復雜應力條件下巷道圍巖綜合控制技術研究

郭軍招

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺 054200）

0 引 言

近年來，隨著全國尤其是東部地區(qū)煤炭開采深度不斷增加，深部巷道圍巖的有效控制是深部煤礦安全開采的首要問題之一，但深部巖體受“三高”特性影響而表現(xiàn)出的軟巖特性使得深部巷道與淺部硬巖巷道圍巖控制原理有著顯著差別，淺部巷道一般不允許圍巖進入塑性狀態(tài)，而深部巷道支護的獨特之處在于其巨大的變形能必須以某種形式釋放出來，允許圍巖進入塑性狀態(tài)。目前國內(nèi)深部巷道通常采用的卸壓技術有，預留巷道斷面、壁后充填全封閉式可縮型支架、讓壓錨索以及鉆孔、爆破、開卸壓巷等。針對以上卸壓技術，國內(nèi)許多專家又進行了大量研究與實踐，提出了許多改進方案。一部分學者認為巷道支護初期錨桿索支護系統(tǒng)應具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大連續(xù)變形。通過分析軟化卸壓帶參數(shù)對深部巷道圍巖變形的影響規(guī)律，提出了巷幫松裂爆破的卸壓技術，認為巷幫松裂爆破能在巷幫形成一個卸壓帶，可有效改善圍巖應力分布，使得高應力向深部轉(zhuǎn)移。此外，國內(nèi)外先后開展了許多卸壓技術的研究與工程試驗，包括開卸壓槽、開卸壓巷、切縫、鉆孔、爆破、以及預留卸壓煤柱等，并通過其他支護手段與之相互配合解決了許多深部巷道的支護問題。以上卸壓理論與卸壓技術的研究成果為該項目的開展奠定了一定基礎，但針對因多重采動造成的深部巷道圍巖長時持續(xù)性大變形，現(xiàn)有研究成果仍有欠缺與不足。東龐礦采掘布局逐步向深部轉(zhuǎn)移，深部水平地壓明顯增大，深部復雜應力與圍巖環(huán)境下有關礦山壓力難題對深部巷道圍巖控制技術形成了艱難的挑戰(zhàn)。

1 概 況

12 采區(qū)軌道巷位于東龐礦深部水平，12 采區(qū)軌道巷內(nèi)2 號煤層沉積較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，含有1層夾矸，煤層及夾矸厚度有一定變化。上層煤厚度為2.7～3.2 m，平均厚度為2.9 m；下層煤厚度為1.2～1.3 m，平均厚度為1.3 m；夾矸厚度為0.2～0.8 m，平均厚度為0.5 m；煤層總厚4.3～ 5.2 m，平均4.7 m。煤層傾向為282°～355°，煤層傾角為2°～5°，平均為4°。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Roof and floor structure of coal seam

東龐礦12 采區(qū)軌道巷兩側(cè)的綜采工作面逐個進行回采，位于動壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)域，將經(jīng)歷工作面回采的強動壓影響，圍巖控制難度極大。項目組根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況與地質(zhì)生產(chǎn)條件找出可能導致大巷圍巖變形破壞的主導因素，確定深部強采動巷道圍巖控制的總體原則和技術方向，最終確定基于深部高地應力、煤巖體流變等特性以及巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)特征，在高強度支護等手段的基礎上提出在煤幫深部區(qū)域開挖一個大型孔洞并布置調(diào)控系統(tǒng)進行持續(xù)大變形控制的新方法，抵御深部巷道圍巖大變形，并通過持續(xù)性位移監(jiān)測適時進行二次或多次調(diào)壓孔洞系統(tǒng)布置，以應對強動壓影響造成的一次孔洞密閉以及巷道煤體深部區(qū)域的持續(xù)性蠕變，維護巷道支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高礦井生產(chǎn)效率、優(yōu)化工人的勞動環(huán)境，促進深部礦井安全高效集約化發(fā)展。

2 復雜應力條件下巷道圍巖綜合控制技術

2.1 復雜應力條件下巷道圍巖支護

東龐礦12 采區(qū)軌道巷變形嚴重，巷道采用一排錨桿一排錨索支護，巷道裸露頂、幫重新進行錨梁網(wǎng)支護。頂、幫均鋪菱形金屬網(wǎng)，掛垂巷H型鋼帶梁，頂、幫錨桿間排距均為800 mm×1 600 mm，頂錨桿采用φ22 mm×2 400 mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，配MSCKb2350、MSZ2360 樹脂藥卷各1 卷，錨固力不低于15 t，幫錨桿采用φ20 mm ×2 400 mm全螺紋鋼錨桿，配MSCKb2350、MSZ2360 樹脂藥卷各1 卷，錨固力不低于12 t；頂、幫每隔一排錨桿施工一排點錨索配雙鋼帶梁，錨索間排距1 m×1.6 m，鋼帶梁垂巷布置，鋼帶梁間連鎖牢固，頂錨索采用φ21.8 mm ×10 500 mm 鋼絞線，每孔配MSCKb2350 樹脂藥卷1卷，MSZ2360 樹脂藥卷3卷錨固，預緊力不低于130 kN，幫錨索采用φ21.8 mm ×6 300 mm 鋼絞線，每孔配MSCKb2350 樹脂藥卷1卷，MSZ2360 樹脂藥卷3 卷錨固，預緊力不低于130 kN。

圖1 巷道支護斷面圖Fig.1 Roadway support section diagram

東龐礦12 采區(qū)軌道巷變形嚴重且?guī)湾^桿施工質(zhì)量不合格時巷幫采用全錨索支護。對巷道裸露頂板采用全錨索支護，巷幫鋪垂巷菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)搭接不小于200 mm，聯(lián)網(wǎng)采用16 號鐵絲，聯(lián)網(wǎng)間距不大于300 mm，必須使用專用網(wǎng)勾進行聯(lián)網(wǎng)作業(yè)。掛H 型鋼帶梁，垂巷鋼帶梁要壓網(wǎng)搭接處。幫錨索采用φ21.8 mm×6 300 mm 鋼絞線，間排距1.0 m×1.2 m，每孔配MSCKb2350 樹脂藥卷1 卷，MSZ2360 樹脂藥卷3 卷錨固，預緊力不低于130 kN。最上部一道幫錨索距頂板不大于300 mm，最底部一道距底板不大于300 mm。每根錨索配400 mm×400 mm、200 mm×200 mm 托盤各1 塊或200 mm×200 mm、100 mm×100 mm 托盤各1 塊。

圖2 巷道支護斷面圖Fig.2 Roadway support section diagram

2.2 錨噴注漿加固

支護后對巷道頂幫及時進行噴漿封閉，噴厚100 mm，噴漿強度不小于C20。噴漿封閉后對整修巷道頂、幫采用一排深孔一排淺孔交替注水泥漿加固，如圖3、圖4 所示。注漿孔孔距1.5 m，排距6 m，深孔孔深8 m，注漿壓力不小于6 MPa，淺孔孔深3 m，注漿壓力不小于4 MPa。注漿采用注漿孔間隔注漿，水∶灰=3∶1，可適當調(diào)整參數(shù)，防止串漿跑漿。當注漿長時間不上壓時，停止對該孔注漿，1 h 后繼續(xù)對該孔注漿。

圖3 巷道深孔施工斷面Fig.3 Construction section of roadway deep hole

2.3 內(nèi)部卸壓調(diào)控

（1）卸壓孔洞。

卸壓孔位于巷道兩幫距離底板1.0 m 高度并傾斜于巷壁軸向方向45°且上仰3°布置，兩幫卸壓孔排距為4.0 m，外部小孔直徑約133 mm，傾斜布置的小孔孔深約17 m，深部造穴孔深3.0 m，一次出煤量約5 m3。為了防止造穴沖孔對兩幫淺部錨固體內(nèi)煤體的破壞，首先對深度為15m 范圍內(nèi)直徑133 mm 鉆孔內(nèi)插入127 mm 的地質(zhì)鋼管，然后鉆頭通過鋼管對深部17 m 煤體內(nèi)實施造穴，造穴完成后及時封孔。當囊袋系統(tǒng)閉合度達80%左右時實施二次造孔洞卸壓，兩幫煤體卸壓孔洞布置示意如圖5 所示。

圖5 兩幫煤體卸壓孔洞布置示意Fig.5 Arrangement of pressure relief holes in two sides of coal body

（2）卸壓孔洞卸壓原理。

巷道內(nèi)部主動有控卸壓技術是在巷幫深部范圍內(nèi)施工（水力造穴鉆機設備）形成一系列的大洞穴，使得巷幫形成的支承應力峰值向深部大幅度轉(zhuǎn)移，減緩或阻隔多重采動影響對巷道圍巖破壞作用，并使得該處圍巖變形能得以釋放，同時能為深部煤巖體持續(xù)蠕變變形提供較大的補償空間，吸收了大部分變形，為巷道創(chuàng)造了良好的應力環(huán)境，進而有效減小圍巖變形。巷道內(nèi)部主動有控卸壓原理示意如圖6 所示。

圖6 巷道內(nèi)部主動有控卸壓原理示意Fig.6 Principle of active controlled pressure relief inside roadway

由圖6 可以看出，通過水力造穴設備在巷幫深部區(qū)域產(chǎn)生大范圍洞穴后，產(chǎn)生卸壓，使得巷幫淺中部區(qū)域煤巖體支承應力降低，峰值向深部轉(zhuǎn)移，大幅改善了圍巖應力環(huán)境，有利于支護系統(tǒng)穩(wěn)定；此外，卸壓洞穴可有效吸收采動支承壓力所造成的煤巖大變形，可直接緩解大巷支護系統(tǒng)所承受的變形壓力，有效保障支護系統(tǒng)不被損毀。

（3）囊袋調(diào)壓系統(tǒng)。

選取集中巷道幫部大巷側(cè)第10 號、20 號與第2’號、10’號、20’號卸壓孔洞布置新型可縮脹囊袋調(diào)壓系統(tǒng)，進行兩幫煤體內(nèi)部卸壓調(diào)控。該方法能將巷道兩幫高支承應力峰值轉(zhuǎn)移至卸壓孔洞實體煤側(cè)，實現(xiàn)巷道錨固圍巖區(qū)整體應力下降，為巷道穩(wěn)定性創(chuàng)造了良好的應力環(huán)境；卸壓孔洞在囊袋系統(tǒng)支撐下可恒阻收縮，能為兩幫深部煤體運移作用錨固圍巖提供一個緩沖空間，如圖7 所示。

圖7 可縮脹囊袋系統(tǒng)監(jiān)測Fig.7 Monitoring of shrinkable bag system

2.4 底板兩側(cè)切槽卸壓

為了抵御12 采區(qū)軌道巷底板煤巖體大范圍向外臌出，對12 采區(qū)軌道巷底板兩側(cè)實施切槽卸壓，切槽深度300 mm，寬度為300 m，具體根據(jù)現(xiàn)場底板切槽實際變形情況實施多次切槽。

3 礦壓觀測

為了觀測東龐礦12 采區(qū)軌道巷在回采期間的圍巖活動規(guī)律，考察12 采區(qū)軌道巷圍巖變形的控制效果，研究控制方案的合理性，在12 采區(qū)軌道巷中設置相應的測站，對圍巖表面位移、液壓枕監(jiān)測錨索壓力、鉆孔應力計等定期進行觀測并對巷道圍巖變形進行統(tǒng)計、分析。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，明顯可知圍巖內(nèi)部卸壓控制技術方案很好的控制了巷道圍巖變形情況，巷道圍巖變形量大大減少了，變形速率也降低了，提高礦井生產(chǎn)的安全性與可靠性，對深入發(fā)展完善深部硐室圍巖控制體系具有重要的意義。

4 結(jié) 語

通過復雜應力條件下巷道圍巖綜合控制方案，形成復雜應力條件下持續(xù)大變形的強力支護、錨噴注漿技術和首次提出在深部巷道兩幫內(nèi)部開挖的大型孔洞內(nèi)布置具有全方位施恒阻和可變阻適應功能的可縮脹囊袋調(diào)壓系統(tǒng)，進行兩幫煤體內(nèi)部卸壓調(diào)控的新方法，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析可以看出硐室圍巖相對變形量大幅減小，穩(wěn)定性大大提高，保證巷道圍巖的長期穩(wěn)定，減小巷道變形程度，進而延長巷道使用壽命，減少巷道反復維修帶來的巷修費用，新的圍巖綜合控制方案同國內(nèi)外同類研究相比，更具有先進性、合理性、有效性、推廣性，為同類型巷道圍巖支護提供理論與技術經(jīng)驗。