回采巷道變形破壞機(jī)理分析及支護(hù)技術(shù)探討

喬康康，王光烈，段洋洋

（潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦，山西 長治 046000）

1 工作面概況

常村煤礦11221 綜采工作面位于該礦11 采區(qū)東翼，工作面東至11 采區(qū)軌道、皮帶、回風(fēng)上山，西為未開拓區(qū)域，南為11201 準(zhǔn)備工作面，北為未采區(qū)域。工作面標(biāo)高-100～-166 m，地面標(biāo)高+539.7～+575.9 m，工作面主采3#煤層，煤層厚度5.2～6.9 m，平均5.3 m，煤層傾角為5°～18°，平均12°。工作面煤層老頂為中粒砂巖，巖性較硬，直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性較軟，強(qiáng)度較低，直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，巖性較軟，老底為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，具體情況見表1。

2 原巷道支護(hù)形式及圍巖變形破壞特征分析

2.1 11221工作面進(jìn)風(fēng)順槽原巷道支護(hù)形式

11221 進(jìn)風(fēng)順槽原巷道設(shè)計為矩形斷面，巷道凈寬4 200 mm，凈高3 000 mm，凈斷面12.6 m2；采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，頂部及巷道兩幫采用規(guī)格為Ф18 mm×2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm。巷道頂部采用Ф17.8 mm×6 200 mm鋼絞線錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，錨索間排距1 600 mm×800 mm。

表1 11221 工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2.2 巷道圍巖變形破壞特征

11221 工作面進(jìn)風(fēng)順槽采用原錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式后，在工作面回采期間，受地質(zhì)條件及工作面采動影響，巷道圍巖出現(xiàn)了較大破壞變形，具有特征如下：

（1）巷道頂板局部破碎嚴(yán)重、下沉明顯。通過現(xiàn)場觀測，11221 工作面進(jìn)風(fēng)順槽在工作面回采期間，巷道頂板出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，下沉量平均在800～1 000 mm，局部頂板破碎較為嚴(yán)重，出現(xiàn)網(wǎng)兜或漏頂現(xiàn)象。

（2）巷道兩幫外鼓嚴(yán)重、移近量較大。通過測量發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫出現(xiàn)明顯鼓幫，局部煤體片幫較為嚴(yán)重現(xiàn)象，巷道幫部移近量最大達(dá)到1 500 mm，平均在1 000 mm左右，并且巷道兩幫移近變形量大小不一致，出現(xiàn)明顯的變形不對稱性。

（3）巷道底板鼓起，底鼓量大。通過現(xiàn)場觀察，11221 工作面進(jìn)風(fēng)巷70%的巷道底板出現(xiàn)明顯底鼓現(xiàn)象，并且大部分地段底鼓較為嚴(yán)重。

另外，巷道內(nèi)有部分錨桿、錨索出現(xiàn)斷裂、托盤脫落、鋼筋網(wǎng)破裂，錨桿（索）出現(xiàn)支護(hù)失效現(xiàn)象，整個巷道斷面收縮量達(dá)到35%以上，給工作面安全生產(chǎn)帶來較大安全隱患。

3 巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

1)結(jié)構(gòu)特征引起的圍巖流體變形影響。11221工作面進(jìn)風(fēng)順槽巷道頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)中均含有泥巖結(jié)構(gòu)成分，且煤體普氏硬度系數(shù)為f=0.5，巖體普氏硬度系數(shù)為f=2～3，煤巖體整體強(qiáng)度低，自承載能力比較差。同時，因工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，且埋藏深度比較深，達(dá)到600 m以上，巷道圍巖應(yīng)力大。綜上分析得出，11221 進(jìn)風(fēng)順槽巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)特征為節(jié)理發(fā)育、易膨脹變形，屬于軟巖結(jié)構(gòu)。該圍巖結(jié)構(gòu)特征在受工作面采動影響情況下極易發(fā)生流體變形，是導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大范圍破壞變形的重要影響因素［1-2］。

2)煤巖層傾角較大，存在受力變形不對稱現(xiàn)象。11221 工作面進(jìn)風(fēng)順槽煤層傾角在5°～18°，平均15°，由于煤巖層呈傾斜產(chǎn)狀布置，且傾角較大，導(dǎo)致巷道圍巖受力出現(xiàn)明顯的不對稱性。在巷道開掘后，巖體變形、應(yīng)力分布特征也表現(xiàn)為不對稱性。巷道頂部左側(cè)和底板右側(cè)及巖體傾斜方向呈現(xiàn)銳角，巖體在側(cè)向方向上受到的約束較大，在垂直和水平方向受到的應(yīng)力作用下，產(chǎn)生的變形量較小。而在巷道的頂部右側(cè)和底板左側(cè)巖層傾斜方向表現(xiàn)出鈍角，巖體在側(cè)向方向上受到的約束較小，在垂直和水平方向的應(yīng)力作用下，易產(chǎn)生剪切破壞變形［3-4］。

3)巷道原采用的錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)方式整體剛性較高、讓壓能力差、柔性低，在易發(fā)生破壞變形的巷道中支護(hù)效果差。在巷道原支護(hù)形式下，由于受到剪切應(yīng)力的作用，巷道頂部右側(cè)肩窩及左側(cè)幫角處巷道圍巖易發(fā)生塑性變形，錨桿、錨索容易出現(xiàn)被拉斷現(xiàn)象，在巷道局部區(qū)域產(chǎn)生松動破壞。巷道在工作面回采過程中受到采動應(yīng)力、擠壓應(yīng)力等作用下，其破壞變形的區(qū)域范圍會逐漸增大，進(jìn)而造成整個巷道的變形失穩(wěn)，從而導(dǎo)致巷道頂板下沉量、底板鼓起量及幫部位移量明顯增大［4］。

4 巷道返修支護(hù)方案設(shè)計

4.1 恒阻讓壓支護(hù)機(jī)理

巖層特性較軟的巷道在高應(yīng)力作用情況下，容易造成大范圍區(qū)域的塑性變形，在該變形條件作用下，圍巖會給巷道支護(hù)體系造成兩種力學(xué)反應(yīng)。一是巷道圍巖應(yīng)力中包含的剪應(yīng)力和切應(yīng)力減小，圍巖應(yīng)力對巷道支護(hù)體系的應(yīng)力載荷出現(xiàn)減小。二是圍巖應(yīng)力集中區(qū)域會逐步向深部區(qū)域移動，在深部區(qū)域，圍巖應(yīng)力仍舊處于空間應(yīng)力狀態(tài)，其主要表現(xiàn)為極限承壓能力高，應(yīng)力集中造成的破壞小。所以，在設(shè)計巷道支護(hù)方案時要將深部圍巖的特性充分考慮進(jìn)去。

在巷道采用恒阻讓壓耦合支護(hù)方式時，局部巷道會出現(xiàn)較大區(qū)域圍巖變形破壞，利用恒阻錨桿將巷道圍巖在高應(yīng)力變形破壞積聚的能量進(jìn)行釋放。在局部巷道圍巖經(jīng)過多次應(yīng)力分布調(diào)整和能量的變形釋放，支護(hù)體系形成的支護(hù)阻力和巷道圍巖變形產(chǎn)生的壓力達(dá)到平衡，從而使巷道內(nèi)的支護(hù)體與巷道圍巖形成共同承載壓力載荷的狀態(tài)。

與此同時，對巷道頂板圍巖進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，強(qiáng)度較軟的煤巖層頂板節(jié)理發(fā)育，在巷道開掘后，頂板圍巖變形明顯。下部頂板巖層在受到上部巖層的擠壓作用下，容易造成巖層間的離層和塑性變形，導(dǎo)致發(fā)生頂板冒落，對頂板巖層整體穩(wěn)定性造成較大影響。因此，在對巷道返修進(jìn)行支護(hù)時，要強(qiáng)化頂板巖層的支護(hù)管理。

在深度應(yīng)力影響條件下，巷道幫部的煤巖體會受到工作面的采動應(yīng)力和巷道圍巖應(yīng)力等應(yīng)力場的相互疊加作用，所以，巷道幫部煤巖體的變形破壞對巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)影響最大。因此，在巷道返修進(jìn)行支護(hù)設(shè)計時，要結(jié)合巷道幫部實際支護(hù)情況，讓巷道兩幫預(yù)留一定的變形余地，能給巷道圍巖內(nèi)部積聚的高應(yīng)力能量留存釋放空間，減小巷道圍巖應(yīng)力變形破壞，在進(jìn)行巷道支護(hù)時能有效降低難度，提高了巷道支護(hù)效果。

4.2 巷道返修支護(hù)設(shè)計

根據(jù)11221 進(jìn)風(fēng)順槽巷道圍巖變形破壞特征，在對11221 進(jìn)風(fēng)順槽巷道返修支護(hù)設(shè)計中，采用“錨索+ 恒阻大變形錨桿+ 鋼帶梁+ 底部注漿錨管”的方案。巷道返修作業(yè)時先對巷道表層進(jìn)行薄噴，然后再進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)，采取該種方案擴(kuò)修后巷道頂?shù)装寮皫筒孔冃蔚玫接行Э刂?。巷道返修支護(hù)具體參數(shù)見圖1。

圖1 巷道返修支護(hù)設(shè)計

4.3 實施效果分析

在11221 進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)行返修后，采用“十字交叉”法對巷道圍巖變形情況進(jìn)行了觀測。通過對觀測數(shù)據(jù)的采集整理分析，得到圖2 中的曲線。由圖2中變化曲線可知，采用上述支護(hù)方案對巷道進(jìn)行擴(kuò)修支護(hù)后，巷道頂板下沉量為110 mm，底臌量280 mm，巷道兩幫變形量為200 mm；與返修前相比，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟棵黠@減小，且變形量大小在設(shè)計允許范圍內(nèi)，達(dá)到了返修支護(hù)的要求。

圖2 返修后巷道圍巖變形曲線

4 結(jié)語

1）通過對巷道圍巖變形破壞特征及破壞機(jī)理分析可知，煤巖層傾角較大的軟巖巷道，存在受力變形不對稱現(xiàn)象，巷道圍巖容易出現(xiàn)剪切破壞，同時在工作面采動影響下，極易出現(xiàn)流體變形，采用剛性高、讓壓能力差、柔性低的錨網(wǎng)索支護(hù)時，支護(hù)效果較差。

2）采用恒阻讓壓耦合支護(hù)方式對軟巖易變形巷道進(jìn)行支護(hù)時，能給巷道圍巖內(nèi)部積聚的高應(yīng)力能量留存釋放空間，減小巷道圍巖應(yīng)力變形破壞，在進(jìn)行巷道支護(hù)時能有效降低難度，提高了巷道支護(hù)效果。

3）常村煤礦11221 工作面進(jìn)風(fēng)順槽返修時采用恒阻讓壓耦合支護(hù)設(shè)計方案進(jìn)行施工，對軟巖巷道圍巖變形進(jìn)行了有效控制，現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，巷道圍巖變形量明顯降低，支護(hù)效果達(dá)到了設(shè)計要求。