巖體應力條件對煤礦回采巷道支護變形和荷載的影響

于貴龍

河北冀中能源冀中股份段王煤業公司 山西晉中 045400

某礦采區先期采用條帶式開采，主要開拓和準備巷道布置在主采煤層的頂板巖層中。軌道巷在掘進過程中及煤開采前，巷道支護狀況較好[1]。煤回采后，軌道巷受煤多個工作面的采動影響，巷道變形嚴重，因巷道布置和煤柱留設等因素，某軌道巷仍將長期承受護巷煤柱引起的支撐壓力影響，巷道變形會持續擴大[2]。因此，有必要分析軌道巷變形破壞機理，針對性開展應力巷道圍巖控制的試驗研究，以改善巷道的維護狀況，減少巷道失修率，為礦井的安全高效生產奠定基礎。

1 相關概述

1.1 礦巖工程地質特征

構成礦體的直接頂板、底板為凝灰質角礫巖、含礫凝灰質細粒砂巖、凝灰質中粗粒砂巖。其中凝灰質角礫巖，飽和狀態下的抗壓強度值為22.0-32.6MPa，平均值28.1MPa，軟化系數為0.57，低于0.75，此類巖石屬半堅硬－軟弱巖類，易軟化的類型；含礫凝灰質細粒砂巖、凝灰質中粗粒砂巖和凝灰質砂巖，飽和狀態下的抗壓強度值為14.0-39.0MPa，平均值29.8MPa，軟化系數為0.64，低于0.75，此類巖石屬半堅硬－軟弱巖類，易軟化的類型，穩定性較差。構成礦體的直接頂板或間接頂板的灰巖，風干狀態下的抗剪強度，內摩擦角為41°38′，凝聚力系數為3.76MPa。巖石呈碎屑和大小不等、形態不同的巖塊，此類巖石屬軟弱的巖類，易軟化的類型，穩定性差。綜上所述，礦區礦體頂、底板工程地質勘探類型屬層狀巖類，復雜程度為中等型[3]。

1.2 測量方法

首先，兩個水井在回采巷道屋頂和側壁Φ95mm直徑和長度：10.0m，3.0m（圖1中1和2項）的透度計測試。根據試驗結果確定了所研究的回采巷道周圍巖石的強度。在穿透儀測試完成后，將鉆孔攝像機插入鉆孔中，以評估回采巷道s周圍巖體的裂縫[4]。第一次測量在長壁工作面前方約180m處進行，隨后的測量在工作面接近時進行。在井下試驗中，在采場頂板內的測點上使用了兩個長度為2.4m、直徑為22mm的儀器化鋼錨桿（圖1中第3項）。儀表式錨桿是一種用于測量錨桿中由于巖體位移而產生的軸向力的裝置。這種類型的錨桿是建立在一個標準鋼錨桿的基礎上，其承載能力為180kN，應變片張力傳感器已經嵌入。為了擴大與頂板巖層質量評價相關的地下測量，安裝了三層高度指示器（圖1中第4項）。穩定測量串的錨建在頂板巖石的三個高度上：2.0m、5.0m和10.0m。接下來測試的參數是SPN支撐載荷的測量。為此，四個液壓測功的測量范圍從0到600kN被用于測試和安裝兩個相鄰的拱門下SPN集（圖1中第5項）的支持。因此，它是可能的測量產生的反應部隊巖體荷載作用于支持，長壁側壁和對邊。另外，特殊類型的測力計與長筋柔性螺栓一起安裝在側壁上（圖1中項目6和7）。測力計應該指示水平作用的力。

圖1 回采巷道371222測量站

圖1所示中，回采巷道371222測量站方案：10.0m長鉆孔，用于測透儀和內窺鏡照相機；測透儀和內窺鏡照相機鉆孔長3.0m；2.4m儀表錨桿；三位置手動—讀數指示器（10.0m、5.0m、2.5m）；液壓測力計—地板；液壓測功器—側壁；長筋柔性螺栓；水平和垂直收斂測量點；安裝應力測量探頭的鉆孔。在巷道中也測量了巷道的高度和寬度（收斂）的變化（圖1中項目8）。這些測試的目的是確定接近的長壁工作面對巷道變形大小的影響。

2 巖體應力條件對煤礦回采巷道支護變形和荷載的影響分析

2.1 巷道變形破壞原因分析

根據某采區實際地質采礦條件、巷道圍巖變形破壞特征及現有開拓巷道錨網支護失效形式，結合理論分析結果可知，高應力軟巖巷道圍巖強烈變形的主要原因有以下幾個方面：①巷道圍巖體強度較低。某軌道大巷布置在煤頂板巖層中，巷道所處巖性大多以泥巖或巖漿巖為主，由于圍巖的物理力學性質較差，且巖體中節理裂隙較為發育，圍巖強度不足以支撐較強的應力變化。②工作面回采造成應力集中。軌道大巷經受兩次動壓影響，圍巖應力增幅較大，且長期承受護巷煤柱引起的支撐壓力影響，圍巖發生應變軟化，相應的圍巖松動圈范圍較大，極易失穩破壞。③支護措施不合理。某軌道巷為直墻半圓拱形巷道，巷道設計凈斷面尺寸為4.0m×3.6m，巷道采用錨網索支護，局部破碎區域采用注漿加固。在松軟破碎圍巖中，圍巖本身的可錨性差，高強樹脂錨桿的錨固性能難以發揮，特別是在圍巖松動范圍大、頂板圍巖松散破碎的情況下，圍巖本身的自穩能力較差，允許空頂時間較短，完全使用錨桿支護的效果并不好。④底板無控底措施。作為一個支護承載體，由于巷道未采取控底措施，高應力作用下底板先成為巷道變形、破壞的突破口，進一步加劇巷道頂板和兩幫的變形[5]。因此，有必要針對某軌道大巷的支護工藝開展系統研究。根據巷道形態，針對性制定聯合支護設計，從根本上改變巷道支護狀況，改善圍巖應力環境，保障軌道大巷的圍巖穩定性，為巷道的長期使用營造良好條件[6]。

2.2 回采巷道布置區域應力改變率分布

對于近距離煤層群開采，在上部煤層煤與下部煤層開采后，煤層的垂直應力，在中部煤層不同部位存在應力增高區與應力降低區，應力峰值可達到30MPa。以下部煤層工作面兩側煤壁為邊界，錯距在-5m～5m（采空區外側為負，內側為正）為應力增高區，若不考慮應力變化率的影響，回采巷道只需布置在采空區內側或采空區外側煤壁5m處即可。由應力變化率公式處理測線應力數據分析，工作面兩側煤壁界限，黑色虛線為垂直應力改變率拐點，在煤壁邊界兩側的黑色虛線之間垂直應力不均衡程度較大，不適合布置回采巷道。采空區內側30m及煤壁側5m外垂直應力變化率較低且在一定區域內趨于穩定，在上部煤殘留煤柱。煤壁影響的區域垂直應力變化率又變得很大且不穩定。所以，根據垂直應力變化率分布的情況，中部煤層煤回采巷道的布置應該內錯30m或者外錯10m。結合對垂直應力分布及垂直應力變化率的分析，以下部煤層工作面兩側煤壁為界限，上部煤層煤與下部煤開采后，沉降位移不會對回采巷道布置產生較大影響，以工作面兩側煤壁為界限，煤壁側0～25m和采空區10～20m范圍內是裂隙富集區域，所以結合裂隙、應力的綜合考慮，中部煤層回采巷道應該外錯25m或者內錯30m布置。

3 回采巷道頂板變形控制

3.1 高預緊力、高強度支護原則

由于工作面回采巷道處于高應力區、煤層結構復雜且圍巖強度低、破壞嚴重，采用高預緊力支護不僅能夠減小巷道的早期變形，防止松散破碎圈的進一步增大，而且能夠及時、主動地為巷道頂板的初期變形提供圍壓，從而有效控制頂板離層，消除頂板拉應力區，增強其巷道圍巖承載能力，顯著提高含軟弱夾層頂板錨固體的強度，有效控制巷道頂板的變形失穩。同時，在地質條件復雜、高圍巖應力的條件下，高支護強度能夠為圍巖提供高圍壓約束，抑制含有軟弱夾層巷道頂板的過度變形、破壞，使其與煤層賦存的高應力環境相適應。

3.2 整體差別支護

煤層回采巷道頂板、煤幫、底板支護均是支護系統不可或缺的組成部分，三者任何一方面均不可忽略。但與巷幫和底板相比，其頂板常含有軟弱夾層，節理裂隙較發育，圍巖變形嚴重，塑性破壞范圍大，支護過程中應注意頂板加強支護，促使頂板圍巖及錨固體形成整體協調的結構[7]。

3.3 優化支護方案

錨索是由鋼鉸線組成的柔性支護材料，錨索與錨桿相比，可以發生一定程度的彎曲且長度不會受到所處空間的制約。由于錨索自身具有較強承受載荷的能力，在礦井支護中一般都會將錨桿與錨索配套使用。但是錨索的使用受到價格的制約，錨索位置的選擇尤其重要，錨索布置位置合理可以對頂板和底板控制起到關鍵作用。具體優化支護方案為：錨桿預緊力55kN，錨桿錨固劑選擇的是樹脂藥卷，采用鐵質托盤與木質托盤組合的方式與錨桿配套使用，木質托盤長150mm、寬150mm、厚30mm，鐵質托盤長120mm、寬120mm、厚10mm。底角傾斜錨桿選擇的是直徑34mm、長度2000mm的無縫鋼管，排距為800mm，水平夾為15°，配套使用金屬網。

3.4 回采進路破碎圍巖支護方案

礦山回采進路圍巖為半堅硬－軟弱巖體，局部位置圍巖較破碎或極破碎，使生產過程中回采進路冒頂、片幫事故時有發生；且回采進路圍巖受采動爆破影響明顯，后排中深孔易受采動影響而出現塌孔、堵塞，進而影響到后排中深孔爆破效果[8]。所以，在受采動爆破影響嚴重、圍巖破碎的回采進路，宜采用摩擦型錨桿或可縮性鋼架等支護形式。而可縮性鋼架支護作業時間長、成本高、勞動強度大，故優先選用管縫錨桿?？紤]到進路圍巖裂隙水發育，為防止管縫錨桿過早發生銹蝕造成其支護效果降低，可對管縫錨桿桿內加注水泥砂漿，水泥砂漿強度等級為M20。

3.5 監測設備布置

為獲得完整的數據，測站監測內容包括：①頂板巖層位移監測；②巷道圍巖表面位移監測；③巷道區段煤柱側煤體垂直應力監測，①頂板煤巖體深部位移監測。在巷道頂板圍巖內部布置鉆孔，鉆孔內安設有5個錨固點的多點位移計，錨固點的深度分別為1m、2m、4m、7m及10m，以此方法記錄巷道頂深部巖層位移數據。②巷道幫部煤體應力監測。在巷道區段煤柱幫部煤體內部布置鉆孔，鉆孔內安設液壓枕，記錄幫部煤體的垂直應力變化情況。在每組測站位置，9個鉆孔應力計打設到區段煤柱的煤體內，相鄰應力計間距為0.8m。

4 結語

總而言之，在煤巷支護中，由于支護形式、支護參數不合理，不能有效控制圍巖松動圈的范圍，導致圍巖整體性差、圍巖不穩定、變形較大，造成圍巖支護失效的問題。運用數值模擬、理論分析、工程類比等方法，科學合理地優化支護參數，充分發揮支護的主動性，充分調動圍巖本身承載能力，盡可能擴大錨索和錨桿控制松動圈的范圍，從而更加科學、合理地解決巷道變形嚴重甚至失穩問題。