李奎松

（國家能源集團(tuán)內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第三煤礦，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122）

學(xué)者和現(xiàn)場技術(shù)人員對巷道的變形和破壞機(jī)理進(jìn)行了大量研究[3-5]，提出和構(gòu)建了巷道不同的支護(hù)方法和技術(shù)，通過現(xiàn)場調(diào)查、實驗室分析、理論推導(dǎo)和工程應(yīng)用，系統(tǒng)地研究了深埋巖石的穩(wěn)定性，提出深埋地下工程中出現(xiàn)的核心科學(xué)問題是在“三高”條件下遇到的“三高一擾”條件，即原位應(yīng)力高、溫度高、滲流壓力高、開采擾動大，形成了深部工程復(fù)雜的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境；進(jìn)行了大規(guī)模的地質(zhì)力學(xué)模型試驗，探討了深部巷道的圍巖變形和破壞機(jī)理[6-7]。淺層巖石具有顯著的規(guī)模的拉伸破壞，造成巷道周圍的膨脹和斷裂。由于主要支護(hù)薄弱，當(dāng)沒有支護(hù)時，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的底板起伏、側(cè)縮和頂板下沉。支護(hù)薄弱和底板無支護(hù)時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的底板起伏、側(cè)縮和頂板下沉。為了支護(hù)通風(fēng)巷道，建議采用新型的“螺栓-電纜-網(wǎng)格-噴射混凝土+外殼”組合支護(hù)。巷道變形范圍大，破壞范圍廣，錨桿經(jīng)常出現(xiàn)在嚴(yán)重斷裂的圍巖中，支護(hù)潛力未得到利用，拱的支護(hù)強度不足，后承載力低，導(dǎo)致巷道承載力失效。因此，提出了“高強度、整體性、減壓”的概念，利用數(shù)字鉆孔遙視儀和三維激光掃描設(shè)備分析路面破壞特征以及周圍巖石的微觀斷裂特性，系統(tǒng)地研究了深部巖石或煤巖組合機(jī)構(gòu)在不同條件下的宏觀/微觀動力行為。煤巖組合機(jī)構(gòu)在各種荷載條件下的宏觀/微觀動態(tài)行為，開發(fā)了一種圍巖的耦合注漿控制技術(shù)、深部巷道的標(biāo)準(zhǔn)強度幫和相應(yīng)的上覆地層速度矢量運動模型。

大雁公司第三煤礦由于地應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造等多種因素影響，導(dǎo)致圍巖破碎疏松，煤巖體損傷范圍較大，節(jié)理開裂。巷道開挖過程中，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜且分布不對稱，地應(yīng)力明顯增大，圍巖強度減弱，出現(xiàn)二次應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著煤炭資源集約化程度的逐步提高，淺層煤炭資源越來越稀少。為了提高煤炭工業(yè)的可持續(xù)性，礦井大多在深部開采。深部巷道存在不對稱高地應(yīng)力、巖性多樣等多種問題，難以確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的來源并采取有效的控制技術(shù)。巷道支護(hù)過程中，錨桿支護(hù)強度與支護(hù)結(jié)構(gòu)不匹配，造成巷道變形嚴(yán)重，對圍巖破壞特征、圍巖松動區(qū)范圍和煤巖裂隙分布特征研究不合理，工作面運輸巷在整個服役時期嚴(yán)重變形，經(jīng)過多次修復(fù)，控制效果不明顯。

1 地質(zhì)情況

大雁公司第三煤礦主要開采煤層為33#煤層和34#煤層，煤層間距為20 m。33#煤層為厚煤層，平均厚度為6.61 m，掘進(jìn)區(qū)域東部較西部略厚，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含1～2 層夾矸，夾矸最厚0.56 m 左右。34#煤層平均厚度約為3.0 m，已采空，工作面間留有15 m 煤柱。目前主要開采煤層為33#煤層，傾角3°～5°，平均厚度6.6 m，采用放頂煤開采，機(jī)采高度3.5 m，放頂煤高度3 m。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 頂板破壞位置確定

煤層上部開采后，頂板的應(yīng)力重新分布后使巷道頂板承受更大的荷載，在巷道底部形成了一定范圍的應(yīng)力抬升區(qū)，工作面的不同位置將使巷道處于不同的應(yīng)力環(huán)境中。由于缺乏巖體的原始環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征，在實驗室測量的煤巖樣品的力學(xué)參數(shù)反映工程現(xiàn)場的實際物理力學(xué)特性。通過大量巖石力學(xué)試驗和巖體現(xiàn)場試驗，經(jīng)過不斷修正和完善，用來模擬煤巖力學(xué)參數(shù)。根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，利用已建立的模型，建立FLAC3D數(shù)值模型。水平地應(yīng)力設(shè)為20.0 MPa，豎向地應(yīng)力設(shè)為14.6 MPa。模型初始應(yīng)力計算完成后，開始巷道開挖模擬。在開挖過程中，采用索單元模擬錨桿、錨索。

33#煤層掘進(jìn)過程中，大部分區(qū)域出現(xiàn)了幫部移近、頂板下沉、底鼓嚴(yán)重現(xiàn)象，并伴有部分區(qū)域錨桿和錨索斷裂、托盤彎曲等支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。煤層開采后，頂板巖層應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致頂板承載載荷增大，從而形成大范圍應(yīng)力提升區(qū)，掘進(jìn)位置不同使頂板應(yīng)力處于不同受力環(huán)境中?；跀?shù)值模擬，應(yīng)力相對距離的演化規(guī)律如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力相對距離的演化規(guī)律

如圖1 所示，以中心線為基點，當(dāng)掘進(jìn)工作面邊緣距工作面中心距離為-37.5 m 和-17.5 m 時，側(cè)向應(yīng)力峰值分別為23.2 MPa 和25.5 MPa。工作面?zhèn)认驊?yīng)力峰值呈“m 型”分布，峰值應(yīng)力先增大后減小。隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，頂板穩(wěn)定性控制著煤層上部薄弱巖層的移動。頂板破碎后裂隙形態(tài)、鉸鏈狀態(tài)以及關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性對圍巖應(yīng)力分布影響較大，底板應(yīng)力擾動將不可避免地影響煤層頂板的荷載分布規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬得到的工作面?zhèn)认驊?yīng)力分布規(guī)律，應(yīng)力曲線顯示了頂板側(cè)向斷裂前的應(yīng)力值。地應(yīng)力大，分布不均勻，巷道圍巖強度較低，初始支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖條件下不理想。由于圍巖破碎，錨桿與圍巖難以形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場觀測表明，部分錨桿與圍巖粘結(jié)不良，錨固效果較弱，不同層間容易發(fā)生滑動，圍巖變形與不平衡應(yīng)力不成比例，造成了頂板位置的破壞。

3 圍巖破壞與裂縫探測

為了更可靠地了解巷道深部圍巖的變形破碎情況，在頂板和幫部上進(jìn)行了鉆孔窺視現(xiàn)場試驗，主要用于探測圍巖巖性和裂隙發(fā)育情況及松動圈范圍大小。鉆孔窺視儀包括主裝置、探頭、測深滑輪等主要部件。測深滑輪用于記錄探頭在鉆孔中的深度，探針有一個內(nèi)置的LED 白光發(fā)光二極管（具有亮度調(diào)節(jié)電路）和一個攝像機(jī)來捕捉整面墻的圖像，視頻信號、控制探頭中的信號、數(shù)字羅盤信號通過電纜傳輸?shù)街鳈C(jī)。主機(jī)接收探測信號，并接收測深滑輪的深度脈沖信號，計算探頭的深度位置，進(jìn)行圖像記錄和匹配視頻信號的拼接。視頻和圖像的匹配和拼接可以同時進(jìn)行。隨著探頭繼續(xù)向孔內(nèi)移動，整個孔壁為自動匹配和拼接成一個完整的平面展開的圖片。

為了更可靠地了解巷道深部圍巖變形破碎情況，利用鉆孔窺視儀對巷道頂板和幫部進(jìn)行圍巖破壞與裂縫探測試驗，探測圍巖巖性與裂縫發(fā)育特征。鉆孔窺視可以準(zhǔn)確地顯示上覆巖層的巖性、厚度、分層和裂縫。寬度大于5 mm、長度大于10 mm 為明顯裂縫，寬度大于10 mm、長度大于100 mm 為顯著裂縫。

不同位置的鉆孔窺視結(jié)果如圖2 所示。巷道開挖變形穩(wěn)定區(qū)裂隙主要分布在巷道淺層區(qū)域，在0～2 m 范圍內(nèi)存在裂縫，2～4 m 范圍內(nèi)存在多條獨立水平和縱向裂縫。頂板窺視結(jié)果表明，頂板裂縫在0～2 m 深度相互貫通，2～5 m 深度范圍存在少量橫向裂縫和小裂縫。幫部淺層0～2 m 處出現(xiàn)裂縫和斷裂，2～4 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)交叉裂縫，裂縫擴(kuò)展程度包括水平裂縫和垂直裂縫。裂隙的存在給巷道支護(hù)帶來了嚴(yán)重影響，使巷道支護(hù)效果減弱。巷道變形量大，一般巷道變形速度和變形值較大，開挖后，壓力迅速釋放。巷道變形具有時間依賴性，修復(fù)后，巷道只能保持2 個月左右的穩(wěn)定。變形量增大，在某些情況下，變形速度隨著時間的推移而加快。鉆孔窺視結(jié)果為巷道支護(hù)方式及錨桿索支護(hù)材料的選擇提供了參考和依據(jù)。

某些指標(biāo)具有不同的量綱，為了方便對不同單位的指標(biāo)進(jìn)行加總，以及縱向比較各年度水平，在對原始指標(biāo)合成之前，需要進(jìn)行無量綱化處理。本文采用盧洪友等人的方法，用極差處理法進(jìn)行無量綱化，方法如下：

圖2 鉆孔窺視結(jié)果（m）

4 巷道支護(hù)方式

根據(jù)圍巖裂縫分布情況，錨桿應(yīng)力區(qū)應(yīng)覆蓋裂隙區(qū)，錨索長度應(yīng)大于塑性區(qū)深度，對改善圍巖受力情況起到有效作用。根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔窺視結(jié)果，結(jié)合巷道原支護(hù)，提出了一種錨索、錨桿綜合支護(hù)分步聯(lián)合控制方法。1）錨桿淺部承載區(qū)。2.4 m 圍巖淺層采用預(yù)應(yīng)力錨桿，輔以高強托盤和W型鋼帶提供聯(lián)合支護(hù)，防止破碎區(qū)圍巖破裂導(dǎo)致支護(hù)構(gòu)件破壞。2）錨索深部承載區(qū)。頂板采用8.3 m高預(yù)應(yīng)力錨索埋入穩(wěn)定巖層，兩幫均采用4.3 m 高預(yù)應(yīng)力錨索穿過裂隙帶，錨固在相對完整煤體。高預(yù)應(yīng)力錨索增加煤體抗剪能力，使巷道圍巖在一定程度上恢復(fù)三維應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)揮巷道深部圍巖承載能力。

具體支護(hù)方式： 頂板使用錨桿為Φ22 mm×2400 mm，錨桿間、排距為800 mm×800 mm，菱形布置，使用方托盤，長× 寬× 厚=150 mm×150 mm×8 mm；巷道頂板使用Φ21.8 mm×8300 mm 錨索進(jìn)行支護(hù)，使用方托盤，長×寬×厚=200 mm×200 mm×12 mm，錨索布置在錨桿排間，錨索間、排距為1500 mm×1600 mm；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為：Φ6 mm×1200 mm×900 mm，網(wǎng)孔為100 mm×100 mm。如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)措施（mm）

圍巖巷道注漿加固主要作用于構(gòu)造裂隙面，通過注漿改善結(jié)構(gòu)面摩擦力，使結(jié)構(gòu)面相互粘結(jié)。注漿過程中注漿壓力防止軟弱結(jié)構(gòu)面剪切破壞，改善圍巖物理力學(xué)參數(shù)。采用錨桿支護(hù)，加強巷道圍巖控制，注漿后巷道圍巖形成承載結(jié)構(gòu)，改善錨桿受力環(huán)境，增強錨桿錨固能力，使錨桿錨固和注漿加固發(fā)揮更大承載力。

在巷道頂板和兩幫施工注漿錨桿，錨桿規(guī)格為Φ25 mm×2400 mm，間距為1000 mm，注漿壓力為2.3～3.4 MPa。保護(hù)好錨桿注漿口，防止堵塞。注漿材料選用PO42.5 鋁硅酸鹽水泥單體漿體，水灰比為1:2.5。根據(jù)巷道實際掘進(jìn)情況，在巷道工作面后50～70 m 處進(jìn)行巷道兩幫注漿加固，改進(jìn)兩幫巖性可有效緩解底板應(yīng)力效應(yīng)。對裂隙巖體進(jìn)行注漿膠結(jié)，可提高巷道的整體承載力。

5 巷道控制效果

巷道表面相應(yīng)的現(xiàn)場測量可以有效、全面地反映支護(hù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，驗證巷道支護(hù)方案的效果，有助于巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。為了研究聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對巷道圍巖變形控制效果的影響，巷道掘進(jìn)段設(shè)置監(jiān)測站，對巷道圍巖變形進(jìn)行觀測，巷道變形量如圖4 所示。

圖4 巷道變形量

采用綜合分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對巷道進(jìn)行優(yōu)化，通過一次性支護(hù)，及時恢復(fù)了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實現(xiàn)巷道穩(wěn)定和施工安全控制。對破壞區(qū)域進(jìn)行噴漿加固支護(hù)，對圍巖進(jìn)一步加固。錨索支護(hù)擴(kuò)大承載圈，進(jìn)一步改善和恢復(fù)圍巖應(yīng)力狀況，實現(xiàn)巷道穩(wěn)定控制。支護(hù)完成后巷道變形量如圖4 所示。由于開挖擾動的影響以及其儲存變形能量釋放，地表巖體變形急劇增加。開挖30 d 后，地表位移和變形速率開始減小，50～60 d 后，變形速率趨于穩(wěn)定，在0.1～0.3 mm/d 以下，整體變形較小?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，優(yōu)化后的巷道設(shè)計方案合理，巷道頂板和幫部圍巖變形得到明顯控制。

隨著監(jiān)測時間增加，頂板錨索應(yīng)力逐漸增大，頂板錨索應(yīng)力逐漸穩(wěn)定在120 kN。頂板錨桿應(yīng)力初始觀測值為35 kN，錨桿受力逐漸增大，頂板錨桿應(yīng)力逐漸穩(wěn)定在70 kN。隨著監(jiān)測時間的增加，幫部錨索應(yīng)力初值為65 kN，幫部錨索應(yīng)力逐漸增大，穩(wěn)定在100 kN。錨桿和錨索在巷道頂板和幫部應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

深部巷道容易面臨各種挑戰(zhàn)，不對稱的高地應(yīng)力使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因很難判斷，不能采取有效的措施。根據(jù)深部高應(yīng)力巷道受采動擾動的不同時期，詳細(xì)地對比深埋高應(yīng)力巷道的變形失穩(wěn)特征，進(jìn)而反演巷道失穩(wěn)機(jī)理和控制技術(shù)，為深埋高應(yīng)力巷道的控制提供方法和途徑。現(xiàn)場實施具有可操作性和重復(fù)性，便于現(xiàn)場應(yīng)用和推廣。

6 結(jié)論

1）巷道開挖變形穩(wěn)定區(qū)裂隙主要分布在巷道淺層區(qū)域，在0～2 m 范圍內(nèi)存在裂縫，2～4 m 范圍內(nèi)存在多條獨立水平和縱向裂縫。

2）根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔窺視結(jié)果，結(jié)合巷道原支護(hù)，提出了一種錨索、錨桿綜合支護(hù)分步聯(lián)合控制技術(shù)，巷道頂板和幫部圍巖變形得到明顯控制。

3）采用綜合支護(hù)分步聯(lián)合控制技術(shù)，地表位移和變形速率開始減小，變形速率趨于穩(wěn)定，巷道變形較小，優(yōu)化后支護(hù)方案有效提高巷道穩(wěn)定性。開挖30 d 后，地表位移和變形速率開始減小，50～60 d 后，變形速率趨于穩(wěn)定，在0.1～0.3 mm/d 以下，整體變形較小。