徐佑林，劉德成，吳旭坤，曹佐勇，高永雄，張仁松，周 澤，周 波，許猛堂，張 輝

（1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.安徽昊成礦業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，安徽 合肥 230000；4.貴州煤礦安全監(jiān)察局，貴州 貴陽 550004；5.貴州紫森源集團(tuán)投資有限公司，貴州 盤州 553503；6.貴州致遠(yuǎn)工程技術(shù)咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；7.貴州灣田煤業(yè)集團(tuán)有限公司 湘橋煤礦，貴州 盤州 553503）

0 引 言

隨著煤礦開采深度的增加，開采擾動強(qiáng)度不斷增大，強(qiáng)動壓作用下“三軟”煤層巷道支護(hù)更加困難［1］。 該類巷道圍巖軟弱破碎，一旦受到強(qiáng)動壓影響，巷道圍巖變形更加強(qiáng)烈，易造成冒落失穩(wěn)、支架破壞等一系列事故，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)［2-4］，眾多學(xué)者針對“三軟”煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)制及相應(yīng)控制措施進(jìn)行了研究，并取得了富有成效的成果。 在“三軟”煤層采動應(yīng)力方面，夏洪春等［5］分析了“三軟”煤層超長工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及應(yīng)力分布特征，得到“三軟”煤層超長工作面的頂、底板控制技術(shù)。 李春杰等［6］研究了沿空留巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，得到了原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)及應(yīng)力降低區(qū)的準(zhǔn)確分布。 唐建新等［7］得到“三軟”煤層回采巷道圍巖破壞模式和支護(hù)失效機(jī)制，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖-支護(hù)承載結(jié)構(gòu)喪失承載力。 王琦等［8］以典型“三軟”煤層——龍口礦區(qū)梁家煤礦4606 工作面為工程背景，對4606 沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)制進(jìn)行分析，提出了具有針對性的圍巖控制措施。 在“三軟”煤層巷道圍巖控制措施方面，康紅普等［9］針對強(qiáng)采動影響下軟巖巷道圍巖大變形問題，分析高地應(yīng)力與超長工作面強(qiáng)采動應(yīng)力疊加作用下巷道圍巖大變形機(jī)理，提出強(qiáng)采動巷道支護(hù)-改性-卸壓協(xié)同控制理念，有效控制了千米深井、軟巖、強(qiáng)采動巷道大變形。 徐佑林等［10］分析了軟巖巷道圍巖的變形機(jī)理，提出再造承載拱的巷道支護(hù)體系，對強(qiáng)動壓影響下的巷道圍巖控制取得較好效果。 孫利輝等［11］針對強(qiáng)動壓影響下松軟煤層巷道巷幫變形破壞問題，分析巷幫變形破壞特征，研究其滑移變形機(jī)理，提出巷幫錨注加固技術(shù)，并在井下試驗(yàn)工程中取得較好的成效。

綜上所述，相關(guān)學(xué)者開展了眾多關(guān)于“三軟”煤層巷道圍巖控制技術(shù)的研究，然而隨著開采擾動強(qiáng)度的增加，單一支護(hù)技術(shù)手段難以控制“三軟”煤層圍巖穩(wěn)定性。 鑒于此，筆者以典型“三軟”煤層礦井仲恒煤礦115-101 北翼回風(fēng)巷為工程背景，對“三軟”煤層回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理以及破壞特征進(jìn)行分析研究，提出“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖綜合控制理論，利用爆破卸壓使圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，改變圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，降低圍巖應(yīng)力集中程度，采用加固材料進(jìn)行封孔，提高加固段整體強(qiáng)度，保證強(qiáng)動壓影響下巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程背景

仲恒煤礦115-101 回采工作面位于井田一采區(qū)，115-101 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長度540 m，該巷道東鄰13201 里運(yùn)輸巷，西鄰10801-1 工作面采空區(qū)，巷道埋深350 m。 115-101 工作面開采15-1 號煤層，煤層厚度2.0 m，煤層傾角33°，煤層頂?shù)装鍘r層以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，工作面煤巖柱狀如圖1 所示。

2 巷道圍巖變形破壞機(jī)理

2.1 巷道支護(hù)現(xiàn)狀及破壞原因分析

2.1.1 支護(hù)現(xiàn)狀

115-101 回風(fēng)巷為半圓拱斷面，巷道凈寬4 400 mm，高3 000 mm，凈斷面積10.7 m2，原支護(hù)形式為29U 型鋼半圓拱，棚距0.5 m，每架U 型鋼增加1 根單體液壓支柱增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。

據(jù)井下實(shí)際情況（圖2），巷道總體變形破壞較為嚴(yán)重，加強(qiáng)支護(hù)的單體支柱出現(xiàn)向煤層傾向方向偏斜，巷道底鼓量普遍在800～1 000 mm（圖3），巷道已滿足不了通風(fēng)、運(yùn)輸、行人需要。

圖1 115-101 北翼工作面煤巖柱狀Fig.1 Coal and rock column diagram of No.115-101 north wing working face

圖2 巷道變形Fig.2 Roadway deformation

2.1.2 巷道變形破壞原因分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測和資料收集分析巷道變形破壞原因，主要有以下3 點(diǎn)。

1）巷道圍巖穩(wěn)定性差。 115-101 北翼回風(fēng)巷頂?shù)装鍘r性為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定性極差，在掘進(jìn)時易發(fā)生頂板塌陷、底鼓、片幫等事故，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.30 ～0.45，屬于極軟煤層。 圍巖穩(wěn)定性差是巷道受到強(qiáng)動壓后易變形破壞的主要因素。

圖3 115-101 北翼回風(fēng)巷變形示意Fig.3 Schematic of roadway deformation of No.115-101 north wing tail entry

2）構(gòu)造應(yīng)力影響。 仲恒煤礦位于盤關(guān)向斜西翼中段，屬紙廠井田南半部。 井田南翼煤層傾角為31°～33°，北翼煤層傾角為62°～65°。 空心包體應(yīng)變計(jì)在深入巷道底幫8.45 m 處測量的地應(yīng)力為30.8 MPa，故115-101 北翼回風(fēng)巷正處于由緩變陡的構(gòu)造應(yīng)力范圍內(nèi)。

3）巷道布置不合理，受采動影響強(qiáng)烈（圖4）。由圖4 可知，115-101 北翼回風(fēng)巷上方45 ～48 m 有10801-1 工作面和13201 工作面。 強(qiáng)動壓影響明顯是巷道圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素，現(xiàn)場隨時可以聽到巖層斷裂聲，巷道支護(hù)困難。

圖4 巷道布置剖面Fig.4 Sectional view of roadway layout

2.2 115-101 回風(fēng)巷采動應(yīng)力演化及圍巖變形分析

115-101 北翼回風(fēng)巷周圍工作面布置眾多，巷道受到多次采動影響，采動應(yīng)力的演化是該巷破壞的重要原因。 因此，分析115-101 回風(fēng)巷鄰近工作面開采對巷道圍巖變形的影響，得到巷道圍巖的變化特征，掌握采動應(yīng)力的演化是對115-101 回風(fēng)巷進(jìn)行合理支護(hù)的必要條件。

根據(jù)115-101 回風(fēng)巷與鄰近工作面的相對位置關(guān)系，采用UDEC 數(shù)值軟件建立數(shù)值模型。 為分析115-101 回風(fēng)巷在工作面開采過程中的應(yīng)力變化狀況，在巷道圍巖的左右兩幫以及頂、底板各布置1 條測線，測線長10 m，測線上各分布10 個測點(diǎn)，如圖5 所示。 數(shù)值分析巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2.1 采動應(yīng)力演化分析

為分析工作面開采對115-101 回風(fēng)巷圍巖造成的影響，在115-101 回風(fēng)巷圍巖深2 m 處布置監(jiān)測點(diǎn)，記錄開采過程中各個測點(diǎn)的最大主應(yīng)力，各監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力變化如圖6 所示。

表1 巖（煤）物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock（coal） physical mechanics parameters

圖6 各監(jiān)測點(diǎn)主應(yīng)力變化Fig.6 Variation of principal stress of each monitoring point

由圖6 可知，隨著工作面的不斷回采，各個監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)均發(fā)生了變化，其中，10801-1 工作面位于115-101 回風(fēng)巷上方，其開采對巷道圍巖影響相對較小，而13201 工作面開采則直接影響了其底板以及巷道右?guī)偷牟蓜討?yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致巷道底板和巷道右?guī)筒蓜討?yīng)力急劇卸載，其中巷道底板采動應(yīng)力變化趨勢最為明顯。 由此可見，10801-1 工作面與13201 工作面對115-101 回風(fēng)巷的影響程度并不一致，115-101 回風(fēng)巷圍巖主要受13201 工作面的影響，且以右?guī)团c底板受影響最為嚴(yán)重。

2.2.2 巷道圍巖破壞特征分析

巷道圍巖塑性區(qū)分布以及巷道圍巖最大主應(yīng)力分布特征如圖7、圖8 所示。

圖7 115-101 回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布狀況Fig.7 Distribution of plastic zone in surrounding rock of No.115-101 tail entry

圖8 115-101 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布情況Fig.8 Stress distribution in surrounding rock of No.115-101 tail entry

由圖7、圖8 可知，在工作面開采完成以后，115-101 回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)主要集中分布于巷道底腳，右?guī)蛶r塊發(fā)生了垮落，巷道的頂板以及左幫圍巖狀況較好。 由圖8 可知，巷道淺部圍巖在采動應(yīng)力的作用以及巷道開挖的作用下發(fā)生了應(yīng)力卸載現(xiàn)象，說明淺部圍巖發(fā)生了破壞，而在距巷道壁5～6 m處，巷道應(yīng)力達(dá)到最大值，在距巷道壁6 m 以外圍巖應(yīng)力逐漸趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)。 說明115-101 回風(fēng)巷圍巖松動圈范圍在圍巖0～5 m 處，采動應(yīng)力集中在圍巖5～6 m 處。

綜上所述，115-101 回風(fēng)巷圍巖破壞以巷道的兩處底腳最為嚴(yán)重，且115-101 回風(fēng)巷圍巖的破壞范圍為距離巷道壁0～5 m，在5～6 m 處巷道圍巖承載性能較好，此處圍巖應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)。

3 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制原理及工程應(yīng)用

3.1 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制原理

目前，通過改變巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，使巷道周邊高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，從而保證巷道長期穩(wěn)定，采用的巷道卸壓方法主要有鉆孔卸壓［12-14］、爆破卸壓［15-17］、無煤柱開采及切縫等［18-20］。 基于此，筆者針對115-101 回風(fēng)巷現(xiàn)有支護(hù)形式已經(jīng)達(dá)不到有效支護(hù)的情況，根據(jù)上述破壞原理及應(yīng)力控制原理提出“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制理念，主要包括卸壓、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和巷道圍巖加固3 個部分，其原理思想如圖9 所示。

圖9 “卸-轉(zhuǎn)-固”原理Fig.9 “Pressure relief-stress transfer-reinforce” principle diagram

爆破卸壓：通過在巷道幫腳應(yīng)力集中區(qū)施工卸壓孔進(jìn)行爆破，使深部圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能以變形破裂的形式釋放，將原來的應(yīng)力集中區(qū)變?yōu)樾秹簠^(qū)。

應(yīng)力轉(zhuǎn)移（核心技術(shù)）：爆破后，圍巖應(yīng)力重新分布，重新形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，并使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，降低巷幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中；會在巷道周圍表層一定范圍內(nèi)形成低應(yīng)力卸壓圈，而在圍巖深部形成了應(yīng)力集中的自承載圈，集中應(yīng)力主要由該自承載圈的巖體承擔(dān)。 該自承載圈的巖體位于圍巖深部，基本處于三向應(yīng)力狀態(tài)，穩(wěn)定性得到很大提高。

加固（起關(guān)鍵控制作用）：爆破產(chǎn)生的爆轟壓力對松軟圍巖具有擠壓作用，將松散巖體壓緊，進(jìn)而對圍巖進(jìn)行加固（根據(jù)實(shí)際情況，巷道卸壓孔會同時安裝錨索，在爆破圍巖穩(wěn)定后安裝托盤，進(jìn)行張拉，施加高預(yù)緊力進(jìn)行加固）。

3.2 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)及工藝

根據(jù)現(xiàn)場巷道支護(hù)形式和變形破壞情況及巷道服務(wù)周期，結(jié)合煤巖特征和煤層頂?shù)装鍘r性，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，最終確定加固巷道淺部0 ～5 m 的圍巖，在巷道深5～6 m 處采用爆破方式形成卸壓區(qū)，具體施工工藝如下。

1）卸壓孔施工。 采用ZDY650 鉆機(jī)在巷道幫腳以傾角35°向下打?75 mm、深6 100 mm 的鉆孔，鉆孔間距1 500 mm。 鉆孔布置如圖10 所示。

圖10 鉆孔布置Fig.10 Drilling layout

2）爆破卸壓。 在卸壓孔深部封閉空間內(nèi)進(jìn)行爆破（圖11），卸壓孔用?32 mm×1 000 mm PVC 管裝三節(jié)?32 mm×300 mm 乳化炸藥實(shí)施爆破。

3）加固封孔段。 利用自制封孔設(shè)備將加固材料通過壓風(fēng)填入卸壓孔，加固材料為合成的混凝土，質(zhì)量比為水泥∶細(xì)沙∶水＝1 ∶2 ∶1，細(xì)沙粒徑小于5 mm，提高封孔加固段整體巖體強(qiáng)度。

4 “卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)應(yīng)用效果分析

4.1 巷道圍巖應(yīng)力變化分析

試驗(yàn)在原支護(hù)基礎(chǔ)上采用“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)方案，實(shí)施長度20 m，其余巷道段均采用原支護(hù)方案，在115-101 回風(fēng)巷措施實(shí)施段和未實(shí)施段分別布置1 個測站，每個測站共計(jì)3 個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)相距2 m（深度6、10、14、18 m），采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測巷道圍巖應(yīng)力變化情況，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖12 所示（由于現(xiàn)場煤層條件限制，鉆孔容易出現(xiàn)塌孔，實(shí)際安裝深度分別為5、6、9、9.5 m）。

圖11 鉆孔裝藥、加固結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Schematic of drilling charge and reinforcement structure

圖12 鉆孔應(yīng)力測點(diǎn)布置Fig.12 Layout of borehole stress measurement points

通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，得到巷道圍巖應(yīng)力的變化曲線，圖13 中1、2、3 號為試驗(yàn)段巷道的圍巖應(yīng)力變化曲線，4、5、6 號為原支護(hù)段的圍巖應(yīng)力變化。

圖13 巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律Fig.13 Stress change laws of surrounding rock of roadway

由圖13 可知，試驗(yàn)段巷道1 號孔深度9 m，初始應(yīng)力4.08 MPa，在30 d 內(nèi)，圍巖應(yīng)力以0.24 MPa/d的速率增長，30 d 后，圍巖應(yīng)力穩(wěn)定在7.37 MPa，無明顯變化；2 號孔深度6 m，初始應(yīng)力3.15 MPa，在監(jiān)測期間54 d 內(nèi)，巷道圍巖應(yīng)力逐漸降低，在48 d 時降為0；3 號孔深度5 m，初始應(yīng)力4.06 MPa，巷道圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定，在48 d 時，圍巖應(yīng)力在5.43 MPa左右波動。 由于未試驗(yàn)段巷道4 號孔的鉆孔應(yīng)力設(shè)備損壞，無數(shù)值不作考慮；5 號孔深度9 m，初始應(yīng)力4.12 MPa，巷道圍巖應(yīng)力以0.37 MPa/d 速率呈線性增大，在54 d 時已達(dá)到20.14 MPa；6 號孔深度9.5 m，初始應(yīng)力3.86 MPa，在0～40 d，巷道圍巖應(yīng)力急劇增大，速率達(dá)到0.748 MPa/d，監(jiān)測40 d 后，巷道圍巖應(yīng)力增加有所減緩，在54 d 時已達(dá)到30.46 MPa，由此可知，采用“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)，降低了巷道兩幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中程度，并將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部，有效控制了巷道圍巖變形速度。

4.2 巷道圍巖變形規(guī)律分析

為了監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰频淖兓?15-101 北翼回風(fēng)巷設(shè)置2 個觀測站，1 號站（采用“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)）和2 號站（原支護(hù)），巷道表面位移觀測結(jié)果如圖14 所示。

由圖14 可知，未試驗(yàn)段巷道圍巖變形量較大，在50 d 內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平?34 mm，兩幫最大移近量487 mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量大于兩幫，0 ～30 d圍巖變形速率很大，頂?shù)装逡平俾蔬_(dá)到12.97 mm/d，兩幫移近速率最大達(dá)到12 mm/d，30 d 后巷道圍巖變形速率有所減緩，但巷道圍巖依舊沒有穩(wěn)定，變形仍有增大的趨勢。 試驗(yàn)段巷道圍巖初期變形較快，在30 d 后，巷道圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装遄畲笠平?05 mm，兩幫最大移近量195 mm，頂?shù)装逡平俾?.1 mm/d，兩幫移近速率為3.9 mm/d。

通過以上巷道圍巖變形監(jiān)測情況可知，采用“卸-轉(zhuǎn)-固”和U 型鋼聯(lián)合支護(hù)技術(shù)時，在30 d 內(nèi)，圍巖頂?shù)装逡平勘任丛囼?yàn)段巷道降低79.43%，兩幫移近量比未試驗(yàn)段巷道移近量降低54.17%。 說明在“卸-轉(zhuǎn)-固”技術(shù)下，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖14 巷道圍巖變形規(guī)律Fig.14 Deformation law of surrounding rock of roadway

5 結(jié) 論

1）采用UDEC 數(shù)值軟件建立數(shù)值模型，分析了115-101 回風(fēng)巷受上部10801-1 和13201 工作面采動影響，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，分析了巷道圍巖變形破壞原因，得到圍巖軟弱是巷道受到強(qiáng)動壓后易變形破壞的主要因素，強(qiáng)動壓影響是加劇圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素。

2）根據(jù)115-101 回風(fēng)巷圍巖變形破壞特征，基于應(yīng)力控制原理提出了“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖綜合控制理念，通過對圍巖應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行爆破卸壓，將淺部圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部，降低底板及巷幫淺部應(yīng)力集中程度，通過爆破產(chǎn)生的爆轟壓力對淺部松散圍巖進(jìn)行擠壓，實(shí)現(xiàn)對圍巖的加固，提高圍巖整體強(qiáng)度并充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力抵抗圍巖變形。

3）通過井下試驗(yàn)效果對比分析可知，實(shí)施“卸-轉(zhuǎn)-固”圍巖控制技術(shù)后，巷道兩幫及底板淺部圍巖應(yīng)力集中程度有明顯降低，巷道頂?shù)装逡平俾式档土?9.43%，兩幫移近速率下降了54.17%，巷道圍巖變形得到了有效控制，表明“卸-轉(zhuǎn)-固”支護(hù)技術(shù)能有效控制強(qiáng)動壓影響下“三軟”煤層巷道圍巖變形。