沿空留巷水壓致裂和注漿錨索聯合作用特征分析

賀相乾，楊舜超

（1.山西汾西中興煤業有限責任公司，山西 呂梁 030500；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；3.山東唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272055）

0 引言

深部沿空留巷過程中圍巖變形破壞嚴重是生產現場需要研究的問題之一，國內外研究學者圍繞沿空留巷技術開展了相關研究，并取得了積極的控制效果[1-2]。孫廣建等[3]結合留巷圍巖非均勻受力、支護體作用、大松動圈塑性圍巖特征，提出采用恒阻大變形錨索+切頂卸壓+36U 形鋼棚聯合控制技術，取得了較好的效果；呂維赟等[4]分析了切頂卸壓高度對巷道圍巖變形的作用特征，得出切頂較未切頂有明顯效果，且合適的切頂高度留巷圍巖變形控制效果顯著；王平等[5]結合矸石充填采空區減小覆巖破壞特征，提出了錨桿和W 鋼帶超前支護以及長錨索和注漿錨索永久支護技術方法，保障了深井矸石充填沿空留巷穩定；高建勇等[6]模擬分析了水力致裂對沿空留巷頂板的作用效果，得出水力致裂可有效減小留巷頂板變形量；然而，隨著埋深的增加，沿空留巷控制難度不斷增大，本文以某礦典型沿空留巷為研究對象，分析了留巷圍巖變形特征，提出采用水壓致裂和注漿錨索聯合控制技術，分析了聯合作用原理，并在現場進行了應用。

1 巷道生產地質條件和變形特征

某礦3201 工作面一切眼傾斜長度160 m，可采長度129 m；一切眼與二切眼對接后傾斜長度190 m，可采長度1 466 m。3203 工作面主采2#煤層，2#煤為二疊系下統山西組煤層，煤層厚度1.6～2.3 m，平均厚度2.1 m，在3201 工作面回采過程中留巷不同區域均呈現全斷面變形，變形后巷道最小高度僅為0.9 m，如圖1 所示，較初始巷道高度變形量達2.1 m，頂板最大下沉量達1.2 m，且底臌嚴重；頂板錨桿（索）多處出現拉斷或松動現象，部分鋼帶撕裂，說明3201 工作面回采過程中巷道承受較高的采動應力。

圖1 典型留巷圍巖變形特征

2 沿空留巷水壓致裂和注漿錨索聯合作用特征

2.1 聯合作用技術

針對深井沿空留巷大變形特征，將水力致裂和注漿錨索聯合作用，水力致裂切頂優化開采覆巖大結構運動形成的應力環境，注漿錨索支護強化小結構加固層，通過優化頂板應力和控制小結構頂板離層，實現沿空留巷圍巖的穩定。

2.2 聯合作用特征

采用水力致裂切頂完成后，在切頂巖層的回轉載荷下，直接頂產生運動變形，導致其載荷增加、變形加劇、裂縫再次發育，分析增加的注漿錨索作用特征，簡化結構為懸臂梁狀態，如圖2 所示。

圖2 直接頂受力簡圖

錨索支護后，直接頂與其上方的中砂巖錨固在一起，可認為是一層頂板，隨著工作面推進，直接頂首先垮落，形成懸臂梁結構，其上方巖層對懸臂梁施加載荷。

2.2.1 錨索支護強度

支護密度p 為式（1）：

式中：c 為錨索排距；a 為巷道寬度；n 為每排錨索數量。

支護強度P 為式（2）：

式中：F 為錨索拉斷載荷。

根據彎曲梁理論，梁內應力分量為式（3）：

式中：h 為頂板厚度；q、M 均為梁內載荷。

直接頂上、下表面水平應力為式（4）：

在走向方向上有水平應力σz=kγH，其中k 為側壓系數。

根據材料力學強度理論，可以采用第二強度理論校核，見式（5）。

由于直接頂上表面剪應力為0，則σ1=σx，σ2=0，σ3=σz。

直接頂下表面豎直方向上應力為支護強度，與彎曲應力相比，視為高階小量，此處不計，取σ1=0，σ2=0x，σ3=σz，豎直方向上為第一主應力，也是最大拉應變的方向，其中σs為巖石的抗拉強度，代入強度條件，直接頂上、下表面拉應變為式（6）：

可得，直接頂上表面的最大拉應變在水平方向上；下表面的最大拉應變在水平方向上。

其中彎矩M=∑Fixi，為梁模型中所有載荷的合彎矩，由以上分析可知，采動后M 增加，其中起主要因素的是上覆巖層的壓力。

上方巖層壓力Fq為式（7）：

彎矩M 為式（8）：

式中：L 為巷道中心到頂板采空區端的長度。

以典型留巷為例，L=4.6 m；F=380 kN，代入式（8）和（4）中，可得：M=567.8 MN·m，μkγH=3 MPa，直接頂上表面σx=16 MPa，下表面σx=-16 MPa，其中，直接頂上表面為中砂巖，抗拉強度為σs=10 MPa，下表面為煤層，抗拉強度為0.29 MPa，代入式（6）中，可得直接頂上表面，見式（9）：

直接頂下表面見式（10）：

可以得出上下表面巖層均發生了破壞。由巖石力學理論可知，巖石破碎后會發生擴容，巖層破碎后的厚度hp為式（11）：

式中：k0為擴容系數。

頂板厚度擴容，導致頂板錨索拉力增加，易導致錨索的拉斷失效。

2.2.2 頂板切斷機理

頂板作為懸臂梁，除了承擔正應力外，還有剪應力τxy見式（12）：

最大剪應力τmax為式（13）：

式中：A 為頂板橫截面積，Fs為截面內剪力，由上覆載荷確定。

在煤幫處建立坐標系，此處x=0，上覆載荷為上部巖層施加的壓力，取q，為分析方便可視為均布載荷，見式（14）：

則剪應力τmax為式（15）：

由式（15）可得，懸臂梁截面距離煤幫越遠剪應力越小，同時，與上覆載荷q、梁的長度L 成正相關。對于整個梁，最大剪應力截面處在梁的固支端處，也是巷道上方附近。當工作面推進后，受到采動的影響，上載荷q 升高，頂板內的剪應力也會提高。

梁的破斷有拉破斷和剪斷兩種形式，隨著剪應力的升高，若剪應力首先達到巖層的剪切強度，則易在煤幫及巷道內剪斷，此時煤幫側難以為上覆關鍵塊提供支撐力，只能由充填墻提供，進而在巷道內形成臺階下沉，對充填墻及巷道造成較大破壞。

由式（7）和（8）可得，彎曲變形作用下頂板易破壞，形成松散結構，主要依靠錨桿索的支護作用保持其穩定，但錨桿索的抗剪強度已大幅度下降，易出現剪斷失效進而影響頂板穩定性。在水力致裂的基礎上，增設注漿錨索后，巷道范圍內頂板剪切強度、抗拉強度、剛度值增強，使其遠高于充填墻采空區側，有利于頂板沿充填墻外側切斷，有效避免臺階下沉發生。

3 結語

分析得出典型深井沿空留巷變形特征主要表現為全斷面收斂，頂板錨桿（索）拉斷或松動，鋼帶撕裂；分析得出水力致裂和注漿錨索聯合作用時，水力致裂切頂優化開采覆巖大結構運動形成的應力環境，注漿錨索支護強化小結構加固層；從錨索支護強度和頂板切頂機理兩個方面分析了水力致裂和注漿錨索聯合作用，得出在水力致裂的基礎上，增設注漿錨索后，巷道范圍內頂板剪切強度、抗拉強度、剛度值均增強，使其遠高于充填墻采空區側，有利于頂板沿充填墻外側切斷，保障留巷圍巖的穩定。