深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞常見問題及控制措施探析

（西山煤電股份有限公司西曲礦 山西 030200）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，巷道圍巖出現(xiàn)的大變形破壞問題更加突出，已經(jīng)成為制約煤礦深部開采的重要因素，不僅支護(hù)成本增加明顯，同時(shí)支護(hù)效果也相對(duì)不佳，制約了煤炭行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展質(zhì)效。因此，對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞常見問題及控制措施進(jìn)行分析有著較為重要的意義。

1.深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞常見問題

從深部巷道支護(hù)實(shí)踐來看，圍巖變形破壞較難控制的問題非常突出，主要表現(xiàn)為，巷道圍巖變形表現(xiàn)出較強(qiáng)的蠕變性，很多巷道圍巖在支護(hù)之后，整體處于長(zhǎng)時(shí)間的變形狀態(tài)，增加了巷道支護(hù)難度。同時(shí)，巷道圍巖變形破壞的范圍相對(duì)較大，很多巷道圍巖出現(xiàn)了交叉層狀破壞的問題，增加了巷道圍巖穩(wěn)定性控制難度。此外，從設(shè)計(jì)的深部巷道支護(hù)方案來看，過多強(qiáng)調(diào)剛性支護(hù)的問題突出，不僅增加了巷道支護(hù)成本，取得的支護(hù)效果也相對(duì)不佳。在支護(hù)施工中，也存在并沒有嚴(yán)格按照支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工的問題，影響到支護(hù)效果。

2.深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制

(1)高應(yīng)力大變形破壞

從深部巷道支護(hù)實(shí)踐來看，在深部巷道支護(hù)中，巷道圍巖面臨的應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)于淺部巷道更為復(fù)雜，橫向應(yīng)力已經(jīng)成為最大主應(yīng)力，圍巖內(nèi)部通常情況下均積攢有較大彈性能量，在巷道開挖后，原巖應(yīng)力狀態(tài)被打破，巖石內(nèi)部積攢的能量被瞬間釋放，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)了明顯的沖擊大變形、流變大變形，對(duì)巷道正常使用帶來較大負(fù)面影響。大量實(shí)踐表明，在深部高應(yīng)力條件下，開挖支護(hù)14d內(nèi)，巷道斷面變形量超過了500mm，底鼓量更大，部分可達(dá)到1m以上，這些均與高應(yīng)力條件有著直接的關(guān)系。

(2)結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)變形機(jī)制

由于在深部開采中，各種類型地質(zhì)因素更為復(fù)雜，巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育相對(duì)較多，特別是很多巖層之間存在明顯的層理不整合問題，再加上地下水影響，很多結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)了嚴(yán)重弱化，在巖層之間形成了軟弱夾層，在水平應(yīng)力作用下，這類軟弱夾層非常容易出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)變形，再加上巖層內(nèi)部存在的擠應(yīng)力，巖層出現(xiàn)撓曲離層變形概率較大，很多巷道也因此出現(xiàn)了大面積底鼓、兩幫明顯收斂、頂板嚴(yán)重下沉等問題，表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱變形、差異性變形。見圖1所示。

圖1 巷道圍巖出現(xiàn)的錯(cuò)動(dòng)變形

(3)巷道受采動(dòng)影響出現(xiàn)大變形破壞

從深部巷道支護(hù)實(shí)踐來看，巷道受到多次開采擾動(dòng)后，對(duì)巷道所處位置的原始應(yīng)力場(chǎng)影響明顯，在擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響下，不論是開掘大巷還是開采巷道均容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，特別是在支護(hù)較為薄弱的位置，將會(huì)出現(xiàn)明顯的變形破壞，在開采擾動(dòng)交替作用下，這種影響更為明顯，松動(dòng)破壞范圍將會(huì)進(jìn)一步增大，非常容易出現(xiàn)大面積巖體失穩(wěn)問題。在開采巷道中，超前支撐力的存在會(huì)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生直接影響，其中，垂直應(yīng)力增加量和底板水平應(yīng)力增加量在底板中進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，將呈現(xiàn)出異步的特點(diǎn)，見圖2，巷道整體出現(xiàn)較大范圍的環(huán)向應(yīng)力，變形速率兩幫要明顯超過頂板和底板，導(dǎo)致巷道的底板和頂板將會(huì)出現(xiàn)鄰空長(zhǎng)度明顯增加的問題，失穩(wěn)問題隨之發(fā)生。

圖2 深部高應(yīng)力巷道環(huán)向應(yīng)力變化曲線

(4)巷道支護(hù)體與圍巖結(jié)構(gòu)之間不協(xié)調(diào)

在深部巷道支護(hù)中，巷道穩(wěn)定性受到外界影響較大，采動(dòng)影響、松軟圍巖、高應(yīng)力等復(fù)雜條件給巷道穩(wěn)定性帶來了較大的影響，在進(jìn)行支護(hù)時(shí)，若僅僅沿用傳統(tǒng)的支護(hù)方式，例如，錨噴支護(hù)、U型棚支護(hù)等單一的支護(hù)方式，支護(hù)效果不夠理想。同時(shí)，從深部巷道來看，在深部巷道圍巖控制方案中，雖然設(shè)計(jì)采用了多種類型的支護(hù)方式，但是若對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間的作用力協(xié)調(diào)性不注重，那么在圍巖變形的過程中，支護(hù)體將會(huì)表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)問題，影響到對(duì)圍巖變形的控制。從深部支護(hù)實(shí)踐來看，巷道圍巖和錨網(wǎng)之間強(qiáng)度不協(xié)調(diào)的問題明顯，尤其是金屬網(wǎng)剛度偏低的短板較為突出，導(dǎo)致支護(hù)整體性非常差，錨桿在過高載荷的作用下被拉斷，圍巖也表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則變形。從使用金屬支架的支護(hù)來看，結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)的問題突出，導(dǎo)致大變形巷道內(nèi)出現(xiàn)了相對(duì)較高的塑形不能實(shí)現(xiàn)有效釋放，局部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，最終導(dǎo)致金屬支架出現(xiàn)了斷裂破壞或者扭曲，最終巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)。

3.增強(qiáng)深部高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞控制效果的相關(guān)措施

(1)注重提升圍巖整體性，增強(qiáng)圍巖自我承載能力

在深部巷道開挖之前，很多圍巖已經(jīng)處于塑形或者潛塑形狀態(tài)，在開挖之后，又會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)破裂問題，選擇使用錨網(wǎng)支護(hù)、注漿加固、錨索支護(hù)等支護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)加固，更好保證圍巖整體性，增強(qiáng)圍巖極限承載能力，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，將圍巖自身承載能力最大限度的發(fā)揮出來，這對(duì)于提升圍巖整體穩(wěn)定性，有效控制圍巖變形有著明顯的作用。特別是在進(jìn)行圍巖初次支護(hù)時(shí)，對(duì)于應(yīng)力集中程度應(yīng)當(dāng)針對(duì)性的降低，推動(dòng)圍巖特別是淺部表層圍巖應(yīng)力狀態(tài)從雙向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，推動(dòng)圍巖在可控的范圍內(nèi)適當(dāng)讓壓，釋放圍巖內(nèi)部蘊(yùn)含的地質(zhì)能量。

(2)注重把控支護(hù)時(shí)機(jī)

在深部巷道支護(hù)中，很多情況下出現(xiàn)了圍巖變形不受控制的問題，與支護(hù)時(shí)機(jī)把控不到位有著直接的關(guān)系，因此，在進(jìn)行深部巷道圍巖支護(hù)時(shí)，更應(yīng)當(dāng)注重對(duì)支護(hù)時(shí)機(jī)的把控，特別是一次支護(hù)和二次支護(hù)時(shí)機(jī)必須做好精準(zhǔn)把握。在一次支護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)推動(dòng)圍巖適當(dāng)進(jìn)行讓壓，二次支護(hù)強(qiáng)調(diào)將一次支護(hù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化支護(hù)，二次支護(hù)時(shí)機(jī)的把控非常關(guān)鍵，通常情況下，需要根據(jù)圍巖變形監(jiān)測(cè)，確定二次支護(hù)時(shí)機(jī)。

(3)注重增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性

在深部圍巖支護(hù)中，全面提升支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性非常重要，對(duì)于剛性支護(hù)、柔性支護(hù)的聯(lián)合作用應(yīng)當(dāng)最大限度的發(fā)揮出來，在巷道開挖的初始階段，應(yīng)當(dāng)注重使用高強(qiáng)度、高預(yù)應(yīng)力的錨桿、錨索對(duì)巷道初期的變形進(jìn)行最大限度的限制。在對(duì)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整之后，可選擇使用U鋼支護(hù)，將U鋼支架可縮性、高強(qiáng)度等特點(diǎn)充分發(fā)揮出來，推動(dòng)巷道圍巖更好保證穩(wěn)定。此外，整個(gè)過程中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)施工過程的監(jiān)管，更好增強(qiáng)施工整體質(zhì)量，構(gòu)建出巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)、圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)制度，對(duì)各種類型的信息及時(shí)進(jìn)行反饋，特別是針對(duì)當(dāng)前深部巷道支護(hù)中出現(xiàn)的巷道兩底角支護(hù)難題，可選擇使用底板錨索鉆機(jī)配合新型錨索支護(hù)機(jī)具等，更好保證深部巷道支護(hù)效果。

4.結(jié)束語

綜上分析，當(dāng)前很多煤礦面臨著較為明顯的支護(hù)難題，在深部巷道支護(hù)中出現(xiàn)了較為突出的支護(hù)方案與支護(hù)需求不匹配的問題，不僅增加了開采成本，也帶來了較大的安全隱患，因此，這就需要煤礦充分認(rèn)識(shí)到做好深部巷道支護(hù)的重要性，結(jié)合煤礦深部開采實(shí)踐實(shí)際，注重各個(gè)支護(hù)體之間的耦合性，更好滿足深部巷道支護(hù)需求。