深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊 靜

（國(guó)家能源集團(tuán)神東開(kāi)拓準(zhǔn)備中心，陜西 神木 719315）

處于深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)的回采巷道，巖體自重應(yīng)力大，巖體內(nèi)部的彈性能量也較大，巷道開(kāi)挖引起彈性能量釋放，會(huì)使巷道發(fā)生變形甚至破壞，圍巖的一些性能也會(huì)受到影響，比如巖體的連續(xù)性和完整性發(fā)生破壞等，同時(shí)還會(huì)影響圍巖的承載能力，在大結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下造成巷道變形破壞。深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道還受很多因素的影響，比如水文條件、頂板圍巖性質(zhì)、周圍采空區(qū)影響等，這些都會(huì)使巷道處于支護(hù)失效的狀態(tài)，此時(shí)礦山壓力顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)巷道兩側(cè)嚴(yán)重變形以及頂板破碎等重大問(wèn)題[1-5]。

回采巷道的穩(wěn)定是保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，深入系統(tǒng)地研究本礦井構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道的破壞機(jī)理和支護(hù)方案，提出最優(yōu)的支護(hù)設(shè)計(jì)，是亟待解決的一大問(wèn)題[6-7]。此問(wèn)題的解決意義重大，不僅能實(shí)現(xiàn)礦山的高效生產(chǎn)，而且能極大地提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)外相似條件下的回采巷道支護(hù)研究也能起到一定的借鑒作用。本論文選擇某礦0251工作面為工程背景，重點(diǎn)研究深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)回采巷道圍巖變形特征并提出優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

某礦0251工作面標(biāo)高為-770～-860 m，地表高程為8.3 m，東部無(wú)開(kāi)挖工程，西部無(wú)開(kāi)挖工程，南部為0251的F7斷層，北部無(wú)采掘工程。0251工作面長(zhǎng)度為146 m，平均斜長(zhǎng)419 m，工業(yè)儲(chǔ)量245 919 t，可采儲(chǔ)量233 624 t，工作面回采率為95%。0251工作面為南五區(qū)5號(hào)煤層的首采工作面，工作面內(nèi)存有傾角較大的傾斜煤層，在采掘過(guò)程中，總共暴露出8個(gè)斷層，包括6個(gè)正斷層和2條逆斷層，落差為0.4～4.8 m。其中在0251-F2、0251-F3、0251-F4、0251-F5、0251-F7掘進(jìn)期間，造成了巷道少量煤層頂板破碎；0251-F1、0251-F6造成巷道少量煤層底板破碎。0251-F1、0251-F6、0251-F8落差大于1.0 m且小于1.6 m，回采期間會(huì)造成回采面一定煤層頂板破碎；0251-F3、0251-F7落差分別為1.4 m、1.2 m，回采期間會(huì)造成少量底板破碎；0251-F7正斷層落差為4.8 m，在斷層的影響下，工作面提前開(kāi)切眼，但對(duì)回采沒(méi)有影響。

該礦首采工作面位于該礦井的-720 m水平，因?yàn)?2號(hào)煤層埋深較淺，而原巖應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)較小，實(shí)際的巷道支護(hù)方案選取較好，所以支護(hù)效果較好，能夠滿足實(shí)際礦上的生產(chǎn)需求。但是，隨著煤炭逐步向深部開(kāi)采，巷道的地質(zhì)構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，巷道圍巖的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力也在不斷增加，從而使巷道支護(hù)情況更加困難，出現(xiàn)巷道圍巖松軟破碎（見(jiàn)下頁(yè)圖1）、支護(hù)材料成本加大、底鼓嚴(yán)重、頂板破碎垮落、支護(hù)困難甚至冒頂?shù)惹闆r，所采用的加固支護(hù)等耗費(fèi)時(shí)間及工作量的措施，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)和人員安全產(chǎn)生重大影響。針對(duì)這種深部條件下巷道出現(xiàn)的巷道圍巖破壞嚴(yán)重、支護(hù)成本提高、支護(hù)密度加大等嚴(yán)重的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，采用合理的加強(qiáng)頂板等巷道等支護(hù)方式及支護(hù)密度時(shí)，在一定程度上可以有效地維護(hù)巷道的穩(wěn)定性，尤其是在巷道周圍的巖體構(gòu)造簡(jiǎn)單，地質(zhì)條件良好穩(wěn)定的條件下。但是當(dāng)巷道處于深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)時(shí)，某些地區(qū)出現(xiàn)了巷道維護(hù)跟不上故障速度的情況。

圖1 幫部圍巖變形情況

2 深部構(gòu)造發(fā)育區(qū)巷道圍巖塑性破壞特征

距0252工作面超前1 m、5 m、15 m、35 m、55 m、70 m的巷道圍巖應(yīng)力分布如下頁(yè)圖2所示。距工作面超前15 m、35 m、70 m的巷道塑性區(qū)分析如下頁(yè)圖3所示。從圖2可知，在距工作面1 m處，巷道左側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為20 MPa，右側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為90 MPa，巷道左側(cè)煤柱的最大應(yīng)力值為96.8 MPa；在距工作面5 m處，巷道左側(cè)圍巖的最大應(yīng)力值為17.5 MPa，巷道右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為85 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為95.9 MPa；在距工作面15 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為15 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為80 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為93.4 MPa；在距工作面35 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為75 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為90.7 MPa；在距工作面55 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為70 MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為90.8 MPa；在距工作面70 m處，巷道左幫圍巖最大應(yīng)力值為12.5 MPa，右?guī)蛧鷰r最大應(yīng)力值為65MPa，巷道左側(cè)煤柱最大應(yīng)力值為91.3 MPa。

圖2 0252工作面超前巷道應(yīng)力（Pa）云圖分析

結(jié)合圖3中巷道圍巖塑性區(qū)可以得出：由于巷道受采動(dòng)、0252工作面二次開(kāi)采的影響，巷道圍巖塑性面積大，施工前方斷面圍巖破壞較大。隨著與工作面距離的增加，巷道的塑性區(qū)逐漸減小。巷道兩側(cè)圍巖是煤，圍巖破壞主要集中在巷道幫部，圍巖塑性區(qū)較初次采動(dòng)影響顯著擴(kuò)展，圍巖應(yīng)力值增大。通過(guò)數(shù)值模擬分析，巷道幫部破壞嚴(yán)重，巷道之間保護(hù)煤柱破壞嚴(yán)重。

圖3 0252工作面超前巷道塑性區(qū)分析

3 深部回采巷道圍巖控制思路與方法

3.1 控制思路

開(kāi)采面可以形成具有原始巖石應(yīng)力3倍的峰值應(yīng)力的開(kāi)采疊加應(yīng)力場(chǎng)，巷道圍巖在分布不均的應(yīng)力場(chǎng)中，形成不規(guī)則塑性區(qū)，不規(guī)則塑性區(qū)將造成圍巖不均勻的變形。對(duì)圍巖不均勻破壞和塑性區(qū)形態(tài)進(jìn)行研究，可以使巷道圍巖得到控制。在巷道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)后，彈性區(qū)的圍巖變形會(huì)由于巖石破壞而受到限制，使彈塑性界面處的最大主應(yīng)力減小，最小主應(yīng)力變大，從而控制巷道圍巖變形，減小巷道破壞。塑性區(qū)的形成和巷道圍巖狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)楣こ躺现误w給予的支撐阻力對(duì)塑性區(qū)的減小很有限，所以巷道圍巖控制的關(guān)鍵在于抑制塑性區(qū)的惡化及應(yīng)力改變。采場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)會(huì)影響塑性區(qū)的形成和發(fā)展，有效控制塑性區(qū)最好的辦法就是維護(hù)破碎巖石的穩(wěn)定性，因此，通過(guò)改善應(yīng)力場(chǎng)、維護(hù)碎石穩(wěn)定來(lái)維護(hù)巷道穩(wěn)定性。為阻止塑性區(qū)的惡化，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，主要采用以下兩種方法來(lái)控制。

3.1.1 改變圍巖應(yīng)力場(chǎng)

掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)造成影響，隨著巷道圍巖壓力和掘進(jìn)時(shí)間的增加，塑性區(qū)范圍和表位移也有所增大。巷道圍巖應(yīng)力分布不均勻，垂直方向的應(yīng)力與水平方向的應(yīng)力之比可達(dá)3～5倍。由于應(yīng)力場(chǎng)是均勻的，巷道不規(guī)則塑性區(qū)的發(fā)展將不利于巷道圍巖的控制。綜上所述，地下開(kāi)采活動(dòng)使得巷道圍巖應(yīng)力再分布，不均勻的應(yīng)力引起巷道圍巖塑性區(qū)的形狀變化，巷道圍巖應(yīng)力可以有效地減少周圍巖石應(yīng)力的不均勻分布。改變應(yīng)力狀態(tài)主要通過(guò)改變周圍應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一些方法可以改善壓力對(duì)圍巖的影響，如將采礦的位移巷道合理排列在優(yōu)化處理層，合理選擇支柱尺寸等，同時(shí)使用多種巷道施工方法，以減少巷道周圍的應(yīng)力降低區(qū)。

3.1.2 增大破碎巖石強(qiáng)度

目前，增大破碎巖石強(qiáng)度主要有2種方法。一種是對(duì)裂隙巖體進(jìn)行填充，使碎石形成一體，這樣可加大圍巖的強(qiáng)度，阻止塑性區(qū)擴(kuò)大；另一種方法是采用合理的支護(hù)技術(shù)，防止圍巖惡性失穩(wěn)。通過(guò)改變應(yīng)力狀態(tài)以及在巷道內(nèi)實(shí)施注漿改進(jìn)，可以確保圍巖穩(wěn)定。但是，此方法造價(jià)高、建設(shè)周期長(zhǎng)、工作量大，且工作面超前、廢棄工作對(duì)施工人員的生命安全存在一定的威脅，所以這種類型的巷道維護(hù)方式不予以采用。因此，對(duì)于唐山市礦山巷道，采取錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)和注漿加固支護(hù)的方法。通過(guò)對(duì)巷道塑性區(qū)分布進(jìn)行分析，找到了支護(hù)錨桿和錨索的合理方法，以防止巷道圍巖的惡性膨脹和塑性區(qū)的非穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。

3.2 優(yōu)化支護(hù)應(yīng)用

0251運(yùn)輸順槽圍巖塑性區(qū)分布展現(xiàn)了在受采動(dòng)影響下，巷道圍巖破壞主要發(fā)生在頂板上部、側(cè)部。應(yīng)力集中系數(shù)的變化使巷道塑性區(qū)有了較大的改善。塑性區(qū)的分布規(guī)律和最大破壞深度因主應(yīng)力方向與垂直方向的夾角不同而出現(xiàn)在不同的位置。考慮到巖石應(yīng)力分布，在進(jìn)行梯形巷道設(shè)計(jì)時(shí)，使用Φ22 mm×8 300 mm的19股鋼絞線錨索，配合長(zhǎng)3.6 m的14號(hào)槽鋼、150 mm×150 mm×10 mm的鋼托盤等進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，間排距為1400mm×1600mm。

在左幫距頂板0.8 m和2 m處分別打設(shè)兩排Φ22mm×8300mm的19股鋼絞線錨索，配合150mm×150 mm×10 mm鋼托盤和Φ14 mm的鋼筋梁進(jìn)行支護(hù)，間距為1 600 mm；在右?guī)途囗敯?.5 m、2 m和3.5 m處分別打設(shè)三排Φ22 mm×8 300 mm的19股鋼絞線錨索。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖4所示。

圖4 巷道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)示意圖

將上述梯形巷道支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于相鄰的0251工作面與0252工作面回風(fēng)200～300 m之間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錨力試驗(yàn)和巷道圍巖試驗(yàn)，驗(yàn)證了選定巷道支護(hù)參數(shù)的合理性。從圖5中可以看出，巷道頂部和底板的最大變形為55 mm，兩個(gè)支座的最大變形為49 mm。從開(kāi)始到第12天，巷道變形速度增大，底板變形量為41 mm，兩幫變形量達(dá)35 mm。通過(guò)監(jiān)測(cè)，巷道變形小，巷道內(nèi)的錨桿沒(méi)有斷裂。結(jié)果表明，巷道斷面的選擇合理，支護(hù)參數(shù)可行，所設(shè)計(jì)和支護(hù)方案能很好地阻止巷道圍巖的變形。

圖5 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）回采壽命短、短期快速報(bào)廢的巷道，主要采用錨桿（索）、錨網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)為主，以注漿支護(hù)和支架支護(hù)為輔的綜合支護(hù)方案。通過(guò)塑性區(qū)的分布制定有效的支護(hù)方案，從而控制巷道圍巖的惡性膨脹，保證巷道的穩(wěn)定性。

2）支護(hù)方案的制定以及支護(hù)參數(shù)的選取需要根據(jù)塑性區(qū)分布來(lái)判定，從而可避開(kāi)破碎巖石突然失去穩(wěn)定性所造成的應(yīng)力改變，降低巷道發(fā)生冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)去現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巷道的破壞情況，對(duì)巷道的再次支護(hù)方案進(jìn)行研究，得到了良好的效果。