復雜巖巷高預應力支護技術的應用研究

郭 君

（汾西礦業集團基本建設管理部， 山西 介休 032000）

引言

當前隨著我國煤礦開采行業的不斷向前發展，煤礦開采深度也在不斷加大，在煤礦井下掘進工作過程中經常會受到一些復雜地質條件因素的影響，造成煤礦井下掘進工作面開采工作困難，同時對工作人員的人身安全造成威脅。對此，在一些復雜的巖巷掘進工作過程中，需要對巷道支護技術進行合理應用，要有效做好地質力學參數測試以及巷道破壞理論分析，結合實際工作條件對支護工作方法進行合理選擇與使用。現階段，在我國各大煤礦巷道掘進施工當中，高預應力支護施工技術在其中應用非常普遍，可以有效解決復雜地形條件下，煤礦巷道掘進工作中存在的各種安全隱患問題，保證整個巖石巷道結構的穩定性，提高煤礦開采工作效率，實現煤礦開采工作單位的良好經濟效益和社會效益。

1 工程概況

某煤礦開采工作面巷道地面標高范圍在1156～1436 m 之間，煤礦井下標高范圍在668～750 m 之間，平均埋深為500 m，巷道總設計長度1780 m，預計服務年限為2 年。本次巷道坡度最小為2°，最大為11°，平均大小為6°。隨后掘進工作過程中回風巷道會對試驗巷道產生動壓干擾，并且南部位置的開采工作面已經回采結束，對該位置的創造也會產生一定的壓力。對此，為了有效解決復雜巖巷存在的壓力影響和不穩定性問題，項目工程單位通過采取高預應力支護技術有效保證巖層結構的安全性和穩定性。

2 地質力學參數測試分析

通過前期的地質勘查，發現煤礦巷道的頂板位于0～0.7 m 的厚度位置，主要是以泥質砂巖材料為主，材料的整體呈灰色狀，并且整個巖層結構的整體性較強。在巖層結構0.7～4.5 m 的厚度范圍內分布有大量的石灰巖材料，材料主要是以灰白色狀為主，密實程度較高，同時材料比較堅硬，在煤礦巷道1～1.3 m厚度范圍內存在大面積的縱向裂縫情況。1.9～2.6 m之間裂隙發育程度相對較高，3.5～4.5 m 之間賦存多條方解石巖脈。4.9～10 m 范圍主要是以泥質砂巖為主巖層結構，整體呈灰色狀泥質鉸接程度較高，同時在4.5～6.5 m 之間巖層結構構成比較完整，6.5 m 位置存在比較明顯的橫向裂縫。10～15 m 之間主要是以細砂巖為主巖層結構，整體呈灰色狀質地比較堅硬[1]。

3 巖層巷道破壞機理

3.1 頂板變形破壞特征分析

煤礦巷道的頂部位置分布著大量質地比較堅硬的巖石條件，同時煤礦巷道兩邊受到的橫向壓力作用較大，巷道基礎結構產生比較嚴重的變形情況。與此同時，頂板區域的分層位置存在比較嚴重的結構彎曲以及基礎下沉問題，巷道上部結構位于頂板位置的空間出現明顯的變形狀態，主要是因為結構在受到周圍擠壓應力的作用下產生變形。通過對一個或者多個頂板分層結構進行受力條件分析，裂隙程度越高則所形成的變形量也就越大，造成基礎巖體結構下部平衡性不足，存在一定的不穩定性問題，下部鉸接巖塊的結構穩定性相對較高，在水平方向上的受力程度相對較大。其結構的穩定性與水平方向上的受力，以及頂板位置的厚度跨比有著直接的關聯，上部結構所產生的裂隙穩定性相對較高，并且具有一定的承受能力，在煤礦開采工作過程中，內部的應力受力狀態會進一步加大，同時頂板位置會出現基礎下沉，形成上部裂隙彎曲結構，以頂板位置的受力條件為基礎，主要承載整個巖巷的豎直方向平衡受力[2]。煤礦巷道定邊變形如下頁圖1 所示。

圖1 煤礦巷道定邊變形

3.2 兩幫和底板位置結構與穩定性分析

試驗巷道是以基石巷道結構為主，兩幫為泥巖層，相比于煤幫而言，巖巷的整體結構構成比較穩定，巷道支護工作更加簡單，但是如果巷道位于相鄰的巷道掘進方向，或者是回采工作面的平面方向，在回采過程中經常會對周圍的巖體結構形成一定的擾動和影響。當形成高應力受力區域時，加上巖體結構外表面容易受到風化作用而產生破裂，此時煤礦巷道容易產生整體性破碎問題，進而會造成頂板出現變形以及整個煤礦巷道產生嚴重的破壞。相反，當巷道位于相鄰區域的掘進工作面，或者是回采工作面條件下，經常會受到應力擾動而產生不穩定性情況，在后續對煤礦巷道外表面進行噴漿處理過程中，會造成煤礦巷道兩幫的碎片出現變形，巷道整體穩定性有所下降[3]。

3.3 煤柱尺寸對于巷道穩定性所產生的影響

寬度較窄的煤柱直接沿著空掘巷道方向上延伸，影響空掘巷道穩定性的影響因素，主要體現在開采場的數值和橫向方向上的支撐壓力分布情況，受到相鄰回風巷道掘進受力所產生的干擾，相鄰工作面的巖體結構穩定性也會受到一定的擾動，動壓表現比較明顯，煤柱尺寸的留設工作過程中，需要盡可能避開一些頂板的回轉結構，或者是應力集中區域需要有效滿足低位瓦斯的抽采工作要求和標準。

4 設計工作方案和技術參數分析

4.1 原支護結構方案評價和分析

本次巷道結構主要是以延時巷道為主，周圍會受到回風巷道掘進施工所產生的影響，開采工作面的采空區域穩定性有所不足，同時圍巖結構的受力條件比較復雜，巷道后續的變形量相對較大。通過井下調研工作可以看出，在掘進工作過程中煤礦巷道的頂板位置穩定性較高，同時基礎下沉量較小，但是構造段的頂板破碎問題比較明顯，整體呈現出凹凸不平狀態，局部位置產生破碎和冒落，部分巷道出現偏旁和破碎問題，進而兜網和錨桿出現后部空洞情況，隨著該開采工作面回風巷道掘進工作的推進，在煤礦礦道掘進工作過程中，必須要對巷道周圍的應力處理條件情況進行分析和監測，同時可以在煤礦礦道的兩側位置使用單體錨桿進行加固處理，有效保證基礎面支護結構的穩定性。如果支護完成之后，航道兩側區域的應力擴散效果達不到標準要求，受力條件相對較差則會造成巷道的支護結構穩定性下降，嚴重的情況下甚至會產生更加嚴重的巖體破碎和巷道坍塌等事故[4-5]。

4.2 支護工作方法

在煤礦巷道的頂板位置設置出一定數量的支護錨索，并且需要對錨索的間距大小進行有效控制，本次巷道支護錨索的間距大小設定為1000 mm，剩余部分的支護參數需要進行更精確的計算。通過對煤礦巷道表面位移監測量信息進行分析，其中頂板位置的最大下沉量約為22 mm，兩側位置的基礎下沉量最大達到14 mm。相比于整個煤礦巷道的尺寸所形成的變形量相對較低，可以保證在標準的控制工作范圍之內。從巷道的巖體結構變形時間上進行分析，巷道的整體變形量大小主要是在開采工作過程中，進入到工作區域超過深度范圍的巷道變形，對于超過深度范圍的巷道變形量會逐漸趨于穩定，則說明本次煤礦放到在支護工作效果上達到了預期的要求。通過對支護錨桿的受力條件情況以及受力變化分析，可以得出錨桿在最初的受力大小方面，受力區間在38～56 kN，與錨桿最初所施加的300 N·m 設置參數基本保持相同，其中存在個別錨桿受力相對較小，主要和煤礦巷道的巖體構成條件，以及表面的破碎程度之間有著直接的關聯。整體而言，由于錨桿的受力條件相對比較穩定，同時在極限工作狀態下，錨桿的受力穩定性相對較強，則說明錨桿的支護設計比較合理，可以充分發揮出錨桿的支護作用和效果。通過對錨桿錨索受力條件進行監測和分析，可以有效了解巷道不同位置的變形情況，有效獲取錨桿的受力條件變化參數。

5 結語

錨桿錨索施加高預緊力智護工的方法，可以有效保證整個煤礦巷道的支護工作效果，與項目工程施工進度之間有效配合，充分提高煤礦開采工作效率和安全性，為推動我國煤礦產業的快速發展打下良好的基礎。