王坡礦軟巖巷道定量讓壓支護穩定性控制技術

吉少卿

(山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021)

由于我國煤層開采深度的不斷增加和開采條件的日益復雜，開采過程中遇到很多軟巖巷道，軟巖巷道強度低、結構破碎，傳統支護方法難以控制，如何解決軟巖巷道圍巖變形是目前急需解決的問題。目前，國內外學者對軟巖巷道破壞機理及治理措施展開相關研究：西原[1]提出了巖石變形與時間關系的彈性—黏塑性模型，研究了巖石蠕變變形與時間有關的巖石形態，并建立了力學本構模型，稱為西原蠕變模型；王志儉等[2]對泥巖進行三軸蠕變實驗，提出了相應的流變模型，獲得了泥巖蠕變的強度指標；韓立軍等[3]對砂巖進行單軸蠕變實驗，建立了砂巖的非線性黏彈塑性蠕變模型；在軟巖巷道治理方面，目前支護技術包括錨噴支護、錨注支護、棚式支護等[4]. 其中，棚式支護已經廣泛應用于采礦工程、建筑工程等諸多領域，具有強度高、整體穩定性好的特點。本文主要針對王坡礦3210工作面軟巖巷道的具體情況，提出讓壓支護技術，并對支護方案的具體參數進行了分析研究，以保證巷道圍巖的穩定性。

1 工程概況

王坡礦3210工作面，主采3#煤層，位于二疊系下統山西組下部，平均埋藏深度500～600 m，煤層均厚為5.76 m，煤層傾角為2°～10°. 工作面運輸巷斷面形狀為矩形，凈寬為5.0 m，凈高3.4 m，巷道的長度約為2 278 m. 3#煤層偽頂為碳質泥巖，約0.1 m；直接頂多為泥巖，均厚2.0 m；基本頂為砂巖，均厚9 m；底板為粉砂質泥巖，均厚8.5 m，具體煤層頂底板巖層情況見表1.

表1 頂底板巖層性質表

王坡礦3210工作面運輸巷圍巖裂隙較發育，局部圍巖極其松軟破碎，又由于煤層上方直接頂為泥巖，極易風化，故巷道在原本設計掘進的矩形斷面時，頂板巖體易垮落，矩形斷面成形不好，基于巷道圍巖支護自穩的平衡拱理論，在后期掘進過程中調整巷道斷面形狀為拱形。拱形斷面的參數為長5 000 mm×高4 300 mm，巷道采用錨網索支護，錨桿采用d20 mm×3 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索采用d18.9 mm×8 000 mm的鋼絞線，間排距為1 400 mm×1 400 mm，具體巷道支護參數見圖1. 根據巷道變形破壞特征的現場調研發現，巷道在現有錨網索支護方式下，支護效果差，鎖具處錨索易斷裂，且支護系統缺乏讓壓性，巷道圍巖變形嚴重，急需進一步采取有效的補強支護措施保證巷道圍巖的穩定性。

圖1 運輸巷道原支護示意圖

2 軟巖巷道定量讓壓支護參數確定

2.1 定量讓壓支護機理

軟巖巷道具有強度較低、結構破碎等特點，現有的支護理論不能很好地控制圍巖的穩定性。因此，提出了軟巖巷道定量讓壓支護技術，合理的讓壓空間可以讓軟弱圍巖中儲蓄的能量得到有效地釋放[5]. 定量讓壓支護原理：一次支護使圍巖具有柔性抗壓強度，二次支護預留讓壓空間，實現定量高強抗壓，抵抗圍巖變形。

讓壓支護原理具有多級性，具體的支護方法有：1) 一次支護。巷道開挖在進行錨桿支護后，再用短錨索對淺部圍巖進行錨固，長錨索對深部圍巖進行錨固實現多級有強讓壓，讓壓空間充填可以防止應力集中損壞支架，使鋼支架更有效地發揮抗壓效果，實現一次支護與支架相耦合，提高圍巖支護能力[6]. 2) 二次支護。利用高強支架提高圍巖表面抗壓能力，有效控制巷道圍巖的變形，保證巷道安全。

2.2 支護時機與讓壓空間大小的確定

軟巖的蠕變性是軟巖的重要力學特性之一，為了分析軟巖巷道圍巖損傷變形機理，選擇具有彈性、松弛、蠕變特征的西原蠕變模型。西原蠕變模型由黏彈體、黏塑性體、虎克體原件串聯組成，具體模型見圖2.

圖2 西原蠕變模型圖

對平面應變問題，當σ0<σs時，引入損傷變量ωp的西原模型可建立蠕變方程：

(1)

式中：

E1、E2—彈性常數；

η—黏滯系數；

ε—西原模型總應變；

ωp—為損傷變量；

σ0—應力。

對式(1)進行拉普拉斯變換，然后求導，可得圍巖蠕變的變形速率為：

(2)

損傷變量ωp表示巖石破壞程度，當ωp=0時，巖石完好無損；當ωp=1時，巖石已經完全破壞，對于軟巖主要受時間影響，因此蠕變模型中王坡礦的長期損傷變量為：

(3)

3210工作面埋深約550 m，垂直應力σ0=16.53 MPa，通過三軸壓力機測得軟巖彈性模量E1=1.23 GPa，E2=2.14 GPa，黏滯參數η=210 GPa·h.

由式(2)得到圍巖蠕變速率ur(t)=0.158 mm/d=0.006 mm/h. 3210工作面運輸巷斷面形狀為矩形，凈寬5.0 m，凈高3.4 m，將實驗測得E1、E2帶入式(3)，得到長期損傷變量ω∞=0.64. 再把ω∞帶入式(2)，得到t=472.5，約為20 d，即二次支護最佳時間為一次支護后20 d. 在第一次支護強度為0.4 MPa時，再將ω∞帶入式(1)，得到20 d后圍巖變形量ε=300 mm，即讓壓空間為300 mm.

3 巷道圍巖控制技術及效果

3.1 支護方案設計

巷道原先采用錨網索支護，支護效果不理想。在確定了巷道定量讓壓支護參數的基礎上，并結合現場實際情況對支護方案及參數進行改進：首先對錨桿錨索參數進行調整，形成“錨桿+長短錨索”的支護方式，實現多級有強讓壓支護；然后預留合理讓壓空間，選用高強支架進行二次讓壓支護，形成“讓壓層+U 型鋼支架”的支護結構。其具體支護參數如下：

1) 一次支護。

3210工作面運輸巷基本支護參數：采用d20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿，每排18根，錨桿排間距700 mm×700 mm，并加設長度為2 200 mm的d16 mm的鋼筋托梁，其中頂錨桿安裝時與頂板成90°夾角，底錨桿安裝與水平方向成15°夾角。根據3210工作面頂板的巖層特征，為進一步有效控制直接頂巖層的穩定，故短錨索采用d20 mm×5 300 mm的預應力錨索，為控制基本頂中厚度約1.2 m軟弱夾層的穩定，故選用長錨索，采用d20 mm×8 300 mm的預應力錨索，選用300 mm×300 mm×16 mm的錨索托盤，并鋪設金屬網片。

2) 二次讓壓支護。

3210工作面運輸巷道拱形斷面的參數為長5 000 mm×高4 300 mm，選用U型鋼架進行二次支護。由U形鋼架特性可知，U形鋼架截面越大，相應的抗壓強度系數也就越高。根據3210工作面運輸巷的具體地質情況，確定選用U36型鋼架，棚架間距離為700 mm，鋼棚采用撐桿連接，并在底板處設置底梁，將底梁與U36型鋼架連接整體結構，另外理論分析可知，巷道在基本支護后20 d進行二次讓壓支護，預留讓壓空間300 mm時對巷道圍巖的控制性效果較好，具體巷道支護斷面圖見圖3.

圖3 支護斷面圖

3.2 工業性效果分析

為了檢驗巷道優化后的支護效果，沿3210運輸順槽巷道軸向20 m、70 m、120 m處安裝3個監測站，對3210工作面運輸順槽表面位移量進行持續監測直至數據基本穩定，得出3210工作面運輸順槽50 d的礦壓監測結果，頂底板移近量、兩幫移近量曲線圖見圖4.

圖4 圍巖表面位移量曲線圖

由圖4可以看出，頂底板移近量和兩幫移近量變化趨勢相近，在20 d內移近量速度較快，在20～30 d移近量雖然有所增加，但是變化速度明顯降低，在30 d后移近量基本達到穩定，不再變化，頂底板最大移近量135.8 mm，兩幫最大移近量105.6 mm. 顯然，U 型鋼支架沒有發生破壞，說明采用“讓壓層+U 型鋼支架”的支護方案能夠有效地控制圍巖變形。

4 結 論

針對2310工作面運輸順槽軟巖巷道局部圍巖松軟破碎的情況，調整斷面形狀為拱形，提出了定量讓壓支護技術，通過理論分析確定了二次讓壓最佳支護時間為基本支護后20 d，讓壓支護空間為300 mm，并對2310工作面順槽“讓壓層+U型鋼支架”的支護參數進行具體設計。根據礦壓結果可知，巷道采用“讓壓層+U型鋼支架”的支護方案后，頂底板的最大移近量為135.8 mm，兩幫的最大移近量為105.6 mm，保證了巷道圍巖的長期穩定。