尉永邦 孟 波

（1.太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024；2.大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西省大同市，037000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究＊

尉永邦1，2孟 波3

（1.太原理工大學(xué)，山西省太原市，030024；2.大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司，山西省大同市，037000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008）

針對(duì)永定莊煤礦火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖穩(wěn)定性控制的技術(shù)難題，通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查以及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔觀測(cè)得到了3～5＃煤層典型巷道圍巖破碎特征，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，利用霍克－布朗（Hoek－Brown）強(qiáng)度準(zhǔn)則得到了全煤巷道破碎圍巖的宏觀力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而采用組合拱理論對(duì)破碎圍巖巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，優(yōu)化了火成巖侵入全煤巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：高強(qiáng)度、高錨固力、小間排距錨網(wǎng)索支護(hù)方案適用于本礦火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖的穩(wěn)定性控制要求。

巷道支護(hù) 火成巖 破碎圍巖 組合拱

巖漿對(duì)煤層的影響主要是侵蝕作用和烘烤變質(zhì)作用。由于巖漿的侵入，原來(lái)煤質(zhì)以及結(jié)構(gòu)都比較單一的正常煤層往往會(huì)發(fā)展形成包含煌斑巖、硅化煤、混煤和正常煤等多種成分并存的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在全煤巷道中，這種圍巖結(jié)構(gòu)的頂板疏松、強(qiáng)度低，極易破裂成為塊狀甚至粉末狀，誘發(fā)冒頂事故，火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題一直是支護(hù)的難點(diǎn)。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了3～5＃煤層典型巷道圍巖工程地質(zhì)特征，結(jié)合室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到煤的力學(xué)參數(shù)，利用霍克－布朗（Hoek-Brown）強(qiáng)度準(zhǔn)則得到了現(xiàn)場(chǎng)煤體的宏觀力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用組合拱理論對(duì)延伸運(yùn)輸大巷錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了修正，有效減少了巷道的變形以及冒頂事故的發(fā)生，為礦區(qū)其他同類(lèi)巷道的穩(wěn)定性控制提供了參考。

1 工程概況

永定莊煤礦位于大同煤田向斜中段東南側(cè)，井田面積14.43 km2。目前，煤炭開(kāi)采逐漸由侏羅系地層轉(zhuǎn)入下部石炭二疊系地層。

3～5＃煤層位于太原組中上部，煤層厚度13.02～41.63 m，平均23.72 m。受到印支期巖漿侵入以及高溫烘烤作用的影響，3～5＃煤層整體結(jié)構(gòu)及煤質(zhì)都發(fā)生了本質(zhì)的變化。煤層的上部受熱變質(zhì)和硅化，夾矸最多達(dá)18層，煤體的強(qiáng)度和完整性都大幅下降。

3～5＃煤層開(kāi)拓巷道的延伸運(yùn)輸大巷為全煤巷道，原有支護(hù)設(shè)計(jì)雖然考慮到圍巖比較破碎，采用了組合拱理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，但設(shè)計(jì)中涉及的煤的力學(xué)參數(shù)通過(guò)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合莫爾－庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）準(zhǔn)則獲得，沒(méi)有考慮到現(xiàn)場(chǎng)煤體的破碎程度對(duì)煤體整體力學(xué)參數(shù)的影響，導(dǎo)致錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足巷道穩(wěn)定性控制要求，巷道變形較為嚴(yán)重，兩幫內(nèi)擠，局部還伴隨冒頂現(xiàn)象。

2 圍巖變形破裂特征觀測(cè)

通過(guò)Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則得到現(xiàn)場(chǎng)煤體的宏觀力學(xué)參數(shù)的前提是獲得3～5＃煤層延伸運(yùn)輸大巷圍巖內(nèi)部煤體變形破裂特征。本次在3～5＃煤層延伸運(yùn)輸大巷中共布置3個(gè)觀測(cè)斷面，見(jiàn)圖1。第一個(gè)斷面距盤(pán)區(qū)煤倉(cāng)約140 m，與第二個(gè)和第三個(gè)觀測(cè)斷面距離分別為30 m和80 m。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

此次觀測(cè)發(fā)現(xiàn)延伸運(yùn)輸大巷頂板破裂深度為3.6～4 m，明顯大于兩幫。分析認(rèn)為巖漿侵入將煤層切割、侵蝕成碎裂結(jié)構(gòu)，高溫烘烤使其發(fā)生變質(zhì)，產(chǎn)生眾多宏觀、細(xì)觀裂隙，這些裂隙在后續(xù)壓力作用下張開(kāi)、滑移，大大減小了圍巖的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。破裂塊體在二次壓力作用下，往往還會(huì)發(fā)生二次破壞，形成了塊度更小的破裂體。根據(jù)松動(dòng)圈理論，延伸運(yùn)輸大巷屬于不穩(wěn)定圍巖巷道，需利用組合拱理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 圍巖破裂特征觀測(cè)位置示意圖

表1 圍巖破裂特征觀測(cè)結(jié)果

3 破碎圍巖巷道錨固支護(hù)設(shè)計(jì)及施工工藝

3.1 煤體宏觀力學(xué)參數(shù)的確定

本次在3～5＃煤層第二號(hào)和第三號(hào)松動(dòng)圈測(cè)試斷面附近設(shè)置了兩個(gè)煤樣取樣斷面。由于頂板煤層比較破碎，在兩個(gè)取樣斷面共取得30個(gè)長(zhǎng)度合乎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的煤樣。利用電子萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)所得煤樣巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤體力學(xué)參數(shù)

巖體是由巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體，其強(qiáng)度必然受到巖塊和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度及其組合方式（巖體結(jié)構(gòu)）的控制，對(duì)裂隙巖體強(qiáng)度研究比較有效的方法是強(qiáng)度折減法，具體是通過(guò)地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）結(jié)合Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行折減得到巖體強(qiáng)度。

鉆孔巖芯巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）在一定程度上可以反映圍巖破裂程度。根據(jù)兩個(gè)取芯孔揭露的情況，頂板11.5 m范圍為煤層，十分破碎，取出巖芯平均RQD值低于10%。另外，根據(jù)Ⅲ號(hào)觀測(cè)斷面的觀測(cè)結(jié)果，鉆孔攝像能夠分辨的裂隙的數(shù)量多達(dá)23.5條/m（見(jiàn)表1），Ⅰ號(hào)以及Ⅱ號(hào)觀測(cè)斷面相對(duì)較少，分別為15.3條/m以及12.7條/m。

結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料以及鉆孔攝像對(duì)裂隙的統(tǒng)計(jì)情況，根據(jù)文獻(xiàn)3，確定3～5＃煤層延伸運(yùn)輸大巷頂板煤體的GSI值為40。采用廣義的Hoek－Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算巖體內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力公式為：

式中：σc——巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度；

σ3n——最小主應(yīng)力，MPa；

mb、α和s——反映巖體特性的半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

mi——材料常數(shù)，本次計(jì)算取10；

D——考慮工程擾動(dòng)因素的巖體弱化因子，本次取D＝0.7。

將巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的煤的力學(xué)參數(shù)代入式（1）和式（2）中，可以得到延伸運(yùn)輸大巷圍巖的內(nèi)摩擦角φ＝28°，內(nèi)聚力c＝0.07 MPa。由表2可知，完整巖塊的平均內(nèi)摩擦角φ＝30.3°，平均內(nèi)聚力c＝2.7 MPa，破裂巖體與完整巖塊相比內(nèi)聚力大大降低，而摩擦角變化相對(duì)較小。

3.2 理論計(jì)算

國(guó)內(nèi)外研究表明，當(dāng)松動(dòng)圈厚度Lp大于1500 mm時(shí)，錨桿在松動(dòng)圈中主要通過(guò)形成組合拱承載結(jié)構(gòu)的形式加固圍巖。前人對(duì)組合拱承載結(jié)構(gòu)和承載機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，形成了初步的組合拱承載理論，取得了大量有益的成果，但仍然有很多不足，很多研究往往都是用圍巖巖石強(qiáng)度代替破裂巖體強(qiáng)度對(duì)組合拱的承載能力進(jìn)行計(jì)算，忽略了組合拱承載結(jié)構(gòu)中廣泛分布節(jié)理和裂隙對(duì)組合拱承載能力的影響。根據(jù)組合拱理論，組合拱中錨固體強(qiáng)度如下式所示：

式中：Ps——錨桿約束阻力，MPa；

φ＇——為煤體宏觀內(nèi)摩擦角，（°）；

c＇——為煤體宏觀內(nèi)聚力，MPa。

由3.1節(jié)可知，變形破裂后的煤體內(nèi)聚力c＇＝0.07 MPa，與完整煤塊的內(nèi)聚力相比很小，另外，從工程安全角度考慮，變形破裂后的煤體內(nèi)聚力忽略不計(jì)，組合拱中錨固體強(qiáng)度可以簡(jiǎn)化為：

式中：Kr——支護(hù)力的放大系數(shù)。

由式（6）和（7）可以看出，在Kr以及Ps相同的情況下，完整煤塊內(nèi)聚力大大高于煤體內(nèi)聚力，因此，其錨固體強(qiáng)度計(jì)算值偏高，對(duì)于工程穩(wěn)定不利。

根據(jù)文獻(xiàn)，破裂巖體組合拱極限承載力為：

式中：N——極限承載力，MPa；

Qb——錨固力，k N；

L——錨桿長(zhǎng)度，m；

B——錨桿間排距，m；

R——巷道半徑，m。

由式（9）可知，在錨桿錨固力以及長(zhǎng)度一定的情況下，隨著錨桿間排距的增加，組合拱的極限承載能力呈指數(shù)下降趨勢(shì)。最大錨固力為40 k N，長(zhǎng)度為1500 mm，間排距為500 mm×500 mm的錨桿形成組合拱的極限承載力為0.15 MPa；而當(dāng)錨桿間排距為800 mm×800 mm時(shí)，組合拱的極限承載能力僅為0.04 MPa，間排距增加了300 mm，組合拱的承載力下降了近74%，當(dāng)錨固力為其他值時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。由此可以看出，密集的錨桿布置對(duì)于破碎圍巖穩(wěn)定性具有較好的控制效果。

另外，組合拱的厚度隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而增加，其支承能力也會(huì)越來(lái)越大，但如果錨桿錨固力相差不大，單純?cè)黾渝^桿長(zhǎng)度沒(méi)有意義。在間排距同時(shí)為500 mm×500 mm的情況下，錨固力為70 k N，長(zhǎng)度1600 mm的錨桿形成組合拱的承載能力與錨固力為60 k N，長(zhǎng)度2000 mm的錨桿效果基本相同。因此，高錨固力、小間排距的系統(tǒng)錨桿對(duì)破碎圍巖穩(wěn)定性控制較為有效。當(dāng)錨固力為80 k N時(shí)，長(zhǎng)度為2 m，間排距為500 mm×500 mm的錨桿形成的組合拱的承載能力為0.38 MPa，這個(gè)支護(hù)阻力與經(jīng)過(guò)壁后充填后U型鋼可縮性支架的支護(hù)阻力相當(dāng)。前期巷道返修使用了部分U型鋼支架，可以滿足巷道穩(wěn)定性控制要求，但U型鋼支架成本較高，施工費(fèi)力，且占用巷道空間較大，因此，本次使用長(zhǎng)度為2 m，間排距為500 mm×500 mm的錨桿代替U型鋼支架。另外考慮到一定的安全系數(shù)，錨桿錨固力設(shè)計(jì)為100 k N。

3.3 支護(hù)參數(shù)

錨桿采用?22 mm×2000 mm左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，錨固長(zhǎng)度1000 mm以上。錨固力為100 k N，預(yù)緊力不低于60 k N。一般位置頂板間排距500 mm×500 mm，幫部間排距800 mm×500 mm。鋼筋網(wǎng)采用?6 mm圓鋼焊接的經(jīng)緯網(wǎng)，網(wǎng)格規(guī)格100 mm×100 mm。鋼筋梯采用?16 mm圓鋼焊接，且增加錨桿孔間的H形連接筋，規(guī)格為2000 mm×60 mm（長(zhǎng)×寬）。為了防止巖層整體離層而導(dǎo)致冒頂事故的發(fā)生，確保巷道的長(zhǎng)期安全與穩(wěn)定，在頂板采用錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索采用高強(qiáng)度、低松弛、大延伸率1×7結(jié)構(gòu)的鋼絞線，規(guī)格為?17.8 mm×7000 mm，間排距為1500 mm×1500 mm，頂板破碎位置調(diào)整為1500 mm×1000 mm。每根錨索采用規(guī)格為CK2350（超快）、K2350（快速）和Z2350（中速）的樹(shù)脂藥卷各一卷進(jìn)行錨固，安裝預(yù)緊力不低于100 k N，不高于120 k N。

4 支護(hù)效果分析

采用優(yōu)化支護(hù)方案后，3～5＃煤層延伸運(yùn)輸大巷沒(méi)有再出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象，巷道整體性較好，減少了返修成本，確保了施工人員的安全。另外，巷道目前僅使用高強(qiáng)度錨網(wǎng)索支護(hù)，減少了架棚、填充背板等施工工序，開(kāi)拓速度加快，平均每班掘進(jìn)支護(hù)速度提高30%，大大縮短了工期，為3～5＃煤層采面順利投產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。

5 結(jié)論

（1）高溫、高壓巖漿對(duì)煤層的侵蝕、烘烤作用使煤層的完整性大大下降，煤層中產(chǎn)生了大量的節(jié)理裂隙，同時(shí)煤層變?yōu)槎喾N不同變質(zhì)程度煤類(lèi)的集合體，這些因素使全煤巷道支護(hù)條件異常復(fù)雜，頂板極不穩(wěn)定。

（2）通過(guò)工程地質(zhì)資料以及鉆孔攝像觀測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，3～5＃煤層火成巖影響區(qū)主要分布在延伸運(yùn)輸大巷頂板煤層，兩幫煤體完整性較好。

（3）根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及鉆孔攝像觀測(cè)結(jié)果，利用霍克－布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行折減得到了巖體力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而采用組合拱理論對(duì)破碎圍巖巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明：錨桿強(qiáng)度、錨固力以及間排距對(duì)破碎圍巖的穩(wěn)定性控制有著至關(guān)重要的意義。

（4）高強(qiáng)度、高錨固力、小間排距錨網(wǎng)索支護(hù)方案適用于本礦火成巖侵入全煤巷道破碎圍巖的穩(wěn)定性控制，可以為礦區(qū)其他同類(lèi)巷道支護(hù)提供參考。

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Study on control technology of stability of broken surrounding rock in full－coal roadway with igneous rock intrusion

Yu Yongbang1，2，Meng Bo3
（1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；2.Yongdingzhuang Coal Industry Co.，Ltd.，Datong Coal Mine Group，Datong，Shanxi 037000，China；3.School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aiming at the control technology problem of the stability of broken surrounding rock in full－coal roadway with igneous intrusion in Yongdingzhuang Mine，the macro mechanical parameters of broken surrounding rock in full－coal roadway were obtained through indoor rock mechanical experiment and Hoek－Brown strength criterion on the base of typical characteristics of broken surrounding rock in roadway of 3～5＃coal seam got from engineering geological survey and drilling hole observation.Then the stability of roadway with broken surrounding rock was analyzed with combined arch theory，and the support design scheme for the full－coal roadway with igneous intrusion was optimized.The result shows that bolt－mesh－anchor support with high strength，strong anchoring force，small inter－row spacing applies to the stability control of broken surrounding rock in full－coal roadway with igneous rock intrusion.

roadway support，igneous rock，broken surrounding rock，combined arch

TD353

A

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ12－0938）

尉永邦（1968－），男，山西陽(yáng)高人，高級(jí)工程師，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司從事煤礦開(kāi)采技術(shù)研究工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）