生向上的反作用力，導(dǎo)致垂直應(yīng)力在采空區(qū)頂板上方集中。當(dāng)17 號(hào)開(kāi)采完成后，212 回風(fēng)石門(mén)兩幫處的垂直應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，主要是由于采空區(qū)的擴(kuò)張導(dǎo)致圍巖受到更大的垂直應(yīng)力影響。因此，在采煤過(guò)程中，需要加強(qiáng)幫部的支護(hù)和監(jiān)測(cè)，及時(shí)進(jìn)行加固措施，以保證工作面的安全穩(wěn)定。

圖10 212 回風(fēng)石門(mén)軸向垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.10 Evolution law of vertical stress in the axial direction of 212 main return-air cross-cut

4 相似模擬試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證數(shù)值模擬對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)圍巖破壞分析的準(zhǔn)確性，建立相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)值分析的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充。通過(guò)不同剖面（水平）建立了相似材料物理模擬模型。煤巖層力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樽灾鞔罱?。?guī)格為：1.3 m×0.15 m×1.3 m（長(zhǎng)×寬×高）。試驗(yàn)運(yùn)用相似理論三定律對(duì)模型的相似系數(shù)進(jìn)行確定，主要如下：幾何比α1=100；容重比α=1.67；時(shí)間比αt=10；材料強(qiáng)度相似比為αR=α×α1。兩端留設(shè)10 cm 邊界煤柱，煤層開(kāi)采依次為12 號(hào)→13-2 號(hào)→15 號(hào)。每次開(kāi)挖長(zhǎng)度5 cm，即工作面推進(jìn)距離5 m。

表2 煤巖層覆巖力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical property parameters of coal overburden

4.1 相似材料配比確定

試驗(yàn)以水泥、CaCO3、河沙、石灰及石膏作為原料。強(qiáng)度相似為αR=167。方案見(jiàn)表3。

表3 物理模擬配比Table 3 Physical simulation ratio

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

在模型內(nèi)，共設(shè)計(jì)布置6 個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（212 回風(fēng)石門(mén)四周）。另外布置12 條位移監(jiān)測(cè)線(xiàn)。模型中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、位移監(jiān)測(cè)線(xiàn)及具體布置方位如圖11 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析設(shè)備主要由數(shù)碼相機(jī)、壓力盒、高速靜態(tài)應(yīng)變儀等組成。模型內(nèi)敷設(shè)壓力盒，利用高速靜態(tài)應(yīng)變儀間接測(cè)量壓力盒壓力變化數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)采集設(shè)備及布置如圖12 所示。

圖11 試驗(yàn)應(yīng)力及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.11 Test stress and displacement monitoring point layout

圖12 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)Fig.12 Strain data acquisition and analysis system

4.3 巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

圖13 為工作面依次推進(jìn)后(12 號(hào)煤→13-2 號(hào)煤→15 號(hào)煤)，212 回風(fēng)石門(mén)巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖13 工作面推進(jìn)對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)影響Fig.13 Influence of working face advance on 212 main return-air cross-cut

隨著煤層的依次開(kāi)挖，212 回風(fēng)石門(mén)依次出現(xiàn)以下特征。直接頂垮落→上覆巖層大面積垮塌→基本頂懸露面積逐漸擴(kuò)大→基本頂垮落→工作面初次來(lái)壓→開(kāi)切眼側(cè)裂隙基本不再發(fā)育→工作面方向覆巖裂隙隨工作面推進(jìn)不斷增大→覆巖裂隙向覆巖垮落角方向?qū)⒉煽諈^(qū)上方巖層切割成“上窄下寬”的梯形。如圖13 局部放大所示?；卷敵醮纹茢鄷r(shí)，AB 和CD 兩個(gè)巖塊出現(xiàn)一定形變。CD 巖塊向下沿著拱形路徑發(fā)生下沉和收縮，而AB 巖塊則向上升起。這種形變使得AB 和CD 兩個(gè)巖塊在頂部形成了一個(gè)三角形的拱狀結(jié)構(gòu)。拱狀結(jié)構(gòu)形成后，在CD 巖塊的上表面，會(huì)有向下的垂直壓應(yīng)力，而AB 巖塊的下表面，會(huì)有向上的垂直拉應(yīng)力。這種應(yīng)力分布可以支撐AB 和CD 巖塊，形成了三角拱式鉸接穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。造成212 回風(fēng)石門(mén)依次出現(xiàn)上述特征的原因主要有以下3 個(gè)方面：①巷道中存在高地應(yīng)力區(qū)：212 回風(fēng)石門(mén)地應(yīng)力較大，導(dǎo)致巖層受到更大的壓力。當(dāng)開(kāi)挖距離達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，巖層無(wú)法承受來(lái)自采空區(qū)和兩幫的壓力，從而發(fā)生直接頂垮落。②覆巖層裂隙發(fā)育：在開(kāi)挖過(guò)程中，由于地應(yīng)力的重新分布，覆巖層中的裂隙逐漸發(fā)育，增加了巖層的不穩(wěn)定性。隨著工作面的推進(jìn)，覆巖裂隙向垮落角方向發(fā)展，逐漸切割采空區(qū)上方巖層，形成“上窄下寬”的梯形結(jié)構(gòu)。③巖層力學(xué)性質(zhì)差異：煤層和覆巖層的力學(xué)性質(zhì)存在差異，如巖石的強(qiáng)度、延展性等。當(dāng)開(kāi)挖煤層時(shí)，由于煤層的力學(xué)性質(zhì)較差，容易發(fā)生垮塌和斷裂。同時(shí)，覆巖層的強(qiáng)度相對(duì)較高，隨著煤層采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，覆巖層無(wú)法有效支撐，導(dǎo)致覆巖層的垮塌。綜上所述，212 回風(fēng)石門(mén)主要由于高地應(yīng)力區(qū)、裂隙發(fā)育及巖層力學(xué)性質(zhì)差異等多種因素共同作用的結(jié)果。與上述數(shù)值模擬階段分析的破壞原因具有一定的共性。在實(shí)際工程中，應(yīng)進(jìn)行合理的支護(hù)設(shè)計(jì)和措施，以確保工作面的安全穩(wěn)定推進(jìn)。

圖14a～14f 為各煤層依次開(kāi)采后回風(fēng)石門(mén)頂?shù)装寮皟蓭蛻?yīng)力演化規(guī)律。

圖14 212 回風(fēng)石門(mén)受煤層開(kāi)采后應(yīng)力演化規(guī)律Fig.14 Stress evolution law of 212 main return-air cross-cut after coal seam mining

由圖可知，隨著煤層的不斷開(kāi)采（0～20 m 范圍內(nèi)），212 回風(fēng)石門(mén)頂?shù)装寮皟蓭偷膽?yīng)力（垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力）幾乎無(wú)變化，呈穩(wěn)定趨勢(shì)。表明在該范圍內(nèi)工作面推進(jìn)對(duì)巷道幾乎無(wú)影響；隨著推進(jìn)范圍的增加（20～30 m）。工作面上覆巖層發(fā)生來(lái)壓，頂?shù)装搴蛢蓭退綉?yīng)力及垂直應(yīng)力穩(wěn)定上升。關(guān)鍵層開(kāi)始斷裂。上覆巖層壓力逐漸傳遞至212 回風(fēng)石門(mén)，對(duì)巷道破壞逐漸起增加作用；工作面推進(jìn)至30～40 m 范圍時(shí)，即逐漸貼近212 回風(fēng)石門(mén)，頂?shù)装寮皟蓭痛怪睉?yīng)力與水平應(yīng)力上升趨勢(shì)更加明顯。該階段內(nèi)造成應(yīng)力急劇上升的主要原因是由于工作面距212 回風(fēng)石門(mén)越來(lái)越小造成。對(duì)于整個(gè)階段，隨著各煤層按原定順序的開(kāi)挖，212 回風(fēng)石門(mén)圍巖應(yīng)力均逐漸增加，且越靠近其增加幅度越大。這一規(guī)律與上文中數(shù)值模擬中應(yīng)力不斷增加造成212 回風(fēng)石門(mén)破壞相符合。

5 “卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)

由上文數(shù)值模擬及相似模擬分析得出。212 回風(fēng)石門(mén)由于煤層群采動(dòng)過(guò)程中存在的地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題導(dǎo)致了圍巖失穩(wěn)。巷道底板及兩幫在采動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)遭受垂直應(yīng)力擠壓時(shí)，巷道底部承受的擠壓力較大，而頂部圍巖承受的拉伸力較大，由于力學(xué)不平衡導(dǎo)致圍巖的破壞。如何有效對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)兩幫及底角處形成的集中應(yīng)力卸壓是現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)維護(hù)成本高、修復(fù)困難等特點(diǎn)，采用提出的“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)對(duì)該目標(biāo)巷道進(jìn)行治理。

5.1 “卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)原理

“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)主要原理是通過(guò)深孔爆破將巷道兩幫形成的的集中應(yīng)力充分釋放，形成一定的卸壓區(qū)范圍，使應(yīng)力重新分布并向深部轉(zhuǎn)移。與此同時(shí)，在實(shí)施爆破卸壓措施前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集水泥、黃砂等材料對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔加固。通過(guò)爆破卸壓的方式，利用爆破產(chǎn)生的沖擊波引起圍巖的震動(dòng)和應(yīng)力波動(dòng)，使表層圍巖中原本集中的應(yīng)力分散到更深的圍巖區(qū)域，從而降低表層圍巖的應(yīng)力集中程度。同時(shí)，利用爆轟和封孔工藝進(jìn)一步加固卸壓孔周?chē)膰鷰r，形成兩個(gè)承載結(jié)構(gòu)—內(nèi)承載體和深部圍巖形成的外承載體。圖15 為“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)原理圖。

圖15 “卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)原理Fig.15 Schematic of “unloading-rotating-fixing”collaborative control technology

5.2 巷道圍巖支護(hù)技術(shù)工藝

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查以及結(jié)合212 回風(fēng)石門(mén)現(xiàn)場(chǎng)變形情況，提出應(yīng)用“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)對(duì)目標(biāo)巷道治理，圖16 為巷道鉆孔布置三視圖。

圖16 鉆孔布置三視圖Fig.16 Three views of drilling layout

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前，設(shè)計(jì)的技術(shù)方案為：通過(guò)U型鋼拱型支架提供強(qiáng)大的支撐力，有效地分散和承載采動(dòng)應(yīng)力造成的荷載作用，保持巷道的穩(wěn)定。其次在巷道基腳通過(guò)“鉆孔+爆破”進(jìn)行卸壓。最后通過(guò)添加錨索以及混凝土對(duì)巷幫進(jìn)行加固。其具體工藝為：打鉆→PVC 管下放→下放錨索→裝藥→裝料（水泥、黃砂等材料）→氣壓封孔→連線(xiàn)使用雷管爆破。

6 應(yīng)用效果分析

6.1 監(jiān)測(cè)方案

取212 回風(fēng)石門(mén)30 m 巷道對(duì)提出的方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。將采用“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)段命名為采取該技術(shù)區(qū)域。在未實(shí)施“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)命名為未采取該技術(shù)區(qū)域。具體現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖17 所示。

圖17 現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)Fig.17 Field parameters design

6.2 礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)的應(yīng)用效果，對(duì)采取該技術(shù)區(qū)域與未采取該技術(shù)區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析：

1) 圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)。通過(guò)在石門(mén)處進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。其中，4、5、6 號(hào)孔為未采取該技術(shù)區(qū)域，1、2、3 號(hào)為采取該技術(shù)區(qū)域。圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖18 所示：對(duì)采取該技術(shù)區(qū)域與未采取該技術(shù)區(qū)域的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知。1 號(hào)孔深9 m，自安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)開(kāi)始對(duì)其初始應(yīng)力值監(jiān)測(cè)，初始值為4.71 MPa。57 d 后，對(duì)鉆孔應(yīng)力計(jì)讀取數(shù)值。此時(shí)圍巖應(yīng)為5.71 MPa，增長(zhǎng)幅度為17.51%，應(yīng)力增長(zhǎng)速率約為0.02 MPa/d，幾乎呈穩(wěn)定趨勢(shì)；2號(hào)孔深7 m，在57 d 后，由初始應(yīng)力4.12 MPa 增長(zhǎng)到4.74 MPa，增長(zhǎng)幅度為13.08%，應(yīng)力增長(zhǎng)速率約為0.01 MPa/d，相對(duì)于1 號(hào)增幅更小，圍巖更加穩(wěn)定。主要是由于2 號(hào)鉆孔相對(duì)較淺，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力較??；3 號(hào) 孔 深5 m。57 d 后 圍 巖 應(yīng) 力 初 始 應(yīng) 力 值 由3.1 MPa 下降到2.77 MPa，下降幅度為10.65%，應(yīng)力下降速率約為0.01 MPa/d。此時(shí)圍巖不僅趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定性更佳；4 號(hào)孔深7 m。在57 d 后，由初始應(yīng)力4.01 MPa 增長(zhǎng)到5.22 MPa，增長(zhǎng)幅度為23.18%，應(yīng)力增長(zhǎng)速率約為0.02 MPa/d。該范圍內(nèi)應(yīng)力數(shù)值基本趨于水平，主要是由于鉆孔位置最靠近采取該技術(shù)區(qū)域；5 號(hào)孔深9 m。在57 d 后，由初始應(yīng)力值4.72 MPa 增長(zhǎng)到18.6 MPa，增長(zhǎng)幅度為69.25%，應(yīng)力增長(zhǎng)速率約為0.23 MPa/d。由于逐漸遠(yuǎn)離采取該技術(shù)區(qū)域，圍巖應(yīng)力顯著增大；6 號(hào)孔深為9.5 m。在57 d 后，由初始應(yīng)力值4.83 MPa 增長(zhǎng)到30.1 MPa，增長(zhǎng)幅度為83.95%，應(yīng)力增長(zhǎng)速率約為0.44 MPa/d。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析根據(jù)，采用該技術(shù)區(qū)域可顯著降低巷道兩幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中程度，并將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，進(jìn)而有效控制圍巖的變形。

圖18 212 回風(fēng)石門(mén)圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.18 Stress monitoring curve of surrounding rock of 212 main return-air cross-cut

2)表面位移及底鼓量。取212 回風(fēng)石門(mén)試驗(yàn)巷道段2 號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)處作為第1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在未采取該技術(shù)區(qū)域取5 號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)處觀測(cè)站布置第2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在還未實(shí)施“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)前，對(duì)巷道兩幫及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行觀測(cè)并分析，目前階段觀測(cè)到第60 天。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段與未試驗(yàn)段的表面位移及底鼓量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖19 所示。

圖19 巷道圍巖變化規(guī)律Fig.19 Deformation law of surrounding rock of roadway

由圖19 可知：在45 d 后，212 回風(fēng)石門(mén)兩幫及頂板均趨于平衡，但兩者變形速率不盡相同。在采取該技術(shù)區(qū)域一側(cè)，兩幫收斂及頂板下沉速率明顯降低。而未采取該技術(shù)區(qū)域在50 d 左右兩幫收斂及頂板下沉均在300 mm 左右，移近速率均在6 mm/d；采取該技術(shù)區(qū)域在50 d 左右兩幫收斂接近150 mm，頂?shù)装逑鲁两?6 mm。收斂率及移近率分別為3.14、1.52 mm/d。且在50 d 后，兩幫收斂及頂板下沉趨于平衡。巷道底板垂直位移在采取該技術(shù)區(qū)域底鼓量下降明顯，底鼓量在38 d 時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，由最高1 000 mm 左右降低到228 mm 左右，最大垂直位移降低了77.2%，效果顯著。

通過(guò)在土城礦212 回風(fēng)石門(mén)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，效果顯著。將此套技術(shù)推廣到盤(pán)州仲恒煤礦、晴隆糯東煤礦、水城支都煤礦及盤(pán)縣中紙廠(chǎng)等煤礦，均取得了明顯效果。部分煤礦采用“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)治理前后巷道變形如圖20 所示。

圖20 巷道圍巖變化規(guī)律Fig.20 Deformation law of surrounding rock of roadway

7 結(jié) 論

1）212 回風(fēng)石門(mén)屬于典型的高應(yīng)力軟巖巷道，通過(guò)數(shù)值模擬及相似模擬試驗(yàn)分析了212 回風(fēng)石門(mén)受煤層群采動(dòng)影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析了回風(fēng)石門(mén)變形破壞原因：在采動(dòng)過(guò)程中，巷道頂?shù)装灏l(fā)生應(yīng)力集中。當(dāng)遭受垂直應(yīng)力擠壓時(shí)，巷道底部承受的擠壓力較大，而頂部圍巖承受的拉伸力較大，由于力學(xué)不平衡導(dǎo)致圍巖的破壞。

2）通過(guò)對(duì)212 回風(fēng)石門(mén)變形破壞特征，提出了

“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)理念。該技術(shù)主要通過(guò)爆破卸壓的方式，將爆破釋放的巨大能量瞬間產(chǎn)生高壓區(qū)域，引起周?chē)鷩鷰r的破碎和位移。致使原本集中在表層的應(yīng)力得到釋放，且向深部轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。通過(guò)這種方式，巷道底板及巷幫的應(yīng)力集中程度降低，使整個(gè)圍巖體系的應(yīng)力分布更均勻。同時(shí)，在爆炸后，外層圍巖受到較大的應(yīng)力作用，形成了一個(gè)外承載體。深層圍巖通常未發(fā)生明顯破碎及開(kāi)裂，仍然保持相對(duì)完整的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，巷道內(nèi)外形成2 個(gè)完整的自承載體，使圍巖巷道處于雙重保障。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示。試驗(yàn)區(qū)應(yīng)力趨于穩(wěn)定階段甚至在緩慢降低，巷道圍巖頂板下沉速率降低了74.49%,兩幫移近速率下降了47.67%, 底鼓量減小了77.2%。并且將技術(shù)成功推廣到貴州其他不同地質(zhì)環(huán)境的煤礦，均取得了顯著效果。表明采用“卸-轉(zhuǎn)-固”協(xié)同控制技術(shù)可以有效控制高應(yīng)力軟巖巷道的變形。