李桂臣，楊 森，孫元田，許嘉徽，李菁華

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

0 引 言

目前我國(guó)每年煤礦井下需要新掘巷道超過(guò)10 000 km，其中煤巷占比極高[1-2]。巷道在煤礦開(kāi)采過(guò)程中承擔(dān)著舉足輕重的任務(wù)，巷道的穩(wěn)定對(duì)生產(chǎn)運(yùn)輸、材料運(yùn)輸、通風(fēng)行人等系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。隨著理論知識(shí)的不斷進(jìn)步，工業(yè)技術(shù)的不斷革新，巷道圍巖控制積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)與成就。但是近年來(lái)，伴隨著煤炭資源開(kāi)采逐步向深部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，高地應(yīng)力、軟巖、強(qiáng)采動(dòng)影響、沖擊礦壓以及富水環(huán)境等復(fù)雜困難條件也越來(lái)越多，其條件特殊性、多樣性和隨機(jī)性給巷道圍巖控制帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-4]。以往的支護(hù)理念與方法在應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和復(fù)雜賦存條件時(shí)適應(yīng)性不足等問(wèn)題日益突出。圍繞復(fù)雜困難條件巷道圍巖控制，科研工作者展開(kāi)了理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等一系列研究，取得了豐富的理論成果與技術(shù)成果，不斷豐富巷道圍巖控制技術(shù)體系，為煤礦安全生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)有力的保障。筆者總結(jié)了我國(guó)現(xiàn)階段在復(fù)雜條件下巷道圍巖控制領(lǐng)域所取得的相關(guān)成果，簡(jiǎn)要介紹了近年來(lái)巷道圍巖控制方面的創(chuàng)新研究，最后展望了未來(lái)巷道圍巖控制發(fā)展的方向。

1 巷道圍巖控制復(fù)雜條件分析

康紅普院士[5]將我國(guó)復(fù)雜困難巷道劃分為9類，包括遇水軟化膨脹巷道、極破碎巷道、深部高應(yīng)力巷道、大斷面巷道、強(qiáng)動(dòng)壓巷道、煤頂/全煤巷道、沿空掘巷、沿空留巷和底鼓巷道。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，學(xué)者深入研究采動(dòng)巷道失穩(wěn)機(jī)理，已經(jīng)形成較為體系的防治方法[6]。隨著礦井煤炭資源開(kāi)采強(qiáng)度不斷提高，極破碎巷道的工程背景逐漸從地質(zhì)構(gòu)造擴(kuò)充到急傾斜煤層和近距離采空區(qū)，對(duì)超前加固技術(shù)提出了新的要求[7-9]。根據(jù)近十年來(lái)巷道圍巖控制原理和技術(shù)的發(fā)展，在已有分類標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行整合和補(bǔ)充，將復(fù)雜條件分為富水環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、深部高應(yīng)力、軟弱圍巖、強(qiáng)烈動(dòng)壓、軟弱夾層頂板、沖擊礦壓、大斷面、堅(jiān)硬頂板和極近距離煤層遺留煤柱等。

1.1 巷道復(fù)雜條件影響因素分析

1)富水環(huán)境。頂板砂巖含水層、底板灰?guī)r含水層與鄰近采空區(qū)積水是煤礦井下常見(jiàn)水源類型。當(dāng)圍巖裂隙導(dǎo)通含水層形成滲水通道，水巖作用將使圍巖出現(xiàn)力學(xué)性能劣化與承載結(jié)構(gòu)失效。特別是煤系地層中泥巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖等弱膠結(jié)巖體在水巖作用下還將發(fā)生顯著的泥化、軟化、崩解現(xiàn)象[10]。同時(shí)，金屬材料支護(hù)結(jié)構(gòu)在水環(huán)境中會(huì)發(fā)生顯著的性能退化現(xiàn)象，如圖1所示[11]。金屬棚架與金屬網(wǎng)在頂板淋水情況下出現(xiàn)表面腐蝕，導(dǎo)致其強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能降低。在圍巖滲水區(qū)域內(nèi)，錨桿桿體-錨固劑-圍巖耦合界面強(qiáng)度顯著劣化，誘發(fā)頂板松脫垮冒、幫部松散煤體垮冒等事故。

圖1 淮北礦區(qū)桃園煤礦受水侵蝕頂板支護(hù)失效[11]Fig.1 Roof support failure caused by water erosion in Taoyuan Coal Mine of Huaibei Mining Area[11]

2)地質(zhì)構(gòu)造。在煤系地層中，斷層、褶曲、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造是常見(jiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象。在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域附近，地層中通常因強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力而形成破碎帶。在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力區(qū)域中，巷道圍巖極易產(chǎn)生大變形、強(qiáng)流變和嚴(yán)重底鼓，特別在巖體嚴(yán)重破碎區(qū)域內(nèi)，通常并發(fā)網(wǎng)兜、漏頂、連續(xù)片幫、大范圍垮冒等碎脹變形[12]。同時(shí)，由于構(gòu)造應(yīng)力具有不對(duì)稱特性，支護(hù)體承載結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，引發(fā)圍巖非對(duì)稱變形與支護(hù)體破壞失效。當(dāng)斷層、陷落柱以泥質(zhì)填充物為主時(shí)，水巖作用下圍巖還極易發(fā)生剪切滑移破壞，引發(fā)圍巖整體承載結(jié)構(gòu)的破壞[13]。

3)深部高應(yīng)力。我國(guó)中東部煤礦大部分已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采階段，迫使巷道圍巖面對(duì)深部復(fù)雜力學(xué)環(huán)境[14]。在高地應(yīng)力環(huán)境作用下，煤系巖層從脆性轉(zhuǎn)為延性(圖2[15])，巷道圍巖發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間流變、顯著大變形、圍巖破碎松散。頂板出現(xiàn)不均勻變形、臺(tái)階下沉、大面積網(wǎng)兜或冒落，幫部片幫現(xiàn)象普遍[16]。同時(shí)，巷道塑性破壞區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，通常超出普通錨桿錨固長(zhǎng)度，導(dǎo)致發(fā)生錨桿(索)脫落與錨固體整體擠出的現(xiàn)象[17]。特別在深部高地應(yīng)力軟巖巷道中，“前掘后修、邊采邊修”的困境仍未被較好地解決，嚴(yán)重限制著采掘效率的提高。

a—巷道寬度；λ—側(cè)壓系數(shù)圖2 側(cè)壓系數(shù)與塑性區(qū)形態(tài)[15]Fig.2 Relationship between side pressure coefficient and shape of plastic zone[15]

4)軟弱圍巖。我國(guó)西北地區(qū)煤系地層以中生代侏羅白堊紀(jì)為主，巖性普遍呈現(xiàn)弱膠結(jié)特性，這導(dǎo)致巷道圍巖控制過(guò)程中，極易出現(xiàn)錨桿脫落及錨固力快速衰減現(xiàn)象[18]。特別是煤系地層中的泥質(zhì)巖體，不僅力學(xué)性能較差，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度要求高，還具有遇水膨脹、泥化、崩解、劣化圍巖承載性能等特性。同時(shí)，厚煤層分層開(kāi)采過(guò)程中，托頂煤回采巷道通常具有掘進(jìn)期間自穩(wěn)性差、強(qiáng)回采擾動(dòng)下軟弱頂煤碎脹變形等特點(diǎn)，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)頂煤剝離、下沉形成網(wǎng)兜，甚至出現(xiàn)金屬網(wǎng)變形折斷、淺部錨桿支護(hù)失效等現(xiàn)象，如圖3所示[19]。

圖3 邢東礦-980 水平圍巖及支護(hù)體系破壞實(shí)照[19]Fig.3 Images of damage situations of -980 level surrounding rock and supporting system in Xingdong Mine[19]

5)強(qiáng)烈動(dòng)壓。當(dāng)前煤礦開(kāi)采普遍面臨采掘接替緊張的問(wèn)題。為提高煤炭資源的采出率，小煤柱沿空掘巷、沿空留巷得到廣泛應(yīng)用。沿空巷道不僅受到自身掘進(jìn)采動(dòng)影響，還承受鄰近采空區(qū)“長(zhǎng)臂梁”頂板的側(cè)向支承壓力的影響，普遍存在圍巖大變形、強(qiáng)流變等問(wèn)題。另一方面，隨著開(kāi)采強(qiáng)度和深度的不斷增加，回采期間沿空巷道經(jīng)歷采動(dòng)影響愈發(fā)強(qiáng)烈[20]。在多次強(qiáng)采動(dòng)的疊加影響下，巷道圍巖破壞范圍逐漸向深部拓展，極易產(chǎn)生發(fā)育的蝶形塑性區(qū)[21]。巷道的變形破壞特征十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為頂板下沉量大并有明顯的離層現(xiàn)象、兩幫超量移近、底鼓嚴(yán)重以及非對(duì)稱變形等問(wèn)題，如圖4所示[22]。

圖4 巷道非對(duì)稱變形[22]Fig.4 Asymmetric deformation of roadway[22]

6)軟弱夾層頂板。軟弱夾層頂板是一種廣泛分布于煤礦巷道中的頂板結(jié)構(gòu)，具有呈層狀或帶狀、膠結(jié)能力弱等特點(diǎn)。相關(guān)研究將巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型劃分為7種，如圖5所示[23]。盡管軟弱夾層相對(duì)其他巖層厚度較薄，卻通常是影響巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[24]。軟弱夾層頂板巷道在開(kāi)挖后，圍巖變形量、變形速率、變形時(shí)間均明顯增加，給巷道圍巖安全控制帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。含高黏土軟弱夾層極易風(fēng)化，遇水情況下伴有嚴(yán)重的泥化現(xiàn)象，導(dǎo)致軟弱夾層的物理力學(xué)性質(zhì)驟降，并在水平地應(yīng)力作用下促使相鄰巖層間錯(cuò)動(dòng)，錨桿、錨索發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而誘發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)失效，引發(fā)離層冒頂?shù)任：25-26]。

圖5 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型[23]Fig.5 Rock structure types of roadways roof[23]

7)沖擊地壓。沖擊地壓是巷道圍巖彈性能突然釋放而將煤巖體拋入巷道的動(dòng)力現(xiàn)象，具有瞬時(shí)性和強(qiáng)破壞性的特征。大量研究表明，沖擊地壓發(fā)生原因十分復(fù)雜，煤層厚度、開(kāi)采深度、地質(zhì)構(gòu)造以及頂?shù)装鍘r性等均是影響沖擊地壓的主要因素[27]。有學(xué)者將沖擊地壓分為如圖6所示的4種類型[28]：煤柱壓縮型、褶曲構(gòu)造型、頂板破斷型、斷層滑移型。沖擊地壓給巷道安全控制造成了嚴(yán)重影響，尤其是進(jìn)入深部開(kāi)采以后，沖擊災(zāi)害發(fā)生的頻率快速升高，極易破壞巷道支護(hù)系統(tǒng)，甚至造成巷道的瞬間垮塌，特別是在工作面超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷道。

σx—水平應(yīng)力；σz—垂直應(yīng)力圖6 沖擊地壓類型[28]Fig.6 Rockburst types[28]

8)大斷面巷道?；夭上锏罃嗝娉叽鐚?duì)維持運(yùn)輸、通風(fēng)等系統(tǒng)的正常運(yùn)行有重要作用，近年來(lái)回采工作面設(shè)備尺寸逐漸增大的趨勢(shì)要求巷道斷面也愈來(lái)愈大，深部巷道跨度可達(dá)到6 m，巷道高度可達(dá)到4.5 m，大斷面巷道的圍巖控制難度也大幅增加。大斷面巷道在回采期間圍巖變形主要呈現(xiàn)非對(duì)稱的特性，巷道煤柱側(cè)頂板肩角破碎下沉嚴(yán)重，如圖7所示[29]。由于巷道跨度大，頂板離層明顯，底板底鼓顯著，同時(shí)底板變形破壞一般嚴(yán)重于頂板，巷道高度的增加對(duì)幫部變形的影響程度較大，且高度較大時(shí)以剪切破壞為主，巷道跨度的增加對(duì)頂板變形的影響程度較大，且跨度較大時(shí)以拉伸破壞為主[30]。

圖7 掘進(jìn)期間圍巖及支護(hù)破壞實(shí)照[29]Fig.7 Damage situation of surrounding rock and supporting system during excavation period [29]

9)堅(jiān)硬頂板巷道。我國(guó)山西、內(nèi)蒙古、陜西及東北等地礦區(qū)厚堅(jiān)硬頂板賦存普遍，該類頂板在上區(qū)段工作面開(kāi)采完成后難以及時(shí)垮落，如圖8所示[31]，導(dǎo)致下區(qū)段工作面受到厚堅(jiān)硬頂板及上覆巖層自重載荷的強(qiáng)烈影響，工作面水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均處于較高的集中狀態(tài)，回采巷道圍巖變形速度快、時(shí)間長(zhǎng)。另一方面，研究表明堅(jiān)硬頂板是回采巷道發(fā)生沖擊地壓的主導(dǎo)地質(zhì)條件[32]，當(dāng)厚堅(jiān)硬頂板懸露至一定距離后發(fā)生破斷垮落時(shí)，易引發(fā)劇烈的礦壓顯現(xiàn)，對(duì)巷道圍巖造成嚴(yán)重破壞，甚至形成沖擊地壓。

圖8 堅(jiān)硬頂板巷道[31]Fig.8 Hard roof roadway[31]

10)極近距離煤層遺留煤柱。極近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中煤層間距小，煤層之間的相互影響不可避免。下行開(kāi)采過(guò)程中，上部煤層開(kāi)采完成后在采空區(qū)形成卸壓保護(hù)區(qū)但同時(shí)也對(duì)底板即下部煤層的頂板造成了不同深度的破壞，整體性和強(qiáng)度均大幅降低，其中對(duì)下部煤層影響最為明顯的是上部采空區(qū)遺留煤柱。遺留煤柱向底板的應(yīng)力傳遞非均勻性顯著[33]，在煤柱下方應(yīng)力集中程度達(dá)到最大，并向兩側(cè)驟降，下部煤層回采巷道在該類復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下極易導(dǎo)致局部達(dá)到承載峰值而破壞。

1.2 巷道復(fù)雜條件分類

工程地質(zhì)與開(kāi)采技術(shù)是影響巷道圍巖控制的關(guān)鍵因素[1]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，對(duì)巷道復(fù)雜條件分為工程地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件二大類，如圖9所示。工程地質(zhì)條件的影響因素相對(duì)廣泛復(fù)雜，高應(yīng)力是巷道圍巖的失穩(wěn)的最主要因素，高應(yīng)力巷道包括深部高應(yīng)力和構(gòu)造高應(yīng)力，目前千米深井的深部資源開(kāi)采逐漸成為資源開(kāi)發(fā)新常態(tài)，高地應(yīng)力已是普遍現(xiàn)象；構(gòu)造區(qū)域煤巖體不僅結(jié)構(gòu)面發(fā)育，還承受斷層、褶曲等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的附加應(yīng)力。軟巖巷道泛指在巖石工程活動(dòng)中極易產(chǎn)生塑性變形破壞的一類巖體，如破碎松散圍巖、軟弱膨脹性巖體及弱膠結(jié)巖層等，這類巖石具有遇水易膨脹、低強(qiáng)度、軟弱、破碎、強(qiáng)流變等一種或多種特性。除此之外，還有堅(jiān)硬頂板巷道的大面積來(lái)壓、沖擊地壓巷道的強(qiáng)烈動(dòng)力災(zāi)害及富水巷道支護(hù)體性能劣化等其他特殊工程地質(zhì)條件；開(kāi)采技術(shù)條件的影響因素則較為單一，但也給巷道圍巖控制增加了難度，如強(qiáng)采動(dòng)巷道的疊加應(yīng)力、大斷面巷道支護(hù)難度大以及近距離煤層采空區(qū)遺留煤柱的集中應(yīng)力傳遞等困難條件。

圖9 巷道復(fù)雜條件分類Fig.9 Classification of roadway complex conditions

2 復(fù)雜條件下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理

復(fù)雜條件巷道失穩(wěn)由多種內(nèi)、外因共同引發(fā)，圍巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)是巷道圍巖控制的3類基本對(duì)象，復(fù)雜條件下巷道失穩(wěn)的本質(zhì)是3類對(duì)象的性能不足或性能劣化。

2.1 應(yīng)力誘變機(jī)理

巷道掘進(jìn)過(guò)程是巖體從三向受載轉(zhuǎn)為單向卸載的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為避免巷道表面巖體持續(xù)變形而發(fā)生破壞，井下通常借助棚架、錨桿等圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)提供表面約束力和錨固力，盡可能使圍巖恢復(fù)到三向受力狀態(tài)。但是，在圍巖應(yīng)力作用下仍會(huì)產(chǎn)生顯著塑性變形和持續(xù)大變形[34-35]。

2.1.1應(yīng)力擴(kuò)容內(nèi)在機(jī)理

在理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)研究過(guò)程中，學(xué)者們普遍發(fā)現(xiàn)巖石具有顯著的應(yīng)力擴(kuò)容現(xiàn)象、峰后塑性變形現(xiàn)象和恒載流變現(xiàn)象。榮浩宇等[36]開(kāi)展了砂巖真三軸卸荷試驗(yàn)，試驗(yàn)中砂巖以張剪復(fù)合形式破壞，同時(shí)沿卸荷方向伴有強(qiáng)烈的擴(kuò)容現(xiàn)象。如圖10所示，研究表明當(dāng)應(yīng)力超過(guò)H點(diǎn)時(shí)，恒載作用下巖石將發(fā)生蠕變變形，變形量平行x軸延伸直至與蠕變停止軌跡線相交；若應(yīng)力超過(guò)G點(diǎn)，蠕變變形延伸線與峰后破壞線相交，此時(shí)意味著恒載作用下巖石將發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，持續(xù)大變形直至發(fā)生破壞。因此，泥巖、頁(yè)巖、煤體等單軸抗壓強(qiáng)度小于25 MPa的軟弱巖體，在較低應(yīng)力環(huán)境下便會(huì)產(chǎn)生持續(xù)大變形，并在峰后破壞階段呈現(xiàn)出顯著塑性變形。砂巖、石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖體，不穩(wěn)定蠕變臨界應(yīng)力點(diǎn)相對(duì)較高，持續(xù)大變形多發(fā)生在深部高應(yīng)力和局部應(yīng)力集中區(qū)域。同時(shí)，巖石峰后破壞特征隨應(yīng)力環(huán)境增高將發(fā)生脆延性轉(zhuǎn)化，因此，在深部高應(yīng)力環(huán)境中，部分中硬巖石巷道表現(xiàn)出軟巖塑性大變形力學(xué)行為。另一方面，節(jié)理等結(jié)構(gòu)面會(huì)明顯弱化力學(xué)強(qiáng)度，在破碎圍巖巷道中，載荷作用下巖塊將沿弱結(jié)構(gòu)面剪切滑移，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力擴(kuò)容行為[37]。若結(jié)構(gòu)面中以泥質(zhì)充填物為主，巷道圍巖還將表現(xiàn)出一定的塑性變形特征。

圖10 巖石蠕變終止軌跡線應(yīng)變Fig.10 Rock creep termination trajectory

2.1.2應(yīng)力變化誘發(fā)巷道失穩(wěn)

1)高地應(yīng)力。在深部礦井和地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，巷道圍巖通常具有較高的原始地應(yīng)力，特別是在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，巖體中水平應(yīng)力最大能達(dá)到垂直應(yīng)力的2.5倍。該類巷道圍巖的大變形行為，其主要誘因是高應(yīng)力環(huán)境中巖石脆延性轉(zhuǎn)變，和不穩(wěn)定蠕變臨界應(yīng)力點(diǎn)的突破。此外，高水平應(yīng)力賦予了局部圍巖較高的彈性能，在構(gòu)造高應(yīng)力擾動(dòng)下動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)。

2)應(yīng)力集中。在沿空掘巷、沿空留巷及近距離煤層開(kāi)采等采動(dòng)影響巷道中，采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)破斷、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)和巷道原巖應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下，工作面形成了較高的疊加支承應(yīng)力，在巷道圍巖中形成較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象[38-39]，應(yīng)力集中程度達(dá)到或超出圍巖不穩(wěn)定蠕變臨界應(yīng)力點(diǎn)時(shí)首先在巷道薄弱支護(hù)位置發(fā)生破壞，進(jìn)而造成圍巖整體的顯著變形。

3)動(dòng)靜載疊加。巷道在采掘、支護(hù)、失穩(wěn)過(guò)程中圍巖應(yīng)力一直處于動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)爆破、巖層斷裂以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的動(dòng)載傳播到巷道圍巖時(shí)，動(dòng)載與靜載疊加達(dá)到圍巖體的極限承載能力誘發(fā)巷道圍巖動(dòng)力沖擊?；趧?dòng)靜載疊加試驗(yàn)，學(xué)者們分別研究了煤礦淺部發(fā)生的強(qiáng)動(dòng)載型和煤礦深部發(fā)生的高靜載型2類沖擊地壓[40-41]。在煤礦淺部原巖應(yīng)力較低，此時(shí)頂板破斷等引起的高強(qiáng)度應(yīng)力波是誘發(fā)沖擊地壓的主導(dǎo)因素，而在煤礦深部表現(xiàn)為復(fù)雜高應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)巷道圍巖在較小的動(dòng)載荷疊加作用下就能達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài)從而誘發(fā)強(qiáng)烈的動(dòng)力災(zāi)害。

2.2 圍巖性質(zhì)劣化誘變機(jī)理

2.2.1圍巖破碎松散誘發(fā)巷道失穩(wěn)

破碎松散圍巖具有完整性差、裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，通常位于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的巷道和采動(dòng)巷道。在強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用下，構(gòu)造區(qū)域形成破碎帶，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育。同時(shí)，經(jīng)歷了采掘活動(dòng)的工作面如沿空掘巷、沿空留巷和近距離上采空區(qū)底板等，巷道圍巖多以極破碎巖體為主。該類復(fù)雜條件下圍巖破碎巖體沿結(jié)構(gòu)面的剪切滑移和擴(kuò)容導(dǎo)致巷道塑性大變形。

2.2.2軟弱膨脹巖體誘發(fā)巷道失穩(wěn)

干燥狀態(tài)下的軟弱膨脹巖體一般強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，不會(huì)對(duì)工程安全構(gòu)成威脅，但是經(jīng)過(guò)開(kāi)挖后的軟弱膨脹巖體，加上水的侵蝕作用，巷道圍巖的不穩(wěn)定性會(huì)隨之加劇。采動(dòng)作用下巷道圍巖通常有大量發(fā)育裂隙，在富水環(huán)境中誘發(fā)圍巖滲水、頂板淋水等不良現(xiàn)象。特別我國(guó)西南地區(qū)礦井由于地質(zhì)條件特殊，存在涌水量大、涌水時(shí)間長(zhǎng)、疏水困難問(wèn)題[13]。

滲水裂隙導(dǎo)通后圍巖泥化、軟化膨脹變形明顯。該類巷道的遇水軟化膨脹失穩(wěn)行為，主要誘因是水化學(xué)環(huán)境中黏土礦物的多尺度物理化學(xué)反應(yīng)。筆者[42]采用物理模擬材料制備泥巖試樣，從宏細(xì)觀角度分析黏土礦物含量與泥巖強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的關(guān)系。相關(guān)研究表明，蒙脫石與伊利石等黏土礦物晶胞具有疊層結(jié)構(gòu)，分子間作用力下水分子將進(jìn)入疊層內(nèi)部，促使晶胞在層疊方向產(chǎn)生膨脹變形[43]。另一方面，由于黏土礦物晶胞斷面、端面和類質(zhì)同象取代，黏土顆粒(粒徑<2 μm)通常對(duì)外表現(xiàn)出負(fù)電性，并在水環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的膠體特性[44]。研究表明，水分子作用下黏土顆粒表面將形成擴(kuò)散雙電層，促使黏土顆粒之間相互排斥遠(yuǎn)離。因此，黏土礦物在晶胞尺度和顆粒尺度上的物理化學(xué)行為，是導(dǎo)致富黏土巷道在富水環(huán)境產(chǎn)生顯著軟化膨脹的主要原因。

2.2.3弱膠結(jié)巖層誘發(fā)巷道失穩(wěn)

在煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板軟弱夾層是常見(jiàn)的弱膠結(jié)巖層，其通常具有強(qiáng)度低、弱膠結(jié)、節(jié)理發(fā)育和風(fēng)化顯著等特點(diǎn)，包括富黏土碎屑、糜棱巖和薄層軟弱巖石。軟弱夾層頂板巷道失穩(wěn)誘因主要與夾層的低抗剪強(qiáng)度和強(qiáng)蠕變特征有關(guān)。筆者基于層次分析法研究了影響軟弱夾層頂板巷道安全性的10個(gè)因素，結(jié)果表明軟弱夾層層位是此類巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。根據(jù)錨桿錨固基巖與軟弱夾層層位關(guān)系，軟弱夾層頂板巷道失穩(wěn)機(jī)理一般劃分為2類。

1)錨桿剪切破壞。當(dāng)軟弱夾層處于錨固范圍內(nèi)，頂板錨桿通常發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。其主要機(jī)理是水平應(yīng)力作用下，低抗剪強(qiáng)度軟弱夾層段產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致錨桿桿體承受巖層水平錯(cuò)動(dòng)力，最終頂板錨桿剪切破壞誘發(fā)頂板支護(hù)失效。

2)頂板松脫垮冒。當(dāng)?shù)刭|(zhì)勘探不足，導(dǎo)致錨桿錨固段位于軟弱夾層時(shí)，通常出現(xiàn)錨固力不足或失效現(xiàn)象。在較高水平應(yīng)力作用下，軟弱巖層松動(dòng)膨脹導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力喪失，嚴(yán)重時(shí)軟弱巖層與錨固體將同步彎曲下沉，導(dǎo)致頂板發(fā)生松脫型垮冒，具體如圖11所示[45]。當(dāng)軟弱夾層位于錨桿錨固范圍外時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法約束軟弱夾層變形。在水平應(yīng)力作用下，軟弱夾層可能產(chǎn)生明顯離層下沉，同樣可能誘發(fā)頂板大范圍的離層垮冒。

圖11 軟夾層頂板松脫垮冒[45]Fig.11 Loose and straddle caving of soft interlayer roof[45]

2.3 支護(hù)體性能弱化誘變機(jī)理

錨桿安裝過(guò)程中淋水不僅會(huì)沖刷固化劑，還會(huì)混入樹脂膠泥中劣化錨固劑黏結(jié)力和固化強(qiáng)度，這導(dǎo)致疏水困難巷道中錨桿安裝困難，錨桿安裝后錨固力通常也無(wú)法達(dá)到核算標(biāo)準(zhǔn)。筆者[46]建立了“三介質(zhì)-兩界面”模型，如圖12所示，揭示了泥巖與錨固劑界面穩(wěn)定性遇水軟化機(jī)理，指出泥巖與錨固劑界面的剪應(yīng)力與含水率呈負(fù)相關(guān)。

圖12 錨固體“三介質(zhì)-兩界面”模型[46]Fig.12 Anchor solid “three media-two interface” model[46]

鉆孔淋水對(duì)已安裝錨桿同樣具有腐蝕性[47]。研究表明，當(dāng)鉆孔淋水量小于128 mL/min時(shí)，錨桿錨固力保持不變；當(dāng)鉆孔淋水量大于583 mL/min時(shí)，錨固力將下降35%以上[48]。如圖13所示，筆者在貴州礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，金屬支護(hù)體表面普遍腐蝕。有學(xué)者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕情況下4.0 mm金屬網(wǎng)有效線徑僅余2.0 mm左右，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。

圖13 頂板支護(hù)情況Fig.13 Roof support

3 復(fù)雜條件下巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境

隨著煤礦井下開(kāi)采深度、開(kāi)采強(qiáng)度以及開(kāi)采難度的不斷增加，多種應(yīng)力疊加劣化了巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)，巷道圍巖內(nèi)部形成了復(fù)雜的高應(yīng)力環(huán)境，并誘發(fā)巷道圍巖大變形和沖擊地壓[49-50]。為預(yù)防和應(yīng)對(duì)復(fù)雜高應(yīng)力巷道的變形破壞問(wèn)題，眾多學(xué)者開(kāi)展了優(yōu)化巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的研究，提出包括合理布置巷道、鉆孔卸壓、切頂卸壓等技術(shù)，其中，人工主動(dòng)卸壓技術(shù)在近年來(lái)得到成熟發(fā)展。

3.1.1鉆孔卸壓技術(shù)

鉆孔卸壓是在復(fù)雜高應(yīng)力區(qū)的巷道圍巖中進(jìn)行鉆孔，在應(yīng)力作用下鉆孔受壓變形甚至壓塌，并在鉆孔周邊產(chǎn)生小范圍的破碎區(qū)。多個(gè)鉆孔共同作用下在巷幫形成大范圍的破碎帶，該范圍內(nèi)的圍巖彈性能得到釋放，承載能力降低，應(yīng)力向煤層深部轉(zhuǎn)移，如圖14所示。

圖14 卸壓鉆孔對(duì)煤體應(yīng)力分布的影響Fig.14 Influence of pressure relief drilling on stress distribution of coal

王愛(ài)文等[51]從鉆孔煤樣在單軸抗壓試驗(yàn)中的能量損失角度進(jìn)行研究，結(jié)果表明，煤巖體原始的積聚能量和破壞時(shí)耗散的能量都在鉆孔卸壓后明顯降低。朱斯陶等[52]提出了掘進(jìn)工作面布置斜向鉆孔的卸壓方式，有效消除了巨厚煤層掘進(jìn)工作面的沖擊隱患。

卸壓鉆孔參數(shù)顯著影響著卸壓效果，是鉆孔卸壓技術(shù)的關(guān)鍵因素，良好的卸壓能力是應(yīng)對(duì)井下復(fù)雜高應(yīng)力環(huán)境的基本要求。此外，合理的鉆孔卸壓參數(shù)在改善巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的同時(shí)，也能夠避免巷道產(chǎn)生大變形，蓋德成等[53]運(yùn)用數(shù)值模擬研究了不同強(qiáng)度煤體與卸壓鉆孔參數(shù)之間的關(guān)系。圍巖應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移和巷道變形量減少是鉆孔卸壓最直觀的技術(shù)效果。王猛等[54]通過(guò)研究不同長(zhǎng)度、不同直徑的鉆孔及其布置方式對(duì)卸壓效果的影響機(jī)制，總結(jié)了3類卸壓效果，并相應(yīng)給出了鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

3.1.2切頂卸壓技術(shù)

切頂卸壓是將煤層上覆頂板以回采巷道為界切斷，采空區(qū)頂板受壓后垮落。采空區(qū)覆巖自重載荷傳遞路徑發(fā)生改變，不再影響巷道與下區(qū)段工作面回采，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力向深部煤巖體轉(zhuǎn)移從而降低巷道圍巖的應(yīng)力集中。何滿潮院士[55]指出人為將基本頂斷裂位置轉(zhuǎn)移至采空區(qū)側(cè)，使頂板懸臂長(zhǎng)度減小的同時(shí)發(fā)揮碎脹矸石支撐上覆巖層的作用；并提出了“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護(hù)體”力學(xué)模型，構(gòu)建了采礦損傷不變量的開(kāi)采模型。

現(xiàn)階段聚能爆破和水力壓裂等定向預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。聚能爆破通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)、特殊材質(zhì)的聚能管借助于炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波形成聚能效應(yīng)，產(chǎn)生定向張拉應(yīng)力集中而使頂板按預(yù)設(shè)方向擴(kuò)展裂紋并斷裂[56]。華心祝等[57]提出預(yù)裂爆破切頂是動(dòng)靜載疊加作用于頂板的過(guò)程，爆破應(yīng)力過(guò)大則會(huì)破壞回采巷道頂板穩(wěn)定性，爆破應(yīng)力過(guò)低則不能充分達(dá)到切頂目的；并建立了動(dòng)靜載疊加力學(xué)模型，提供了爆破參數(shù)優(yōu)化方法。馬新根等[58]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行了裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整與頂板巖性變化的關(guān)聯(lián)性分析。

水力壓裂技術(shù)主要由封孔、高壓水壓裂、保壓注水3道工序組成。一般垂直巷道走向在巷道頂板按照一定的仰角打設(shè)鉆孔，并在鉆孔內(nèi)壁預(yù)制徑向切槽；完成制孔并封孔后利用高壓水泵注水壓裂，頂板巖層產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，與其他鉆孔產(chǎn)生的裂紋貫通后達(dá)到切斷頂板的效果[59]。煤巖體的原始裂紋能明顯影響后期水力壓裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展，為此，劉正和等[60]基于預(yù)制裂縫試樣開(kāi)展了定向壓裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，結(jié)果表明，起裂方向和起裂壓力均受預(yù)制裂縫角度的影響。趙善坤等[61]為水力壓裂防沖效果評(píng)價(jià)提供了微震事件、周期來(lái)壓步距、錨桿應(yīng)力等多種參考依據(jù)。

3.2 改良圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

注漿加固技術(shù)是加固軟弱圍巖和控制淺部破碎圍巖的常用手段。注漿使巷道淺部破碎圍巖膠結(jié)，漿液充滿破碎巖體裂隙，能夠有效降低空氣、水等侵蝕作用并提高破碎巖體膠結(jié)性。近年來(lái)發(fā)展的深淺孔聯(lián)合注漿，有效將淺部圍巖和深部圍巖膠結(jié)為整體結(jié)構(gòu)，提高了圍巖整體穩(wěn)定性[62]。

選擇有利于現(xiàn)場(chǎng)施工條件的注漿工藝與合理的注漿參數(shù)，對(duì)改善巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究?？导t普院士團(tuán)隊(duì)[63]采用微納米無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合材料對(duì)千米深井軟巖巷道開(kāi)展了高壓劈裂注漿試驗(yàn)，SEM電鏡掃描結(jié)果顯示巷道圍巖寬度2 μm以上的裂隙均能密實(shí)固結(jié)，微觀裂隙掃描電鏡照片如圖15所示。筆者[64]提出了“兩介質(zhì)-三界面”煤巖注漿加固模型，分析了顆粒配比和膠結(jié)體孔隙率對(duì)散煤注漿加固效果的影響規(guī)律，從細(xì)觀角度為注漿設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。李文洲等[65]以裂隙煤巖體為對(duì)象，研究了其破壞特征及影響其破壞的主要因素，提出了首先分析圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而優(yōu)選注漿壓力，最后明確注漿過(guò)程壓力損耗的圍巖注漿改性思路，提升了現(xiàn)場(chǎng)圍巖改性效果。董紅娟等[66]選取多種粒徑的石灰?guī)r巖塊，并設(shè)計(jì)不同水灰比的注漿液，在不同注漿壓力的作用下制備了注漿試件，基于抗壓強(qiáng)度及其變形破壞特征，指出注漿體強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨粒徑和注漿壓力的增大而增大，隨水灰比的升高而降低。

圖15 微觀裂隙掃描電鏡照片[63]Fig.15 SEM micrograph of cracks[63]

注漿作為改善巷道圍巖性質(zhì)的主要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道圍巖控制，因此，注漿過(guò)程中需考慮其加固效果，因此，研究學(xué)者開(kāi)展了大量注漿效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)的研究。目前大量研究通過(guò)監(jiān)測(cè)聲波在巖體中的傳播速度來(lái)表征巖體的裂隙情況，CHEN等[67]分析了注漿對(duì)波速變化的影響規(guī)律，結(jié)果表明波速大小及其變化幅度是預(yù)測(cè)注漿加固效果的可靠依據(jù)。注漿效果可以用注漿后的巖體強(qiáng)度來(lái)表示，高紅科等[68-69]對(duì)鉆頭在鉆進(jìn)注漿巖體過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)合巖體的抗壓強(qiáng)度，建立了兩者的關(guān)系模型，形成了高效評(píng)價(jià)注漿巖體強(qiáng)度的方法。

3.3 強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)性能

我國(guó)煤礦主要以井工開(kāi)采為主，巷道支護(hù)一直以來(lái)都是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。巷道支護(hù)從最原始的木支護(hù)發(fā)展到砌碹支護(hù)，再到型鋼支護(hù)，最后到目前使用最廣泛的錨桿支護(hù)，這一過(guò)程是被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)的演變。下面主要介紹巷道錨固技術(shù)，錨桿支護(hù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，已經(jīng)形成了錨桿支護(hù)成套技術(shù)。

多年來(lái)，眾多學(xué)者先后創(chuàng)新了錨桿支護(hù)的理論模型，為錨桿支護(hù)技術(shù)不斷革新、體系不斷完善提供了理論基礎(chǔ)。康紅普院士[1]提出高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)理論，如圖16所示，預(yù)應(yīng)力通過(guò)錨桿傳遞到圍巖，使圍巖處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有效控制頂板離層，并指出圍巖與支護(hù)是維持巷道穩(wěn)定性共同承載體，錨桿支護(hù)保障了圍巖的完整性，提高了圍巖的抗沖擊性，為沖擊地壓巷道如何合理地選擇支護(hù)形式指明了方向。張農(nóng)等[70]提出了連續(xù)梁控頂理論，分析了頂板結(jié)構(gòu)對(duì)煤幫的影響，如圖17所示，當(dāng)連續(xù)梁形成后，幫部應(yīng)力集中程度降低，頂板應(yīng)力平緩分布。左建平等[71]分析了巷道頂板彎曲正應(yīng)力分布規(guī)律，提出等強(qiáng)梁支護(hù)理念，采取以巷道中線為中心，錨桿長(zhǎng)度和強(qiáng)度向兩端遞減的支護(hù)工藝。董恩遠(yuǎn)等[72]將圍巖蠕變本構(gòu)模型和錨桿錨固本構(gòu)模型相結(jié)合，分析了錨固基礎(chǔ)作用點(diǎn)位對(duì)控制圍巖變形的影響規(guī)律，指出圍巖彈性區(qū)是端錨的最佳錨固點(diǎn)位。

圖16 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)原理[1]Fig.16 Reinforcement principle for pretension rock bolting[1]

圖17 頂板結(jié)構(gòu)對(duì)煤幫的影響[70]Fig.17 Influence of roof structure on coal slope[70]

在關(guān)于錨桿預(yù)應(yīng)力相關(guān)研究中，李建忠等[73]運(yùn)用UDEC-Trigon數(shù)值模擬方法揭示了高預(yù)緊力錨桿對(duì)節(jié)理面的保護(hù)機(jī)制，分析了錨桿支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的組成形式。張劍[74]研究了錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩、錨桿安裝偏斜角度以及煤巖體強(qiáng)度對(duì)預(yù)應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力大小與預(yù)緊轉(zhuǎn)矩和巖體強(qiáng)度呈正相關(guān)，與錨桿安裝偏斜角度呈負(fù)相關(guān)。劉金海等[75]結(jié)合高預(yù)緊力錨桿的受力情況及其破斷特征，揭示了高預(yù)緊力錨桿的變形破壞機(jī)理，指出拉彎復(fù)合作用是破斷的主要誘因。在錨固長(zhǎng)度方面，靖洪文等[76]在煤礦井下開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，錨桿錨固力越大。李英明等[77]研究了全長(zhǎng)錨固錨桿的失效過(guò)程，揭示了失效時(shí)應(yīng)力分布特征，明確了錨桿長(zhǎng)度對(duì)錨桿全長(zhǎng)錨固工作性能的影響規(guī)律。

錨桿支護(hù)作為煤礦井下的關(guān)鍵技術(shù)，錨固質(zhì)量尤為重要。張雷等[78]研制了錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)裝置，檢測(cè)過(guò)程中有缺陷錨固系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)相對(duì)復(fù)雜，且檢測(cè)信號(hào)的多尺度熵值較高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖18、圖19所示。董建軍等[79]研制了錨桿FBG應(yīng)力傳感器，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)錨桿整體的應(yīng)力情況。王昱棟等[80]采用算法實(shí)時(shí)提取巷道錨桿特征，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)錨桿異常。

圖18 預(yù)處理后的檢測(cè)信號(hào)[78]Fig.18 Preprocessed detection signals[78]

圖19 預(yù)處理后的檢測(cè)信號(hào)的多尺度熵曲線[78]Fig.19 MSE curves of preprocessed detection signals[78]

3.4 巷道圍巖協(xié)同控制技術(shù)

當(dāng)前我國(guó)煤礦井下開(kāi)采面臨的條件十分復(fù)雜，對(duì)于深部軟巖巷道、破碎圍巖巷道、復(fù)合頂板巷道等困難巷道，需要多種圍巖控制技術(shù)協(xié)同支護(hù)，學(xué)者們?yōu)榇苏归_(kāi)了深入了研究。

康紅普等[81]針對(duì)千米深井軟巖巷道提出了巷道支護(hù)-改性-卸壓聯(lián)合控制技術(shù)，采用“三高”錨桿和錨索支護(hù)、納米材料注漿改善圍巖性質(zhì)、水力壓裂卸壓3種措施控制圍巖大變形，錨桿、錨索的損傷破壞情況得到顯著改善。此外，針對(duì)孜東礦工作面運(yùn)輸巷松軟煤幫錨桿(索)錨固性能弱化、煤體風(fēng)化后結(jié)構(gòu)劣化的難題，提出了錨注噴協(xié)同控制技術(shù)，錨桿(索)施加高預(yù)應(yīng)力進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)，高壓錨注提高錨固場(chǎng)長(zhǎng)度的同時(shí)改善煤幫結(jié)構(gòu)性能，提升整體承載性能，煤幫表面噴漿隔絕空氣、降低風(fēng)化影響，錨注噴一體化的圍巖控制理念最大限度地提高了錨桿(索)的主動(dòng)支護(hù)能力[82]。王洪濤等[83]從錨固和注漿結(jié)合的角度研發(fā)了中空注漿錨桿，該錨桿具有高預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)錨固、錨注結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后圍巖變形控制效果顯著。深部巷道軟巖在高應(yīng)力環(huán)境下伴有持續(xù)大變形現(xiàn)象，劉天嘯等[84]提出了“卸壓-讓壓”協(xié)同控制技術(shù)，鉆孔卸壓優(yōu)化應(yīng)力環(huán)境，錨桿讓壓適應(yīng)圍巖變形，減少了錨桿破斷現(xiàn)象。王成等[85]分析了泥化巷道的失穩(wěn)過(guò)程，提出以控制泥化為主體的思路，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了新型“三高”錨桿強(qiáng)化支護(hù)和滯后注漿的聯(lián)合控制技術(shù)方案，同時(shí)明確了注漿時(shí)機(jī)。王琦等[86]模擬了不同煤柱、地應(yīng)力、頂板強(qiáng)度及切頂位置等因素下切頂自成巷與沿空掘巷2種巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律及圍巖控制效果，在此基礎(chǔ)上優(yōu)選了“強(qiáng)錨注+切頂”的圍巖控制方法，提高了巷道前期完整性和后期穩(wěn)定性。左健平等[87]分析了綜放工作面大斷面巷道圍巖破碎機(jī)理，從優(yōu)化巷道整體協(xié)同承載的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了全斷面桁架錨索協(xié)同控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)金屬網(wǎng)、鋼帶和托架將頂板、兩幫和底板的獨(dú)立支護(hù)耦合，相互作用，弱化巷道局部應(yīng)力集中，解決了常規(guī)支護(hù)下巷道非對(duì)稱變形難題。常村煤礦回采巷道過(guò)斷層破碎帶時(shí)隨機(jī)節(jié)理型圍巖在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下變形嚴(yán)重，為此陳曉祥等[12]提出了錨網(wǎng)索輔以超前預(yù)注漿的聯(lián)合控制技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效控制了圍巖大變形。多年來(lái)，沖擊地壓一直困擾著巷道圍巖控制，吳擁政等[88]在分析沖擊地壓巷道圍巖破壞特征的基礎(chǔ)上從應(yīng)力和能量變化2個(gè)方面闡明了圍巖沖擊破壞機(jī)制，借助“卸壓-支護(hù)-防護(hù)”3種防控手段應(yīng)對(duì)深部巷道沖擊地壓，采取不同長(zhǎng)度的壓裂孔對(duì)巷道不同范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行卸壓，選取“四高”錨桿、錨索支護(hù)，巷道內(nèi)布設(shè)鋼棚、防護(hù)支架，并增加緩沖墊層共同吸收沖擊能量，保障了沖擊地壓巷道的穩(wěn)定。

4 典型泥質(zhì)采動(dòng)巷道滲流失穩(wěn)控制工程案例

4.1 工程地質(zhì)條件

朱仙莊礦開(kāi)采10號(hào)煤層，Ⅱ水平第2部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸巷位于礦井南部Ⅱ水平Ⅱ3采區(qū)下部，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 025 m，標(biāo)高-676.2～-683.6 m。巷道揭露巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖。巷道位置剖面如圖20所示[89]。

圖20 巷道位置剖面[89]Fig.20 Roadway location profile[89]

4.2 泥質(zhì)采動(dòng)巷道滲流失穩(wěn)機(jī)理

朱仙莊礦Ⅱ水平第2部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸巷前期頂板淋水嚴(yán)重，巷道變形量大，原有支護(hù)破壞。采動(dòng)過(guò)程中斷層成為導(dǎo)水通道，破碎巖體涌入巷道，以泥巖為主體巷道圍巖遇水泥化、崩解，巷道修復(fù)和支護(hù)難度大。為實(shí)現(xiàn)此類復(fù)雜困難巷道圍巖的有效控制，筆者團(tuán)隊(duì)[89]對(duì)泥質(zhì)采動(dòng)巷道滲流失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，并首先分析了現(xiàn)場(chǎng)巷道失穩(wěn)關(guān)鍵誘因。

圖21 泥化巷道全斷面失穩(wěn)[89]Fig.21 Full section instability of argillaceous roadway[89]

1)圍巖破碎。巷道失穩(wěn)區(qū)域處于斷層破碎帶內(nèi)，巷道圍巖裂隙發(fā)育，自身失去承載能力，同時(shí)為空氣、水源的侵蝕提供了原始通道。

2)滲流水影響。巷道底板含有承壓水且水壓較高，高壓滲流水沿著裂隙進(jìn)入巷道。巷道圍巖以泥巖為主，泥巖富含伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，具有膠結(jié)強(qiáng)度低、塑性強(qiáng)等特性，遇水極易泥化膨脹，巷道圍巖的不穩(wěn)定性會(huì)隨之加劇。

3)應(yīng)力疊加影響。巷道埋深較大，原巖應(yīng)力高，巷道變形大，并具有強(qiáng)流變性；巷道穿斷層布置，巷道在構(gòu)造應(yīng)力作用下承受高集中靜載荷；回采期間巷道受到強(qiáng)采動(dòng)影響，應(yīng)力集中程度高。

圖22 泥質(zhì)軟巖巷道滲流失穩(wěn)過(guò)程[89]Fig.22 Argillaceous soft rock roadway seepage instability process[89]

4.3 泥質(zhì)采動(dòng)滲流失穩(wěn)巷道綜合控制技術(shù)

圍巖滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、損傷場(chǎng)三場(chǎng)耦合是泥質(zhì)采動(dòng)巷道滲流失穩(wěn)變形的本質(zhì)，對(duì)該類巷道進(jìn)行修復(fù)和復(fù)后支護(hù)也應(yīng)同時(shí)考慮三場(chǎng)之間的相互影響，形成一套完善的泥質(zhì)采動(dòng)滲流巷道控制體系。

1)疏水泄壓。巷道底板承壓水是水害的主要來(lái)源，因此，采取關(guān)鍵出水點(diǎn)開(kāi)掘?qū)春头稚⒊鏊c(diǎn)布設(shè)導(dǎo)水鋼管聯(lián)合疏水泄壓，降低含水層水位。

2)強(qiáng)化圍巖性質(zhì)。① 泥巖置換。封閉大斷面巷道區(qū)域，利用混凝土置換小斷面巷道泥化嚴(yán)重區(qū)域，先小斷面后大斷面，循序漸進(jìn)，直至覆蓋巷道整體，形成穩(wěn)定的墻體結(jié)構(gòu)。② 分級(jí)注漿。注漿與泥巖置換按照以下原則交替進(jìn)行：泥流特別嚴(yán)重不注，半泥流體少注，松散巖體多注。同時(shí)，根據(jù)區(qū)域圍巖性質(zhì)及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。

3)構(gòu)建高強(qiáng)度支護(hù)體系。① 高強(qiáng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)。依次噴射混凝土、打設(shè)錨桿、架接鋼絲繩，該工序重復(fù)4次，最后整體噴射混凝土，形成四錨五噴的強(qiáng)韌封層支護(hù)結(jié)構(gòu)。② 高強(qiáng)度底板結(jié)構(gòu)。巷道兩幫底各澆筑半封閉混凝土基礎(chǔ)，以應(yīng)對(duì)水平應(yīng)力對(duì)整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)保留使非對(duì)稱應(yīng)力和承壓水壓力的釋放空間。具體支護(hù)體系如圖23所示[89]。

圖23 朱仙莊礦運(yùn)輸大巷高強(qiáng)度支護(hù)體系[89]Fig.23 High strength support system of transportation roadway in Zhuxianzhuang Mine[89]

5 結(jié) 論

1)總結(jié)了現(xiàn)階段我國(guó)煤礦井下巷道圍巖控制面臨的復(fù)雜困難條件，并劃分為工程地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件2類。

2)闡明了各類復(fù)雜條件下巷道圍巖的變形特征、破壞形式，揭示了不同地質(zhì)條件與采掘時(shí)空關(guān)系下巷道支護(hù)的損傷破壞機(jī)理。復(fù)雜條件下巷道失穩(wěn)的本質(zhì)是圍巖應(yīng)力、圍巖性質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)3類巷道圍巖控制對(duì)象的性能不足或性能劣化。

3)分析了巷道圍巖控制的3種基本原理：改善圍巖應(yīng)力環(huán)境、改良圍巖性質(zhì)與強(qiáng)化圍巖承載結(jié)構(gòu)。從卸壓、改性、支護(hù)及協(xié)同控制4個(gè)角度詳述了當(dāng)下煤礦巷道圍巖控制技術(shù)，并分別討論了其實(shí)驗(yàn)室階段試驗(yàn)進(jìn)展與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

4)分析了泥質(zhì)采動(dòng)巷道滲流失穩(wěn)控制的典型工程案例，提出了高強(qiáng)度綜合修復(fù)與控制技術(shù)體系，為深部礦井高承壓水致斷層破碎帶大斷面巷道泥化失穩(wěn)與長(zhǎng)期流變的圍巖狀態(tài)下的巷道控制提供范例。

6 展 望

1)卸壓與注漿工藝參數(shù)設(shè)計(jì)雖然在實(shí)驗(yàn)室階段有很大進(jìn)展，但不少礦井現(xiàn)場(chǎng)由于時(shí)間、空間制約，在合理選擇適用于本礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件的工藝參數(shù)方面仍受到一定限制。應(yīng)在廣泛收集不同復(fù)雜條件礦井、巷道的典型卸壓與注漿工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，形成智能算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)。

2)當(dāng)前我國(guó)煤礦巷道的掘進(jìn)速度仍不理想，尤其是在復(fù)雜困難條件下采掘失衡已是常態(tài)，錨桿支護(hù)作為巷道圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)充分利用錨桿的主動(dòng)支護(hù)能力，研發(fā)快速掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)及設(shè)備。

3)原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)與支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)的疊加作用為圍巖穩(wěn)定提供了應(yīng)力環(huán)境，復(fù)雜的地質(zhì)條件和采掘時(shí)空關(guān)系導(dǎo)致了原巖應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的多變性，不同的支護(hù)方式、支護(hù)強(qiáng)度產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)也有所不同，3種應(yīng)力場(chǎng)的耦合機(jī)制研究還有欠缺，特別是在各類復(fù)雜條件背景下。在認(rèn)清其耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上，明確不同條件下的最佳支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)形式，進(jìn)而指導(dǎo)支護(hù)形式的選擇。

4)煤礦開(kāi)采進(jìn)入深部后，開(kāi)采環(huán)境愈加復(fù)雜，何滿潮院士針對(duì)高應(yīng)力軟巖研發(fā)了NPR錨桿(索)新材料，為應(yīng)對(duì)其他極端復(fù)雜條件巷道的圍巖控制提供了方向。當(dāng)下面對(duì)不同的困難巷道，支護(hù)形式不斷創(chuàng)新，而研發(fā)適應(yīng)不同支護(hù)形式的更高強(qiáng)度、更高剛度的新支護(hù)材料還需進(jìn)一步研究。

5)選擇合理的巷道支護(hù)方式能有效降低沖擊地壓巷道的動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，不同地質(zhì)條件、開(kāi)采方法、巷道布置決定了沖擊地壓發(fā)生的復(fù)雜多樣性，在不同地區(qū)的礦井差異化更大，而目前實(shí)踐中借助工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行防沖支護(hù)設(shè)計(jì)的較多。在明確沖擊地壓與巷道圍巖、巷道支護(hù)的相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立面向各類沖擊地壓巷道的防沖支護(hù)設(shè)計(jì)方法的工作仍需繼續(xù)推動(dòng)。

6)煤礦井下的開(kāi)采條件具有多樣性、特殊性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜極端條件下的巷道圍巖控制難題時(shí)，多元性、針對(duì)性、精準(zhǔn)性地融合控制技術(shù)體系仍是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。