深部沿空巷道恒阻大變形耦合控制技術研究

王九紅 祖賀軍 高 蕾 夏 興

(1.兗州煤業股份有限公司，山東省濟寧市，273500； 2. 兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東省濟寧市，273500； 3. 中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083)

1 引言

深部巖體往往賦存于復雜的工程地質環境，加之受到采掘活動的影響，使得工程巖體的穩定性難于控制，特別是沿空巷道圍巖的穩定性控制，一直以來是采礦工程中的熱點問題。由于沿空巷道圍巖需承受多次采動應力及應力疊加的影響，巷道圍巖常呈現出大變形、難支護的特征，多次返修后仍然無法保證穩定性。為此，國內外學者為此做了大量研究，取得了重要研究成果，提出了錨網噴支護、錨網索聯合支護、注漿加固及U型棚支護等支護技術及相應的控制對策，現場應用效果良好。但由于深部工程地質條件的復雜性和支護材料的局限性，巷道圍巖穩定性控制難題一直存在。為此，何滿潮院士及其研究團隊為解決圍巖大變形控制的難題，研制出一種具有高預應力、高恒阻、大變形的NPR錨桿/索，實現了圍巖在高預應力加固圍巖的狀態下，通過圍巖自身和材料的大變形恒阻釋能，進而保證巷道的穩定性。

本文以南屯煤礦93下06工作面沿空巷道為工程背景，巷道圍巖掘進期間已經產生了嚴重的幫縮、頂沉及底鼓，多次返修后效果不佳。針對這一問題，本文在對圍巖變形破壞產生原因及變形機理的深入研究基礎上，提出了以NPR錨桿/索為核心的恒阻大變形耦合控制技術，對保障巷道圍巖穩定和礦井安全生產具重要意義，對于類似條件下沿空巷道圍巖的控制具一定參考價值。

2 工程地質條件分析

2.1 采掘布置

南屯煤礦位于山東省濟寧市，核定生產能力150萬t/a，南屯井田位于兗州煤田向斜南翼，總體呈單斜構造，井田構造復雜程度屬于中等類型。隨著淺部資源不斷的減少，南屯煤礦已經進入深部開采階段。93下06工作面位于九采一分區北部，上方為93上08及93上06工作面采空區，南東側為93下04工作面采空區，工作面埋深約750 m，所采煤層為3下煤，3上煤已回采結束，3下煤與3上煤夾矸厚度為2～6 m，屬于近距離煤層；93下06軌道平巷與93下04采空區之間留設4 m煤柱，采掘布置剖面如圖1所示。

2.2 頂底板巖性

93下06軌道平巷頂板為兩層煤之間的夾矸，厚度約為2～6 m，巖性主要為粉砂巖，底板以中粒砂巖、細粒砂巖或二者互層為主，厚度約10 m。通過現場原位取樣及室內圍巖力學參數實驗，測得圍巖物理力學參數見表1。

圖1 93下06工作面煤柱及采空區位置示意圖

層位巖石名稱彈性模量/GPa泊松比單向抗壓強度/MPa內摩擦角/(°)頂板粉砂巖81.10.1581.121.1底板中粒砂巖44.80.1844.819.3

2.3 原支護設計及存在問題

93下06工作面沿空平巷采用錨網+錨桿鋼筋梯+錨索的支護形式，其中，頂部錨桿采用?22 mm×2200 mm左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，間排距780 mm×900 mm，幫部采用?20 mm×2500 mm等強全螺紋金屬錨桿，間排距900 mm×900 mm；頂部選用?22 mm×5500 mm錨索，間排距1700 mm×1800 mm，每排布置兩根錨索，平行布置，沿空幫部采用?22 mm×4000 mm高強度低松弛預應力錨索，間排距1700 mm×1800 mm“三花”布置，巷道支護斷面如圖2所示。

圖2 沿空巷道原支護設計斷面示意圖

巷道原支護下圍巖變形破壞情況如圖3所示。結合現場調研結果可知，圍巖變形破壞突出變現為大變形的特征，其中頂底板移近量最大為623 mm，兩幫收縮量最大為783 mm，且頂板網兜現場嚴重，兩幫變形量大，常出現錨桿拉破壞的現象。圍巖變形破壞集中在巷道圍巖的肩窩和底角處，尤其是沿空幫部的肩窩和底角。

圖3 原支護圍巖變形破壞情況

3 沿空巷道圍巖變形破壞機制

3.1 圍巖變形破壞數值分析

根據南屯煤礦93下06軌道平巷現場工程實際地質條件，建立巷道工程地質力學模型如圖4所示。建立FLAC3D數值計算模型，計算范圍為150 m×210 m×80 m(長×寬×高)。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，施加的荷載為18.75 MPa，模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則，模擬中采用的物理力學參數見表2。

采用cable單元模擬錨桿和錨索。錨桿(索)按原始支護設計方案布置，錨桿(索)分五段，第一段模擬托盤，第二段、第三段為自由段，第四段、第五段模擬錨固段。

圖4 工程地質模型

表2 巖石物理力學參數取值表

3.1.1 掘進前應力分布狀態

根據現場實際采掘布置，首先開挖3上煤層，待模型運行至平衡后，進行93下04工作面的開挖，采用分段開挖的模式，每次開挖10 m并運行至平衡，模擬結果如圖5所示。

由圖5可知，在相繼開挖完3上煤層和93下04工作面后，沿空平巷圍巖頂底板正處于圍巖應力集中區，應力集中系數為2，且圍巖剪切應力集中去預留煤柱外側與頂底板夾角處。由此可知，受多次采動影響的沿空平巷在開掘前，圍巖已經遭受破壞，圍巖產生塑性變形，這使得巷道將在塑性區內掘巷，支護難度進一步加大。

3.1.2 回采期間圍巖應力分布

采用上述模型模擬開采方案，在停采線處設置監測斷面圍巖應力分布情況，監測結果如圖6所示。

由圖6可知，工作面回采期間，水平應力在底板與肩窩、底角處集中，從而造成了能量的大量積累，得不到有效的釋放，使得巷道穩定性受到威脅；同時回采引起的側向應力與掘進時的側向應力疊加，使得巷道兩幫圍巖中的垂直應力逐漸加大，頂底板中的壓應力轉化為拉應力，且逐漸加大，使得巷道頂底板發生明顯的變形，且在兩幫圍巖中垂直應力急劇，兩幫變形劇烈；巷道實體煤側肩窩和沿空側底角處圍巖中產生明顯的剪應力集中，而實體煤側底角和沿空側肩窩處圍巖中剪應力較小。

3.2 深部采空區下沿空巷道破壞機制分析

通過上述對深部采空區下沿空巷道破壞特征和圍巖應力場分布的分析，結合現場調研、室內測試結果，南屯煤礦93下06工作面軌道平巷圍巖變形破壞機制如下：

(1)巷道埋深大(最深可達750 m)，自重應力水平達到18.75 MPa，使圍巖長期處于高地應力環境中。該區整體為南高北低的單斜構造，斷層較發育，構造應力較大。同時巷道為近距離煤層下組煤的沿空巷道，經受上覆93上06工作面、側向93下04工作面和巷道掘進及本工作面回采的多次強烈采動壓力及其應力疊加，使得巷道圍巖中應力不斷積聚，導致巷道產生了大變形，特別是沿空幫部的頂底角肩窩處圍巖變形嚴重。

圖6 回采期間巷道圍巖應力場

(2)傳統支護材料為小變形材料，無法實現支護材料間、支護材料與圍巖間的耦合作用，且現有支護體系僅僅是簡單、被動的累加，支護強度雖然高，但是由于支護系統內部及與圍巖變形不協調，無法協同作用，這就造成支護系統的局部過載、大變形，進而導致支護系統個別位置被破壞，最終導致整個支護系統的失效。

綜上所述，針對南屯煤礦93下06工作面軌道平巷的復雜變形機制，需采用具有大變形力學特性的支護材料及支護系統即恒阻大變形錨桿(索)耦合支護控制對策。首先通過恒阻大變形錨桿支護，通過施加高預應力保證圍巖整體性，同時當圍巖收到應力場影響時，恒阻大變形錨桿可在保持恒定阻力的同時釋放部分變形能，又可限制圍巖中有害裂隙的發展；然后通過恒阻大變形錨桿/索的三維優化技術轉化構造應力和斷層的影響，并利用錨網索耦合支護技術使圍巖達到變形和應力均勻化。

4 巷道穩定性控制對策

4.1 NPR錨桿/索控制機理

由上述分析可知，南屯煤礦采空區下沿空平巷在未開掘前就已經處于應力集中區，并在此區域內集聚大量的能量。隨著巷道斷面的打開，圍巖中集聚的能量將向臨空面釋放，此時，巷道圍巖會產生大變形甚至破壞。采用NPR錨桿/索支護該類型巷道時，首先通過高預應力對已經處于塑性的圍巖

進行加固，進而限制圍巖的有害變形，但隨著圍巖中集聚的能量不斷釋放，當作用于巷道圍巖的應力值達到NPR錨桿/索的工作阻力時，此時錨桿索將通過自身結構的變形來吸收圍巖中未釋放的能量，同時由于NPR錨桿索的高恒阻力，保證了圍巖在釋放能量的同時，始終處于一種相對穩定狀態，待能量釋放至臨界值，巷道圍巖將處于一種相對平衡狀態，圍巖的變形將會被限制，進而實現了圍巖的穩定性控制，消除了冒頂、塌方等安全隱患。NPR錨桿/索支護原理如圖7所示。

圖7 NPR錨桿/索支護機理

4.2 設計參數

以上述分析為基礎，結合現場實際工況，對南屯煤礦深部93下06工作面沿空平巷采用NPR錨桿/索耦合補強支護方式，如圖8所示。

圖8 恒阻大變形支護設計

具體設計參數如下：

(1)頂板支護：采用HMG-300-2.2型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑22 mm，錨桿長度2200 mm，間排距780 mm×900 mm，在靠近巷道沿空側每排3根傳統錨桿之間布置2根NPR錨桿，每根NPR錨桿布置于兩根傳統錨桿中間，平行布置；采用HMS35-300-5.0型NPR錨索，恒阻值35 t，直徑22 mm，錨索長度5000 mm，每排布置1根NPR錨索，垂直頂板布置于兩排4根傳統錨索中間，排距1800 mm。NPR錨索預緊力要求不小于25 t。

(2)幫部支護：沿空幫部采用HMG-300-2.5型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑22 mm，錨桿長度2500 mm，排距900 mm，每排布置1根NPR錨桿，布置于中部兩排4根傳統錨桿中間，平行布置；實體煤幫支護采用HMG-300-2.5型NPR錨桿，恒阻值18 t，直徑20 mm，錨桿長度2500 mm，布置于巷道上部相鄰兩排6根傳統錨桿中間，排距為900 mm，呈“五花”型布置于實體煤幫。

5 工程應用

5.1 監測布置

根據深部采空區下沿空工作面實際工況，選擇軌道平巷受工作面聯絡巷影響區域及普通錨網索支護向架棚支護過渡區域作為試驗段，試驗段施工長度90 m，在普通錨網索支護段布置2個測站(1#和5#)，恒阻大變形支護段布置3個測站(2#、3#和4#)，具體測站布置如圖9所示。

圖9 測站布置

5.2 應用效果分析

5.2.1 圍巖變形量分析

由于巷道已經開掘成型，故主要對工作面回采期間圍巖變形量進行監測，其中普通錨網索支護段1#和NPR支護段4#測站的變形曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著工作面的不斷回采，圍巖變形將經歷3個階段，即緩慢變形階段、顯著變形階段和變形穩定階段；圍巖變形主要集中在幫部，其中沿空幫部變形量最大；與普通支護相比，采用NPR支護的圍巖變形得到了有效控制，沿空幫部變形量平均減少50.6%，頂板下沉量平均減少46.8%，實體煤幫變形量平均減少43.1%，底板變形量平均減少約41.3%。

圖10 巷道表面位移變化曲線

5.2.2 錨桿/索受力分析

對錨桿索受力進行監測，其變化曲線如圖11所示。由圖11可知，錨桿/索受力的變化將經歷3個階段，且與圍巖變形的3個階段基本一致；靠近采空區側錨桿/索受力明顯大于實體煤幫錨桿/索；NPR錨桿/索均達到設計恒阻，受力趨于穩定，但普通錨桿索受力增加趨勢變緩，但是仍在增加。

5.2.3 NPR錨桿/索內縮量監測分析

采用游標卡尺對4#測站的NPR錨桿/索的內縮量進行監測，監測結果如圖12所示。由圖12可知，測站距工作面距離大于100 m時，錨桿(索)伸縮量變化不明顯，處于緩變形階段，待工作面推進至距測站100～40 m時，錨桿(索)伸縮量變化速度加快，待推進至距測站20 m左右時基本可達最大值；NPR錨桿索的最大內縮量分別為37.4 mm和72.5 mm，且出現在巷道沿空側頂板和沿空幫；同一斷面內，巷道頂板和沿空幫肩窩處恒阻錨桿伸縮量較大；NPR錨桿/索的內縮保證了圍巖中能量的控制性釋放，實現了對巷道圍巖的穩定性控制。

圖11 錨桿/索受力變化曲線

圖12 NPR錨桿內縮量變化曲線

5.3 現場應用效果

將NPR耦合支護控制應用于該巷道后，圍巖變形量大幅度減小，支護系統充分發揮了恒阻支護的效果，且支護系統內部無錨桿/索斷裂現象，圍巖穩定性控制效果突出，現場情況如圖13所示。

圖13 現場應用效果

6 結論

(1)總結了深部采空區下沿空巷道圍巖變形破壞特征，即巷道圍巖變形量大，巷道兩肩窩和兩底角處亦破壞，沿空側巷道頂板和幫部變形嚴重，且在該部位亦出現錨桿、索斷裂的現象。

(2)采用數值模擬方法再現了圍巖變形破壞過程，揭示了圍巖變形破壞機理，即受多次采動影響下，預掘巷道圍巖處于采動應力集中及集中應力疊加區域，使得巷道圍巖中能量不斷積聚，進而導致巷道產生了劇烈變形。

(3)提出了以NPR錨桿/索為核心的恒阻大變形耦合控制技術，形成圍巖穩定性控制對策，并進行現場應用。應用結果顯示，NPR支護下圍巖變形量得到有效控制，穩定性顯著提高。