大采高小煤柱回采巷道圍巖破壞特點(diǎn)及控制技術(shù)

張佳悅

(西山煤電集團(tuán)有限公司 西銘礦，山西 太原 030053)

對(duì)于厚煤層開采工藝，我國(guó)目前采用的方法有分層、放頂煤和大采高綜采。與分層或放頂煤方法相比較，大采高綜采的優(yōu)勢(shì)有生產(chǎn)能力比較大、回采巷道布置比較簡(jiǎn)單、煤炭回采率比較高以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益比較突出等。因此，該采煤法已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外厚煤層開采的首選。

目前，雖然對(duì)大采高小煤柱回采巷道圍巖的穩(wěn)定及控制技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但不同礦井的工程地質(zhì)條件相差甚大，一些研究結(jié)論并不適合所有礦井。因此，本文對(duì)大采高小煤柱回采巷道的圍巖破壞特點(diǎn)及其控制技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 大采高小煤柱回采巷道圍巖破壞特點(diǎn)

由于與一般條件回采巷道有著很大的區(qū)別，大采高小煤柱回采巷道圍巖的塑性區(qū)、破碎區(qū)都比較大，受采動(dòng)影響時(shí)這兩個(gè)范圍將更大。總體來說，大采高小煤柱回采巷道的圍巖比較松散破碎[1]，已有研究表明，此類巷道圍巖的破壞特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面[2]：

1) 由于經(jīng)歷相鄰區(qū)段及本工作面回采等多次擾動(dòng)，巷道圍巖的變形量較大，其中頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量相比，后者顯著大于前者，所以僅采用一般U型鋼、工字鋼等剛性支護(hù)措施難以控制圍巖的變形與破壞。

2) 小煤柱回采巷道掘進(jìn)前，臨近工作面已回采結(jié)束，受上方巖層垮落影響，采空區(qū)側(cè)的巷幫變形量大于實(shí)體煤側(cè)；而在本工作面回采過程中，實(shí)體煤側(cè)的巷幫變形量大于采空區(qū)側(cè)。

3) 小煤柱回采巷道掘出后，其圍巖穩(wěn)定性主要受臨近及本工作面采動(dòng)影響，因此圍巖的變形與破壞呈現(xiàn)周期性變化。

4) 受臨近及本工作面采動(dòng)影響，礦壓顯現(xiàn)程度大而使得圍巖變得十分松散破碎，造成圍巖受力狀況復(fù)雜且不均勻，局部應(yīng)力集中程度較大，最終表現(xiàn)為圍巖承載能力差、維護(hù)困難等。

2 大采高小煤柱回采巷道錨桿支護(hù)機(jī)理分析

錨桿支護(hù)技術(shù)能夠?qū)⒕哂锌估涂辜籼匦缘臈U體和被支護(hù)圍巖錨固成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，在煤礦巷道支護(hù)等地下開挖工程中得到了廣泛應(yīng)用。目前，比較成熟的錨桿支護(hù)理論有懸吊、組合梁、壓縮拱、最大水平應(yīng)力及松動(dòng)圈支護(hù)等[3].

2.1 懸吊理論

煤礦巷道等地下工程硐室的開挖過程會(huì)使得圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，巷道頂板淺部圍巖受開挖擾動(dòng)影響最大，會(huì)因?yàn)槭ブ巫饔枚蛳伦冃芜\(yùn)動(dòng)，直至自然垮落。如果在巷道頂板淺部圍巖與深部巖層發(fā)生脫離前施加錨桿支護(hù)，錨桿桿體因具有抗拉和抗剪作用而將支護(hù)范圍內(nèi)的危險(xiǎn)塊體懸吊在穩(wěn)定的深部巖層，保持巷道頂板淺部巖層的穩(wěn)定。

懸吊理論雖然可以解釋錨桿支護(hù)對(duì)淺部巖層的懸吊作用，然而將巷道頂板的穩(wěn)定和不穩(wěn)定巖層都假設(shè)為孤立層狀結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中穩(wěn)定和不穩(wěn)定巖層之間還存在一定的相互作用力并不吻合。除此之外，懸吊理論的適用前提條件為巷道頂板上覆巖層中必須存在強(qiáng)度比較大的穩(wěn)定巖層，并且被支護(hù)淺部不穩(wěn)定巖層的厚度不得大于錨桿的桿體長(zhǎng)度。不同頂板巖性對(duì)應(yīng)錨桿需懸吊范圍圖見圖1.

圖1 不同頂板巖性對(duì)應(yīng)錨桿需懸吊范圍圖

2.2 組合梁理論

巷道開掘以后，如果頂板淺部需要支護(hù)的低強(qiáng)度巖層較厚，懸吊理論將不適用。此類條件下，錨桿對(duì)頂板淺部巖層的支護(hù)作用主要表為：1) 針對(duì)淺部不穩(wěn)定巖層容易松動(dòng)垮落的情況，錨桿通過其端頭和托盤施加的預(yù)緊力增大了支護(hù)范圍內(nèi)巖層間的摩擦系數(shù)，減弱頂板不穩(wěn)定巖層間的離層現(xiàn)象。2) 針對(duì)淺部不穩(wěn)定巖層容易滑移的情況，錨桿通過其桿體的抗剪切性能使支護(hù)范圍內(nèi)的巖層形成圖2b)所示的組合梁結(jié)構(gòu)。與未支護(hù)前圖2a)所示的頂板巖層疊合梁結(jié)構(gòu)相比，在承受相同載荷情況下，組合梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力更強(qiáng)，可以大幅度減弱變形下沉量。

圖2 未支護(hù)疊合梁與錨桿支護(hù)組合梁對(duì)比圖

頂板上方各不穩(wěn)定巖層之間的作用力在沒有運(yùn)用錨桿支護(hù)變形下沉的過程中比較小，頂板整體下沉量大致等于各個(gè)不穩(wěn)定巖層變形下沉量之和，作用于頂板疊合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為：

(1)

頂板上方巖層在運(yùn)用錨桿支護(hù)發(fā)生變形下沉?xí)r，因?yàn)槭艿藉^桿比較強(qiáng)的抗剪能力作用而形成組合梁結(jié)構(gòu)，作用于頂板組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力可以用式(2)、(3)表示：

(2)

(3)

式中：

(σmax)疊—頂板不穩(wěn)定巖層在無錨桿支護(hù)條件下的最大拉應(yīng)力,kN；

(σmax)組—頂板不穩(wěn)定巖層受錨桿支護(hù)形成組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力,kN；

Mmax—頂板所承載的最大彎矩,kN·m；

h—頂板各個(gè)巖層的厚度,m；

n—頂板巖層數(shù)目。

根據(jù)上述分析可以得出，頂板不穩(wěn)定巖層與錨桿共同形成組合梁結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力只有在無錨桿支護(hù)條件下最大拉應(yīng)力的1/n，因此頂板采用錨桿支護(hù)所形成組合梁結(jié)構(gòu)的抗彎能力比無支護(hù)時(shí)有了大幅度的提高。

2.3 壓縮拱理論

與上述兩種支護(hù)理論的應(yīng)用范圍相比，壓縮拱可以適用于各種圍巖條件。以錨桿為中心在被支護(hù)圍巖內(nèi)會(huì)形成一個(gè)形狀類似錐形的錨固帶，錐形錨固帶在間排距參數(shù)布置合理的情況下相互之間能夠疊加并形成壓縮拱結(jié)構(gòu)，見圖3.

圖3 拱形巷道頂板壓縮拱結(jié)構(gòu)示意圖

壓縮拱理論主要適用于拱形斷面巷道，運(yùn)用于矩形斷面巷道時(shí)就等同于組合梁理論。頂板采用錨桿支護(hù)時(shí)所形成壓縮拱結(jié)構(gòu)的擠壓特性比無支護(hù)時(shí)有大幅度的提高，這個(gè)壓縮拱結(jié)構(gòu)不但能夠承受荷載作用，還能更加有效地阻止深部圍巖的變形破壞。

2.4 最大水平應(yīng)力理論

當(dāng)巷道圍巖所受的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力時(shí)，決定其是否保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素是最大水平應(yīng)力。研究表明，巷道軸向與最大水平應(yīng)力方向的關(guān)系對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)為[4]：1) 巷道圍巖的變形破壞程度在巷道軸向和最大水平主應(yīng)力方向相同時(shí)最小。2) 圍巖在巷道軸向和最大水平主應(yīng)力相交成0°～90°的情況下容易破壞，并且變形破壞程度隨著該夾角的增大而呈現(xiàn)出愈加嚴(yán)重的趨勢(shì)，當(dāng)夾角為90°時(shí)變形破壞最為嚴(yán)重。

理論研究及實(shí)踐觀測(cè)均表明巷道圍巖受最大水平應(yīng)力作用時(shí)容易發(fā)生剪切變形與破壞，錨桿支護(hù)通過軸向壓縮作用和切向抗剪作用在有效阻止圍巖早期變形的同時(shí)，還能有效阻止巖層間的滑動(dòng)。巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響程度見圖4.

圖4 圍巖穩(wěn)定性的受影響程度圖

2.5 圍巖松動(dòng)圈理論

圍巖受巷道開挖擾動(dòng)作用發(fā)生一定范圍的破壞而形成松動(dòng)圈，根據(jù)實(shí)測(cè)松動(dòng)圈厚度的大小可分為小松動(dòng)圈(<400 mm)、中松動(dòng)圈(400～1 500 mm)和大松動(dòng)圈(>1 500 mm). 在頂板巖層垮落過程中支護(hù)體主要承受的載荷為已垮落巖層的碎脹力，頂板巖層垮落過程產(chǎn)生的碎脹力以及支護(hù)體承受的載荷都隨著松動(dòng)圈厚度的增大而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

不同松動(dòng)圈對(duì)應(yīng)3個(gè)層次的支護(hù)方式：1) 小松動(dòng)圈。由于巷道圍巖小松動(dòng)圈變形破壞以彈塑性形變?yōu)橹鳎藭r(shí)巷道圍巖具有比較強(qiáng)的承載能力，因此通過噴射混凝土對(duì)巷道圍巖外側(cè)進(jìn)行封閉即可達(dá)到防止表面圍巖垮落的目的。2) 中松動(dòng)圈。由于巷道圍巖中松動(dòng)圈的范圍不是特別大，因此可以根據(jù)懸吊理論將松散圍巖通過錨桿懸吊到其上方穩(wěn)定巖層之中，然后結(jié)合噴射混凝土以防止巷道表面圍巖垮落。3) 大松動(dòng)圈。錨桿支護(hù)使頂板不穩(wěn)定巖層形成抗彎及承載能力更強(qiáng)的組合梁結(jié)構(gòu)。

在25 ℃環(huán)境下進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn),由 SOC=0%時(shí)開始充電。將監(jiān)測(cè)所得到的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送到模糊控制器 1,經(jīng)一系列處理后,當(dāng)析氣電壓值小于端電壓時(shí),立即停止充電,在靜置一會(huì)后,算出極化電壓值。

3 回采巷道錨桿對(duì)圍巖作用力的分析

3.1 錨桿軸向作用力分析

沿桿體長(zhǎng)度方向，錨桿對(duì)支護(hù)范圍內(nèi)的煤巖體施加軸向作用力，主要表現(xiàn)為抗拉作用。受錨桿軸向作用力影響，圍巖內(nèi)的正應(yīng)力計(jì)算公式為：

Δσ=F/a·b

(4)

式中：

F—錨桿軸向作用力， N；

a、b—錨桿的間距、排距，m.

對(duì)式(4)進(jìn)行分析可以得出，增大圍巖所受正應(yīng)力的途徑包括增大錨桿軸向作用力和加密錨桿數(shù)量。雖然增加錨固數(shù)量會(huì)使圍巖所受的正應(yīng)力顯著增大，但不可避免地會(huì)使錨桿消耗量增加，導(dǎo)致支護(hù)成本增加和減慢巷道掘進(jìn)及支護(hù)速度。因此，在大采高小煤柱回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇高強(qiáng)度材質(zhì)錨桿并施加較高的安裝預(yù)緊扭矩不僅技術(shù)上可行，而且支護(hù)成本低、施工速度快。

3.2 錨桿橫向作用力分析

錨桿的橫向作用力是指沿其橫截面方向?qū)鷰r施加的剪切作用和通過錨固劑對(duì)黏結(jié)面上圍巖施加的法作用。

綜上所述，隨著錨桿軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的增大，錨固范圍內(nèi)裂隙等弱面的抗剪強(qiáng)度隨之增大。

4 大采高小煤柱回采巷道圍巖控制機(jī)理分析

由于大采高小煤柱回采巷道與鄰近采空區(qū)的水平距離較小，受鄰近采空區(qū)上覆巖層垮落影響，表現(xiàn)為圍巖內(nèi)部應(yīng)力集中系數(shù)大且分布不均、動(dòng)態(tài)平衡結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的力學(xué)現(xiàn)象。針對(duì)大采高小煤柱回采巷道受本工作面采動(dòng)影響礦壓顯現(xiàn)程度劇烈、圍巖變形量大且不均勻[6]的支護(hù)難題，提出的圍巖控制機(jī)理如下：

1) 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)與整體錨固。錨桿及其支護(hù)構(gòu)件通過錨固作用使被支護(hù)煤巖體形成具有一定承載結(jié)構(gòu)的錨固體，錨桿及煤巖體共同作用構(gòu)成的錨固系統(tǒng)可以改善大采高小煤柱回采巷道圍巖的受力狀況，提高錨固圍巖的力學(xué)性能及承載強(qiáng)度。

2) 回采巷道圍巖控制的關(guān)鍵。大采高工藝的回采高度較大，上覆巖層斷裂垮落并不能將鄰近工作面的采空區(qū)完全充填，因此基本頂巖層彎曲下沉產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力使小煤柱邊緣松動(dòng)變形，煤柱強(qiáng)度及承載能力降低。因此，大采高小煤柱回采巷道圍巖控制的關(guān)鍵是保持小煤柱自身的穩(wěn)定性。只有小煤柱保持穩(wěn)定才能使受本工作面回采影響時(shí)圍巖應(yīng)力分布均勻、變形量小，滿足通風(fēng)、運(yùn)輸、行人等安全要求。

3) 采用高強(qiáng)度錨桿讓壓支護(hù)措施。采用高強(qiáng)度錨桿能夠增強(qiáng)大采高小煤柱回采巷道的圍巖強(qiáng)度，降低圍巖變形量。圍巖變形過程是能量釋放的宏觀表現(xiàn)，為了釋放變形能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，還應(yīng)適應(yīng)較大的變形。高強(qiáng)度錨桿材質(zhì)的延伸率較大，不僅能施加較大的支護(hù)強(qiáng)度，還能適應(yīng)一定的圍巖變形，因此可采用高強(qiáng)度錨桿讓壓支護(hù)措施控制大采高小煤柱回采巷道圍巖變形。

4) 采用高預(yù)緊力錨桿支護(hù)提高圍巖的穩(wěn)定性。安裝錨桿時(shí)，通過施加高預(yù)緊力使被支護(hù)煤巖體處于受壓狀態(tài)而盡可能維持其完整性，減弱變形破壞導(dǎo)致的破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

5) 采用小孔徑錨索加固深部圍巖。對(duì)于大采高小煤柱回采巷道，還可以通過采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索使錨桿支護(hù)形成的錨固體與深部穩(wěn)定巖層協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)支護(hù)，防止頂板淺部的松軟巖層冒落。安裝錨索時(shí)應(yīng)保證錨索具有較大的預(yù)緊力，以保證錨桿支護(hù)形成的淺部應(yīng)力場(chǎng)與錨索加強(qiáng)支護(hù)形成的深部應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，并形成一個(gè)統(tǒng)一的預(yù)緊力承載結(jié)構(gòu)，防止錨固范圍內(nèi)巖層發(fā)生離層、變形。

6) 采用鋼帶、金屬網(wǎng)等增強(qiáng)巷道圍巖的護(hù)表能力。本工作面回采向前推進(jìn)時(shí)，巷道淺部圍巖在超前支承應(yīng)力作用下進(jìn)一步變形破碎，局部圍巖松散而使周圍的錨桿失效。因此，可采取在大采高小煤柱回采巷道表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)、錨桿托盤下安裝鋼筋梯梁或鋼帶使錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散到更大的范圍、圍巖均勻受力，從而增加阻止巷道淺部圍巖變形的能力。

7) 向煤柱內(nèi)部注漿，提高其承載能力。大量現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐得出，采取向煤柱內(nèi)注漿的措施可以充填、固結(jié)其內(nèi)部的裂隙等弱面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高煤柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，有利于巷道圍巖控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于大采高小煤柱回采巷道的圍巖強(qiáng)度低且受礦壓影響劇烈，因此應(yīng)選擇科學(xué)有效的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)來控制圍巖的變形與破壞，使巷道圍巖保持穩(wěn)定狀態(tài)以滿足回采要求。大采高小煤柱回采巷道保持圍巖安全穩(wěn)定的關(guān)鍵是通過錨桿支護(hù)及采取相應(yīng)的技術(shù)措施提高幫部煤巖體的承載能力，形成穩(wěn)定的支撐點(diǎn)承受上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉過程中施加的載荷。