張 鎮(zhèn)

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

雙動(dòng)壓影響破碎巷道圍巖加固技術(shù)研究

張 鎮(zhèn)1，2

(1.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

古書院礦94206巷經(jīng)受臨近工作面回采動(dòng)壓影響后圍巖破碎、變形嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)正常使用，而該巷仍需服務(wù)于本工作面回采。針對(duì)這種情況，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、圍巖窺視和理論分析的方法，進(jìn)行了巷道圍巖變形機(jī)理分析，提出了巷道圍巖控制措施。認(rèn)為巷道變形是由圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育、采動(dòng)影響和原有支護(hù)強(qiáng)度較低等因素綜合作用引起的，圍巖變形控制的關(guān)鍵是抑制圍巖的不連續(xù)變形，避免破碎圍巖的進(jìn)一步惡化、離層和錯(cuò)動(dòng)，將圍巖保持為一個(gè)整體，提高圍巖的自承載能力。采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在加固維修和二次動(dòng)壓影響期間巷道變形量均處于可控范圍。

雙動(dòng)壓；破碎巷道；圍巖加固；二次動(dòng)壓

隨著煤炭產(chǎn)量的增加，采掘銜接緊張，往往在上一工作面回采過(guò)程中就需要掘進(jìn)下一個(gè)工作面回采巷道，該巷道即受上工作面回采動(dòng)壓影響，又要經(jīng)受本工作面回采動(dòng)壓影響，形成雙動(dòng)壓影響，巷道變形嚴(yán)重[1-3]。動(dòng)壓影響回采巷道加固也是一個(gè)支護(hù)難題，目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的支護(hù)方式有加密支護(hù)、錨桿錨索架棚支護(hù)、錨注聯(lián)合支護(hù)和卸壓等。這些方法要么施工復(fù)雜，支護(hù)成本高昂；要么被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)效果不理想[4-9]。因此尋求經(jīng)濟(jì)、有效、合理的動(dòng)壓影響破壞巷道加固方式頗為重要。本文針對(duì)古書院礦94206巷受雙動(dòng)壓影響圍巖松軟破碎的情況，采用以錨桿、錨索為基礎(chǔ)的巷道圍巖加固方法，通過(guò)提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度，改善圍巖的完整性，提高圍巖的自承能力，進(jìn)而達(dá)到經(jīng)濟(jì)、有效、合理的支護(hù)狀態(tài)。

1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

古書院礦94303及94304工作面巷道布置如圖1所示。94206巷服務(wù)于94303工作面，因采掘銜接緊張，在94304工作面回采之前掘出，94206巷與94207巷之間煤柱寬30m，因此94206巷既受到94304工作面的回采動(dòng)壓影響，又要經(jīng)受94303工作面的回采動(dòng)壓影響。

圖1 工作面巷道布置

94206巷沿9號(hào)煤頂板掘進(jìn)，9號(hào)煤平均厚度為1.5m，抗壓強(qiáng)度為7.9～16.2MPa，直接頂為K4灰?guī)r和砂質(zhì)泥巖，基本頂為細(xì)粒砂巖，底板為泥巖和K3灰?guī)r，煤層頂?shù)装鍫顩r如表1所示。該區(qū)域最大水平主應(yīng)力為9.6MPa，最小水平主應(yīng)力為6.28 MPa，最大水平主應(yīng)力方向N32.7°E。垂直主應(yīng)力為5.32MPa，該區(qū)域?yàn)榈椭祽?yīng)力區(qū)，以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。

表1 9號(hào)煤頂?shù)装鍫顩r

巷道斷面為矩形，寬×高為3700mm×2200mm，巷道原采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板采用φ18mm×2000mm，MSGLW-400左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排4根，排距1200mm，中間2根錨桿間距1200mm，兩側(cè)錨桿間距1000mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，配合鋼筋梯梁護(hù)頂，沿頂板中間布置1根錨索，錨索規(guī)格SKP15.24-1/1860-5400，排距2400mm；兩幫采用φ16mm×1600mm，MSGM-235圓鋼錨桿，間距800mm，三花布置，排距1200mm，樹(shù)脂端部錨固，錨桿預(yù)緊力矩為100N·m，錨索預(yù)緊力為100kN。

94303工作面回采后，巷道發(fā)生強(qiáng)烈變形，頂?shù)装逡平窟_(dá)到1200mm，兩幫移近量達(dá)到700～900mm，巷道頂?shù)讕捉]合，頂板破碎、下沉，底板鼓起，已經(jīng)無(wú)法正常使用，必須進(jìn)行修復(fù)，因該巷道還要經(jīng)受94304工作面的采動(dòng)影響，因此對(duì)94206巷受雙動(dòng)壓影響破碎巷道進(jìn)行有效加固支護(hù)尤為重要。

2 巷道圍巖破壞范圍及機(jī)理分析

2.1巷道圍巖破壞范圍探測(cè)

為準(zhǔn)確了解巷道圍巖的破壞范圍及破壞特征，對(duì)94206巷頂板及兩幫進(jìn)行圍巖結(jié)構(gòu)窺視，窺視結(jié)果如圖2所示。

圖2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)窺視

從圖2可以看出，頂板破壞范圍主要在0～3.25m范圍之內(nèi)，節(jié)理裂隙發(fā)育，特別是孔口400mm范圍內(nèi)巖體破碎，呈現(xiàn)松散狀、碎塊狀。兩幫煤體0～1.4m范圍內(nèi)為破碎區(qū)，1.4～2.3m范圍內(nèi)為軟弱區(qū)。巷道圍巖的破壞特征是巷道全斷面整體變形，頂板和兩幫淺部巖體在動(dòng)壓作用下發(fā)生破碎，頂板鼓包、離層，兩幫鼓出伴隨強(qiáng)烈底鼓，且巷道圍巖破壞范圍大，達(dá)到巷道斷面的1.2～1.6倍。

2.2 巷道圍巖破壞機(jī)理分析

2.2.1 巷道圍巖巖性

巷道變形的內(nèi)因是巷道圍巖結(jié)構(gòu)偏弱，從煤層頂?shù)装鍘r性分析來(lái)看，除煤層強(qiáng)度偏弱外，其頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度均較高，但是頂?shù)装鍑鷰r層理發(fā)育，內(nèi)部含有較多的其他礦物，膠結(jié)程度差。巖體由巖石和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，決定巖體強(qiáng)度的往往是結(jié)構(gòu)面，對(duì)于本巷道的圍巖來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)面發(fā)育，造成巖體整體強(qiáng)度較低是巷道破壞的內(nèi)在因素。

2.2.2 采動(dòng)影響

采動(dòng)影響是造成巷道破壞的直接外因。巷道圍巖中原生的節(jié)理、裂隙在采動(dòng)應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展、發(fā)育，新裂隙不斷產(chǎn)生和生長(zhǎng)，將圍巖切割成不同形狀、不同尺寸的塊體，而分割形成的塊體又在采動(dòng)應(yīng)力的作用下發(fā)生滑移、錯(cuò)動(dòng)，最終導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)破壞。

2.2.3 原有支護(hù)不合理

原有支護(hù)強(qiáng)度和剛度均較低，錨桿錨索施加預(yù)緊力小，且護(hù)表構(gòu)件面積小，預(yù)緊力無(wú)法有效擴(kuò)散，使本來(lái)強(qiáng)度較低、松軟的兩幫在采動(dòng)應(yīng)力影響下發(fā)生塑性流動(dòng)變形，破壞范圍加大，兩幫承載能力降低進(jìn)一步導(dǎo)致頂板的離層、下沉和破碎。同樣，頂板層狀發(fā)育巖體在弱支護(hù)狀態(tài)下受動(dòng)壓影響后節(jié)理、裂隙發(fā)育、發(fā)展，巖體破壞成碎塊狀，造成支護(hù)系統(tǒng)失效，圍巖破壞范圍加大。

在上述多種因素的綜合作用之下，巷道圍巖發(fā)生裂隙發(fā)育、松動(dòng)離層、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而破壞。

3 破碎圍巖控制機(jī)理及工程實(shí)踐

3.1 破碎圍巖控制機(jī)理

根據(jù)破碎圍巖的破壞機(jī)理，動(dòng)壓影響破碎圍巖的控制主要是恢復(fù)圍巖完整性，提高圍巖的自承能力。圍巖完整性恢復(fù)的方法主要有注漿加固、高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)等，其中注漿加固具有充填圍巖裂隙、粘合破碎巖體的作用，恢復(fù)圍巖完整性效果突出，但存在工藝復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高的問(wèn)題[10]；高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)破碎圍巖施加足夠的預(yù)緊力使破碎圍巖在錨固系統(tǒng)的作用下形成預(yù)應(yīng)力組合體實(shí)現(xiàn)圍巖自承載的作用[11]，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)高預(yù)應(yīng)力的施加增加破碎塊體間的摩擦阻力，提高圍巖峰后強(qiáng)度。對(duì)于受過(guò)一次采動(dòng)影響的工作面巷道來(lái)說(shuō)，由于其僅服務(wù)于本工作面回采，服務(wù)時(shí)間較短，維護(hù)要求相對(duì)較低，采用注漿加固的方法維護(hù)巷道圍巖費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，性價(jià)比低，因此易采用相對(duì)簡(jiǎn)單，但支護(hù)效果也較出色的高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的控制要點(diǎn)如下：

(1)大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，即增加錨固長(zhǎng)度、提高支護(hù)系統(tǒng)預(yù)緊力并實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)散、提高支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度抵抗強(qiáng)烈動(dòng)壓影響。有效控制圍巖不連續(xù)變形，保持圍巖的完整性，同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有較大的連續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放，最大限度地保持圍巖完整性，盡量減少圍巖強(qiáng)度的降低。

(2)高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)關(guān)鍵在于通過(guò)高預(yù)應(yīng)力使錨固區(qū)形成剛度較大的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，抑制圍巖的離層、錯(cuò)動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形，使圍巖成為承載的主體。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生大變形的巷道，若破碎嚴(yán)重則需將破碎巖體移除后通過(guò)施加高預(yù)緊力抑制圍巖的繼續(xù)變形，若圍巖破碎不嚴(yán)重，則通過(guò)高預(yù)緊力將原有裂隙壓縮，保證預(yù)應(yīng)力的有效傳遞。

(3)錨桿預(yù)應(yīng)力及其有效擴(kuò)散對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。支護(hù)系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力作用于巷道圍巖并在其中有效擴(kuò)散，可以大大改善圍巖的受力狀態(tài)，使圍巖處于受壓工作模式，提高圍巖的抗彎、抗拉和抗剪能力，保證巷道圍巖的完整性。

3.2 工程實(shí)踐

頂板采用φ20mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋BHRB400錨桿，長(zhǎng)度2.0m，在原支護(hù)兩排錨索中間補(bǔ)打4根錨桿，錨桿排距2400mm，間距1200mm，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，采用經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂，錨桿預(yù)緊力不小于300N·m；錨索規(guī)格為SKP15.24-1/1860-5400，在已打錨索斷面上靠近巷幫位置補(bǔ)打1根錨索，邁步式布置，錨索間距1200mm，排距2400mm，采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，錨索預(yù)緊力不小于150kN。

兩幫錨桿規(guī)格同頂板，每排2根，排距1200mm，間距1000mm，垂直巷幫打設(shè)，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，兩幫掛網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為2200mm×1300mm的經(jīng)緯網(wǎng)，錨桿預(yù)緊力不小于300N·m，兩幫采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索直徑為15.24mm，長(zhǎng)度5400mm，每排每幫布置1根錨索，錨索排距2400mm，布置在兩排錨桿中間，距巷道底板的高度為500mm。

巷道支護(hù)布置如圖3所示。

圖3 巷道錨桿支護(hù)

3.3 井下監(jiān)測(cè)

巷道加固完成后，進(jìn)行了巷道變形監(jiān)測(cè)，加固期間監(jiān)測(cè)曲線如圖4所示。

圖4 巷道加固期間變形觀測(cè)曲線

在巷道加固期間，巷道位移逐漸升高，大約在工作面后方40～50m趨于平緩，巷道變形趨于穩(wěn)定，其中兩幫變形為26mm，頂?shù)装遄冃螢?9mm，巷道變形以頂?shù)装遄冃螢橹鳎瑑蓭妥冃未沃?，其中底鼓為主要變形，底鼓約為頂?shù)装蹇傋冃瘟康?9%?？傮w來(lái)說(shuō)巷道變形量很小，在有效控制范圍之內(nèi)。

工作面回采期間巷道圍巖變形曲線見(jiàn)圖5。

圖5 回采期間巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

巷道變形隨距離工作面的增加而逐漸減小，超前影響范圍約為100m。巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?16mm，兩幫變形量為141mm，巷道變形以頂?shù)装遄冃螢橹?，兩幫變形次之，其中底鼓為主要變形。總體來(lái)說(shuō)，回采期間巷道變形量并不大，錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)能夠有效控制圍巖的變形。

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)巷道在受到一次動(dòng)壓影響后巷道變形嚴(yán)重，圍巖破壞范圍達(dá)到巷道斷面的1.2～1.6倍。巷道變形是由圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育、采動(dòng)影響和原有支護(hù)強(qiáng)度較低等因素綜合作用而引起的。

(2)巷道圍巖變形控制的關(guān)鍵是抑制圍巖的不連續(xù)變形，避免破碎圍巖的進(jìn)一步惡化、離層和錯(cuò)動(dòng)，將圍巖保持為一個(gè)整體，提高圍巖的自我承載能力。對(duì)于經(jīng)受雙動(dòng)壓影響的破碎回采巷道確定采用高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)。

(3)井下礦壓監(jiān)測(cè)表明，巷道加固維護(hù)期間

頂?shù)装遄冃瘟繛?9mm，兩幫變形量為26mm，受回采工作面二次動(dòng)壓影響期間，頂?shù)装遄冃瘟繛?16mm，兩幫變形量為141mm，巷道變形均以底鼓為主。巷道變形量在控制范圍之內(nèi)，聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)能夠有效控制圍巖變形。

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[責(zé)任編輯：林健]

SurroundingRockReinforcementTechnologyofCrackedRoadwayInfluencedbyDoubleDynamicPressure

ZHANG Zhen1,2

(1.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China; 2.Coal Mining & Designing Research Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Influenced by mining dynamic pressure of adjacent face, Surrounding rock of 94206 roadway was broken and roadway deformation was too large to be used continually in Gushuyuan Colliery.Comprehensively applying on-the-spot investigation, bore-hole peep and theoretical analysis method, surrounding rock deformation mechanism was analyzed and corresponding controlling measures was present.It was believed that roadway deformation was induced by integrated factors including structural planes, mining influence and lower supporting intensity.The key to controlling deformation was restricting discontinuous deformation of surrounding rock, avoiding further broken, separation and rupture, keeping surrounding rock as a whole and improving bearing ability of surrounding rock.Combined supporting system of anchored bolt and cable with high pre-stress was applied in roadway.Result showed that roadway deformation value was within controllable range at the period of reinforcement and secondary dynamic pressure influence.

double dynamic pressure; cracked roadway; surrounding rock reinforcement; secondary dynamic pressure

2014-01-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.023

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAB13B02)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013QN011)；天地科技開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2013-TDKC-17)

張 鎮(zhèn)(1980-)，男，山東齊河人，博士研究生，助理研究員，主要從事巷道礦壓與支護(hù)技術(shù)方面的研究。

張 鎮(zhèn).雙動(dòng)壓影響破碎巷道圍巖加固技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(4)：77-80.

TD353.6

A

1006-6225(2014)04-0077-04