張 寧，高明中，經(jīng)來旺，雷成祥

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽淮南232001; 2.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽淮南，232001)

隨著煤礦開采的不斷深入，巷道圍巖地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，地應(yīng)力水平更高，在深部高地應(yīng)力狀態(tài)下，巷道圍巖變形量大、變形速度快、持續(xù)時間長、流變性特別突出［1］，在深部高地應(yīng)力下流變特性及其耦合效應(yīng)已經(jīng)成為巷道支護(hù)過程中不得不考慮的重要問題［2－5］。

深部礦井巷道本質(zhì)上是處于自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力以及地下巷道群次生應(yīng)力的多種應(yīng)力耦合作用下，其穩(wěn)定性與鄰近巷道的開挖、支護(hù)和穩(wěn)定狀態(tài)有著密切的關(guān)系，而以往的巷道支護(hù)設(shè)計中卻很少考慮多種應(yīng)力耦合作用效應(yīng)，以致先后掘進(jìn)的相鄰巷道都可能出現(xiàn)變形破壞和多次返修的情況。超深礦井的軟巖巷道受應(yīng)力耦合作用的影響往往更大，如何在控制巷道圍巖的變形和設(shè)計支護(hù)方案中科學(xué)地考慮多應(yīng)力耦合作用，不僅具有重大的理論意義，而且對如何合理設(shè)計超深礦井巷道位置和控制圍巖變形具有極高的實際意義。本文以淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦為例，進(jìn)行鄰近巷道相互擾動試驗段支護(hù)方案設(shè)計以及檢測，對高應(yīng)力下巷道地應(yīng)力耦合顯現(xiàn)效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 支護(hù)對策研究

1.1 支護(hù)機理

在高地應(yīng)力環(huán)境下，深部巖體的變形特性發(fā)生了根本變化，巷道圍巖的變形表現(xiàn)為明顯的流變或蠕變;巖體的擴容現(xiàn)象突出，表現(xiàn)為鄰近巷道的開挖引起應(yīng)力擾動和轉(zhuǎn)移，致使巖體內(nèi)部的節(jié)理和裂隙緩慢張開，不斷出現(xiàn)新的裂紋從而導(dǎo)致圍巖體積增大并出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。

以控制巷道圍巖的流變及其擴容膨脹為依據(jù)設(shè)計支護(hù)對策，采用錨架組合支護(hù)的剛?cè)岵?jì)的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)方案［6－7］。

針對多應(yīng)力耦合作用巷道具有緩慢大變形和明顯的流變性特點，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)與圍巖變形相協(xié)調(diào)，初期支護(hù)的目的是提高圍巖的自承能力，采用高預(yù)應(yīng)力的索、網(wǎng)、噴結(jié)合支護(hù);之后采用組合鋼拱架的剛性結(jié)構(gòu)支護(hù)，再噴漿保證結(jié)構(gòu)受力的均衡性。整體對策采取圍巖加固、讓壓與支護(hù)相結(jié)合的復(fù)合支護(hù)方式。對于擾動影響產(chǎn)生的高應(yīng)力，要充分卸壓;發(fā)揮好圍巖大變形的自承能力，剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)要適度讓壓，最終要形成圍巖的整體穩(wěn)定支護(hù)體系。

1.2 工程概況

朱集礦1112(1)工作面高抽巷已施工完成千余米，下方的1112(1)工作面運輸巷已施工將近600m，由于兩條巷道相鄰僅約45m左右，并且具有相同的走向，都穿過具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的煤巖地層;兩條巷道的相鄰距離、施工進(jìn)度和地層地質(zhì)條件，都具備了在現(xiàn)場實測深井鄰近巷道多應(yīng)力耦合作用效應(yīng)的基本條件，因此，選擇這兩條巷道做為現(xiàn)場試驗監(jiān)測地點。

1112(1)工作面高抽巷開口位于－906m水平，主要斷面為4800mm×3800mm(已架29號U型棚后尺寸)。掘進(jìn)段巷道距上覆13－1煤層最小垂直距離30.5m，最大垂直距離34.7m;距下伏11－2煤層最小垂直距離 26.5m，最大垂直距離29.8m。完成的巷道后部已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓和支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形情況，并部分實施反修和加固處理。

1112(1)運輸巷設(shè)計標(biāo)高－927.341～－938.181m，斷面為5200mm×3800mm(已架29號U型棚后尺寸)。掘進(jìn)區(qū)段地層為二疊系上統(tǒng)的上石盒子組第三含煤段，開口距13－1煤層底板下50.7m，并揭開11－2煤層。

現(xiàn)場地應(yīng)力實測結(jié)果表明:豎直應(yīng)力≥24MPa，水平應(yīng)力≥27MPa，且兩條巷道處于耦合應(yīng)力作用之下。

1.3 支護(hù)方案

1112(1)工作面高抽巷全部使用29號U型棚支護(hù)，巷道變形控制的關(guān)鍵在于緊固棚腿。由于該巷道是一條臨時巷道，服務(wù)期短，只需將巷道頂?shù)鬃冃慰偭靠刂圃?00～400mm以下，兩幫移近總量控制在150～250mm以下，就能滿足巷道的設(shè)計使用要求，故選擇200m未進(jìn)行臥底處理的巷道進(jìn)行補強支護(hù)的工業(yè)性試驗，補強支護(hù)方案設(shè)計如下:

巷道全斷面噴強度為C20，厚為100mm的水泥，選用22.5的水泥。水泥、瓜子片、黃沙的重量配比為1∶2∶2，水灰比為0.45∶1，速凝劑約為水泥重量的3%。

巷道全斷面充填性注漿，注漿孔每排5個，沿斷面均勻布置，排距3500mm，孔深為2000mm，注漿采用單液水泥漿，水泥選用22.5普通硅酸鹽水泥。水灰比為0.8∶1，注漿設(shè)計壓力為2MPa。

底角錨桿布置見圖1，采用φ22mm×2800mm錨桿，2棚1錨，底角錨桿向外傾斜10～15°。

通過3根鎖棚腿錨桿進(jìn)行補強，錨桿規(guī)格φ22mm×2800mm，錨桿位置如圖2所示，錨桿通過18號槽鋼梁固定在棚腿上。

圖1 巷道補強錨桿設(shè)計位置

圖2 棚腿錨梁補強位置

2 支護(hù)效果監(jiān)測

2.1 觀測點布置

加強段和非加強段分別設(shè)置5個和4個測試斷面，監(jiān)測斷面間隔都是10m，測試拱頂至底板變形、兩幫拱角及拱底變形。

2.2 觀測效果分析

2.2.1 次生應(yīng)力耦合效應(yīng)分析

1112(1)工作面高抽巷試驗段在已有支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了幫部棚腿錨固、全斷面噴漿、局部注漿與打底角錨桿的加固措施，測試支護(hù)結(jié)構(gòu)對巷道群施工次生應(yīng)力的抵御效果。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析如圖3所示。在9月下旬到10月下旬1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭接近并通過實驗巷道，由監(jiān)測的實驗巷道變形速度曲線可以看出在該時間段巷道的變形速度明顯加快，說明巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力對相鄰巷道的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了擾動影響，從而引起巷道圍巖的壓力變大，造成壓脹變形增大，最終導(dǎo)致巷道的變形速度增大。

1112(1)工作面高抽巷原有支護(hù)段在試驗段前部，已經(jīng)歷前期掘進(jìn)擾動處于相對變形緩慢期，監(jiān)測數(shù)據(jù)用于對比1112(1)運輸巷以及試驗段支護(hù)結(jié)構(gòu)受掘進(jìn)次生應(yīng)力的影響效應(yīng)。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。由實際監(jiān)測的原有巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形速度曲線可以看出，在前期未受掘進(jìn)次生應(yīng)力影響時，巷道位移變形速度很低，同樣，在9月下旬到10月下旬1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭接近和通過巷道時，巷道的變形速度也發(fā)生了明顯增加，最大位移速度達(dá)到原有速度的3倍。這說明1112(1)運輸巷的掘進(jìn)次生應(yīng)力對原有高抽巷的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生擾動影響，次生應(yīng)力會引起圍巖應(yīng)力增大，使巷道的變形增大。

圖3 試驗段巷道兩幫和頂?shù)鬃冃嗡俣?/p>

圖4 非試驗段巷道頂?shù)鬃冃嗡俣?/p>

將實際監(jiān)測數(shù)據(jù)按以上時間段進(jìn)行統(tǒng)計，1112 (1)工作面高抽巷的原有支護(hù)段在與1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭靠近前，巷道兩幫的變形速度較低，平均僅有 0.1mm/d，巷道頂?shù)椎淖冃嗡俣葹?.51mm/d;在1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭通過期間，掘進(jìn)次生應(yīng)力的影響作用明顯，兩幫的平均收斂速度達(dá)到0.195mm/d，增大近1倍，頂?shù)椎钠骄諗克俣冗_(dá)到1.19mm/d，增大了約133%。

2.2.2 支護(hù)效果監(jiān)測分析

與非試驗段支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，在1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭靠近前，也就是試驗段巷道支護(hù)措施正在施工階段，因支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未建立，試驗段的平均頂?shù)鬃冃嗡俣容^高，為0.84mm/d。在1112(1)運輸巷掘進(jìn)頭通過期間，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本建成，即使有掘進(jìn)次生應(yīng)力的作用，試驗段的平均頂?shù)鬃冃嗡俣葍H有0.32mm/d，比起之前的變形速度有所下降，這說明試驗段所采用的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力獲得檢驗。相鄰巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力與地應(yīng)力的耦合作用效應(yīng)受到煤巖體流變特性的影響，使得巷道受力持續(xù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致巷道的變形還在繼續(xù)。1112(1)運輸巷掘進(jìn)通過后，對高抽巷原有支護(hù)段和試驗段的收斂變形進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測。經(jīng)過近1個月的地應(yīng)力與次生應(yīng)力的耦合作用，原有支護(hù)段的兩幫平均變形速度為0.24mm/d;頂?shù)灼骄冃嗡俣葹?.52mm/d;試驗段的兩幫平均變形速度為0.10mm/d;頂?shù)灼骄冃嗡俣葹?.19mm/d。

根據(jù)1個月監(jiān)測的變形數(shù)據(jù)分析，與1112 (1)運輸巷掘進(jìn)通過時相比，巷道變形速度明顯降低，變形增加緩慢。試驗段巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)與原有支護(hù)結(jié)構(gòu)比，巷道整體收斂量明顯減小，說明采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地控制了變形，使得巷道受力處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)朱集礦在深井高地應(yīng)力條件下，地應(yīng)力與巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力的耦合作用對相鄰巷道有明顯影響，會造成相鄰巷道的壓力增加，原有支護(hù)結(jié)構(gòu)下的巷道收斂變形量和變形速度都明顯增大。

(2)礦壓監(jiān)測表明，朱集礦深井地壓條件下，1112(1)工作面高抽巷運輸巷掘進(jìn)通過時巷道兩幫的變形速度由原來的0.1mm/d增大到0.195mm/ d;既有支護(hù)結(jié)構(gòu)頂?shù)装宓淖冃嗡俣扔?.51mm/d增大到1.19mm/d，既有支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖壓脹變形能力不夠。

(3)采用錨架組合支護(hù)方案的試驗段巷道在地應(yīng)力和開挖次生應(yīng)力耦合作用下的頂?shù)装遄冃嗡俣葍H為 0.32mm/d，遠(yuǎn)低于原有支護(hù)方式時的1.19mm/d，說明采用控制巷道幫部圍巖膨脹變形的錨架組合支護(hù)方案可以有效抵抗巷道掘進(jìn)次生應(yīng)力的耦合顯現(xiàn)效應(yīng)。

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