巷道圍巖“卸壓—支護(hù)”控制技術(shù)在巷道二次支護(hù)中的探索

楊 衛(wèi)

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

在綜采工作面開采過程中，煤層巷道的頂?shù)装鍘r性較差，圍巖強(qiáng)度較低，導(dǎo)致工作面的頂?shù)装寰鶗霈F(xiàn)較大形變，甚至使得巷道無法發(fā)揮其本身作用。為了使巷道能夠滿足礦井生產(chǎn)要求，必須對巷道進(jìn)行二次加固[1-6]，使巷道恢復(fù)設(shè)計(jì)狀態(tài)。

1 概況

馬蘭礦南五皮帶下山沿8 號煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，矩形巷道高度為3.2 m，寬度為4.8 m，在掘進(jìn)過程中采用錨網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，并在錨噴前進(jìn)行加固處理。但是，由于受到工作面的采動影響，巷道出現(xiàn)較大變形，巷道頂?shù)装寮皟蓭推茐膰?yán)重。礦方對巷道進(jìn)行了很多次的巷修，產(chǎn)生了巨大的維修費(fèi)用，安全受到威脅。

2 巷道二次支護(hù)必要性分析與支護(hù)時(shí)機(jī)分析

（1）必要性

對于深部巷道，一次支護(hù)一般很難控制圍巖大變形。卸壓鉆孔增加了圍巖結(jié)構(gòu)破壞程度，巷道后期流變變形大于普通巷道。

（2）二次支護(hù)時(shí)機(jī)確定

通過研究，巷道在支護(hù)完成之后，會有大幅度的變形變化，當(dāng)支護(hù)一段時(shí)間后，會逐漸趨于平緩。如圖1（a）所示，巷道的兩幫、頂?shù)装宓氖諗克俾试谥ёo(hù)40 d 后會出現(xiàn)一個(gè)波谷，達(dá)到最低值，但是此后又會出現(xiàn)大范圍變形。此時(shí)需要進(jìn)行巷道的二次支護(hù)，以此保證巷道的完整性。從圖1（b）看出，二次支護(hù)后，巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定，巷道不會出現(xiàn)大范圍的變形垮塌。因此，二次支護(hù)時(shí)機(jī)為巷道初次支護(hù)40 d 左右，當(dāng)出現(xiàn)大范圍巷道變形后，即可進(jìn)行巷道的二次支護(hù)，使得圍巖應(yīng)力調(diào)整基本趨于穩(wěn)定。

圖1 巷道二次支護(hù)變形收斂圖

3 巷道二次支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 二次支護(hù)試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)巷道選在南五皮帶下山，試驗(yàn)巷道長度約30 m，施工在巷道頂板，排距1 m，觀測頂?shù)装逡平?、兩幫移近量、錨索受力大小及頂板狀況。錨索受力大小用礦用壓力表測量，以便掌握錨索承載及變形性能，優(yōu)化錨索支護(hù)參數(shù)，錨索間距為900 mm，最大承載能力約200 t。在每個(gè)錨索安裝一個(gè)壓力表，觀測頂?shù)装逡平俊蓭鸵平?、錨索受力及變形。

3.2 觀測方法

在巷道壓力變化不是很明顯時(shí)，可以7 d 觀測一次，若巷道壓力較大，且變化頻率較快，必須每天對巷道變形進(jìn)行觀測。

3.3 觀測結(jié)果分析

通過兩個(gè)月的實(shí)際觀測，總結(jié)出以下幾個(gè)圍巖變形的特征和巷道支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)：錨索受力普遍不均勻；錨索變形微弱（根據(jù)錨索力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)曲線計(jì)算，錨索受力200 t 時(shí)變形量約為19 mm）；錨索支護(hù)條件下底鼓現(xiàn)象不明顯。

通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)與分析，結(jié)合巷道圍巖裂隙演化規(guī)律，對巷道支護(hù)的相關(guān)參數(shù)的總結(jié)，得出以下四個(gè)結(jié)論：

（1）受兩側(cè)工作面的采動影響，巷道圍巖的變形破壞呈現(xiàn)出一種較為復(fù)雜而又多變的規(guī)律和過程；

（2）巷道發(fā)生底鼓，主要是由于工作面在開采過程中產(chǎn)生的水平應(yīng)力與留設(shè)煤柱產(chǎn)生的支撐壓力兩者共同作用的結(jié)果，特別是在巷道交叉口區(qū)域；

（3）巷道支護(hù)形式所產(chǎn)生的支護(hù)效果好壞取決于對巷道圍巖的控制作用；

（4）目前南五下山皮帶巷所用的“錨網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護(hù)方式對大部分巷道是有用的，也是可行的，但是對于一些特殊區(qū)域應(yīng)該對巷道支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4 巷道圍巖“卸壓—支護(hù)”控制技術(shù)

4.1 圍巖巷道一次讓壓支護(hù)技術(shù)

（1）卸壓鉆孔對一次支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的作用

錨桿（索）普遍處于張拉狀態(tài)，卸壓鉆孔的開挖導(dǎo)致肩角錨桿（索）受力顯著增加，卸壓部位錨桿（索）受力有所減小，如圖2。

圖2 卸壓鉆孔對一次支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的作用

（2）高強(qiáng)讓壓錨桿（索）作用機(jī)制

高強(qiáng)讓壓錨桿（索）使支護(hù)結(jié)構(gòu)在恒定高阻下變形，釋放部分變形能，減小卸壓鉆孔產(chǎn)生的附加力，從而有效減少錨桿（索）桿體破斷率，保持支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。

（3）讓壓距離模擬

為了驗(yàn)證高強(qiáng)讓壓錨桿（索）對巷道圍巖具有有效控制作用，采用FLAC 模擬軟件對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，采取的模擬方案為巷道圍巖的變形量（讓壓距離）從0 mm 模擬至100 mm，間隔10 mm。首先對巷道表面施加1 MPa 反力，假設(shè)在讓壓有效距離內(nèi)支護(hù)阻力不衰減，超過讓壓距離后逐漸衰減至0.5 MPa。觀測巷道圍巖的頂板、底板以及兩幫中隨著讓壓距離的增加，巷道圍巖的變形量的變化情況，得出如圖3 所示的結(jié)果。

通過數(shù)值模擬，從圖3 可以明顯看出，高阻讓壓距離與巷道圍巖的變形量呈現(xiàn)反比例關(guān)系。巷道變形隨讓壓距離增加呈線性關(guān)系衰減，說明了長期保持支護(hù)阻力對巷道維護(hù)非常有利。

圖3 巷道圍巖變形量與高阻讓壓距離之間的關(guān)系

4.2 深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護(hù)技術(shù)

注漿加固機(jī)理：提高裂隙圍巖力學(xué)參數(shù)，增大破碎巖塊相對位移阻力；膠結(jié)形成整體結(jié)構(gòu)，為二次錨桿支護(hù)創(chuàng)造有利條件；封閉裂隙，減少水氣侵蝕。張農(nóng)等研究了高水材料固結(jié)體力學(xué)性能，得出固結(jié)效果影響因素：巖性＞水灰比＞注漿壓力。

如圖4 所示，錨固深度應(yīng)≥3.5 m，巷幫短錨索加固技術(shù)增加了錨固深度，緩解了卸壓部位錨桿受力，使錨桿受力趨于均勻。錨桿預(yù)應(yīng)力一般取桿體屈服載荷的30%～50%，錨索預(yù)應(yīng)力取拉斷載荷的40%～70%。

圖4 有、無巷幫錨索支護(hù)時(shí)巷道圍巖的變形圖

4.3 確定圍巖“卸壓—支護(hù)”控制原則

根據(jù)以上分析，結(jié)合礦井現(xiàn)場實(shí)踐，得出了以下三個(gè)圍巖“卸壓-支護(hù)”控制的基本原則。

（1）原則1—深部巷道一次讓壓支護(hù)原則

釋放變形破壞能，減小錨桿（索）破斷率，保持支護(hù)結(jié)構(gòu)完整性。

（2）原則2—深部巷道鉆孔卸壓控制原則

轉(zhuǎn)移高應(yīng)力，改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，為圍巖膨脹變形提供補(bǔ)償空間，減小巷道表面位移。

（3）原則3—深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護(hù)原則將圍巖流變速率控制在一定范圍內(nèi)，阻止其向加速流變發(fā)展，保持巷道長期穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)巷道圍巖的變形特征，針對巷道二次變形，提出了相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了巷道圍巖結(jié)構(gòu)在兩側(cè)工作面采動影響下呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化過程，并確定了最終的巷道支護(hù)技術(shù)—巷道圍巖“卸壓—支護(hù)”控制技術(shù)。該技術(shù)有效控制了巷道頂?shù)装濉蓭偷膰鷰r變形，使得巷道圍巖保持完整而不會變形影響礦井的安全生產(chǎn)。

（2）通過分析確定了巷道圍巖“卸壓—支護(hù)”控制技術(shù)的三原則：深部巷道一次讓壓支護(hù)原則、深部巷道鉆孔卸壓控制原則和深部鉆孔卸壓巷道二次錨注支護(hù)原則，為控制巷道圍巖的變形指明了具體方向。