大采高工作面雙巷圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制研究

李建永

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 晉城 048006)

大型綜采工作面回采過(guò)程中，由于單巷布置難以滿足超長(zhǎng)距離(3 500～4 000 m)通風(fēng)、運(yùn)料和行人的需要，通常采用雙巷布置方式[1-3]. 在雙巷布置中，回采巷道將先后受到巷道掘進(jìn)、本工作面回采和相鄰工作面回采多次劇烈動(dòng)壓影響，容易出現(xiàn)頂板嚴(yán)重下沉、大面積片幫、底鼓及支護(hù)體損壞等礦壓顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響了工作面的安全高效開(kāi)采[4-5].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙巷布置煤柱穩(wěn)定性、留巷圍巖應(yīng)力分布與變形特征以及留巷支護(hù)和加固等做了一些探索性研究工作，余學(xué)義等[6-7]對(duì)雙巷布置工作面巷間煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析確定了保證煤柱穩(wěn)定性的合理煤柱留設(shè)寬度；張學(xué)成[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)多次采動(dòng)影響下的雙巷布置工作面留巷圍巖變形規(guī)律進(jìn)行了分析；李永恩等[9-10]通過(guò)分析雙巷布置工作面留巷圍巖塑性演化規(guī)律，得到不同階段巷道塑性區(qū)分布特征并針對(duì)性地提出補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。但針對(duì)雙巷布置工作面留巷從雙巷掘進(jìn)、本工作面回采直至相鄰工作面回采的全過(guò)程圍巖變形破壞特征以及相應(yīng)圍巖控制技術(shù)仍有待深入研究。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

3101大采高綜采工作面為某礦首采工作面，工作面傾向長(zhǎng)260 m，推進(jìn)走向長(zhǎng)3 904 m，煤層埋深693～721 m，傾角1°～4°，平均采厚5 m. 底板和直接頂為粉砂巖，均厚分別為10.2 m和2.3 m；基本頂為中砂巖，均厚19.8 m. 3101工作面采用雙巷布置，雙巷之間的煤柱寬度為35 m，3101輔運(yùn)巷在3101工作面回采后作為相鄰3102工作面的回風(fēng)巷繼續(xù)使用，見(jiàn)圖1.

1.2 巷道圍巖支護(hù)方案

3101工作面主運(yùn)巷與輔運(yùn)巷采用雙巷布置，均為矩形斷面，斷面尺寸5 200 mm×3 700 mm，頂板及煤柱幫選用d20 mm×2 200 mm螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，間排距800 mm×1 000 mm；頂板錨索采用d17.8 mm×6 300 mm，間排距2 400 mm×2 400 mm；回采幫采用d25 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距800 mm×1 000 mm，支護(hù)方式見(jiàn)圖2.

圖2 3101工作面巷道現(xiàn)有支護(hù)方式圖

2 巷道圍巖變形破壞特征

2.1 輔運(yùn)巷圍壓變形特征

為研究3101輔運(yùn)巷在雙巷掘進(jìn)及本工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在雙巷掘進(jìn)及留巷期間，進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，測(cè)站布置見(jiàn)圖1中測(cè)區(qū)I，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：

1) 雙巷掘進(jìn)期間。

3101輔運(yùn)巷在雙巷掘進(jìn)期間圍巖變形量不大，頂?shù)装遄畲笪灰萍s為184 mm，兩幫最大位移量190 mm，受雙巷掘進(jìn)影響呈現(xiàn)實(shí)體煤幫位移較大、實(shí)體煤位移較小的不對(duì)稱(chēng)變形特征。

2) 留巷期間。

留巷期間巷道圍巖表面位移量見(jiàn)圖3. 由圖3可知：在工作面采動(dòng)超前支承壓力影響下，巷道圍巖變形量雖有增加，但幅度不大，整個(gè)采動(dòng)超前影響期間，巷道頂板下沉量為124 mm，兩幫移近量不超過(guò)243 mm；圍巖變形主要發(fā)生在工作面后方，在工作面推過(guò)200 m位置時(shí)，巷道開(kāi)始持續(xù)變形，但整體變形量較小，仍在可控范圍；推過(guò)300 m后能明顯觀測(cè)到巷道變形，頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形快速增加，巷道底板出現(xiàn)明顯的裂縫；推過(guò)350 m位置時(shí)，巷道變形開(kāi)始加劇，巷道圍巖表面破碎、頂板嚴(yán)重下沉、幫部鼓起、底鼓明顯，局部區(qū)域出現(xiàn)錨網(wǎng)破損和錨桿錨索破斷失效現(xiàn)象；滯后550 m以上時(shí)，巷道變形速度開(kāi)始減緩，圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 3101輔運(yùn)巷礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)圖

2.2 圍巖內(nèi)部裂隙分布情況

為進(jìn)一步掌握巷道圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，在3101輔運(yùn)巷進(jìn)行鉆孔窺視，在巷道測(cè)區(qū)II中斷面上布置5個(gè)鉆孔，利用鉆孔窺視儀對(duì)巷道頂板以及兩幫內(nèi)部進(jìn)行窺視，觀測(cè)巷道頂板及兩幫不同深度內(nèi)部的破壞及裂隙發(fā)育情況，確定巷道圍巖松動(dòng)破壞范圍。頂板鉆孔窺視情況見(jiàn)圖4.

通過(guò)對(duì)鉆孔窺視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，基于鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育情況繪制了圍巖破碎區(qū)、裂隙區(qū)，最終確定了圍巖松動(dòng)圈范圍，見(jiàn)圖5.

圖5 圍巖破壞范圍鉆孔窺視結(jié)果圖

由圖5可知，頂板及兩幫破壞范圍具有以下特征：1) 頂板在淺部0～1.3 m存在破碎帶，裂隙從錨固區(qū)內(nèi)一直擴(kuò)展到3.6 m范圍內(nèi)，同時(shí)在頂板上部1.3 m和3.5 m不同巖性層面交界處出現(xiàn)一定程度的離層。2) 煤柱幫淺部破碎嚴(yán)重，裂隙發(fā)育造成塑性破壞最大深度可達(dá)4.0 m，在3.2 m處出現(xiàn)空幫現(xiàn)象，圍巖完整性差；回采幫破壞程度不大，1.5～2.4 m有裂隙發(fā)育，圍巖塑性破壞深度在2.5 m以內(nèi)。

對(duì)巷道同一斷面不同位置的鉆孔窺視情況進(jìn)行對(duì)比分析得出，巷道圍巖整體0～4 m存在不同程度的裂隙發(fā)育，圍巖松動(dòng)圈范圍從大到小依次為：煤柱幫>頂板>實(shí)體煤幫，圍巖兩幫變形破壞呈明顯不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，在多次采動(dòng)和采空區(qū)覆巖活動(dòng)的共同作用下，巷道的薄弱區(qū)域主要為煤柱幫和頂板，即頂板與煤柱幫的治理是巷道圍巖控制的關(guān)鍵。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

3101輔運(yùn)巷先后受巷道掘進(jìn)、本工作面回采和采空區(qū)覆巖活動(dòng)的影響，其圍巖變形破壞是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了分析雙巷布置在不同階段巷道變形破壞機(jī)制，采用FLAC3D軟件建立雙巷布置工作面三維數(shù)值模型，見(jiàn)圖6. 三維模型長(zhǎng)240 m，寬248 m，高60 m. 模型水平方向位移約束，底邊界垂直方向位移約束，上邊界垂直載荷17.5 MPa，側(cè)壓系數(shù)取1.2，煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1. 采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，數(shù)值模擬開(kāi)挖過(guò)程為：初始平衡→掘進(jìn)3101輔運(yùn)巷→掘進(jìn)3101主運(yùn)巷→回采3101大采高工作面。

圖6 三維數(shù)值模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

主應(yīng)力差是反應(yīng)材料剪切應(yīng)力的分布狀態(tài)，能更全面地揭示圍巖變形破壞的本質(zhì)。對(duì)雙巷掘進(jìn)期間及本工作面回采后輔運(yùn)巷圍巖主應(yīng)力差演化規(guī)律進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7.

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

圖7 輔運(yùn)巷圍巖主應(yīng)力差分布規(guī)律圖

由圖7a)可知：1) 掘進(jìn)期間，圍巖主應(yīng)力差呈淺部升高，到一定深度主應(yīng)力差峰值過(guò)后再逐漸減小至穩(wěn)定的趨勢(shì)，說(shuō)明巷道淺部一定范圍內(nèi)處于卸壓狀態(tài)，隨著圍巖深度的增加，頂板、底板及兩幫均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中狀態(tài)，此后圍巖逐步恢復(fù)原巖應(yīng)力狀態(tài)。2) 頂板、底板主應(yīng)力差值整體大于兩幫，且主應(yīng)力差極大值出現(xiàn)在頂板，此時(shí)頂板承受更大的主應(yīng)力差，承載了更多的上覆巖層重量。3) 巷道圍巖主應(yīng)力差峰值分布在圍巖2.0 m范圍內(nèi)，巷道變形破壞深度不大，圍巖具有較好的完整性和承載能力，能夠保證巷道在雙巷掘進(jìn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。

由圖7b)可知：1) 本工作面回采后，巷道圍巖應(yīng)力差值出現(xiàn)大幅增加，主要因?yàn)楸竟ぷ髅婊夭蛇^(guò)后，采空區(qū)覆巖高支承應(yīng)力向巷道轉(zhuǎn)移，造成巷道整體處于高應(yīng)力環(huán)境。2) 巷道圍巖主應(yīng)力差峰值分布深度明顯增加，頂板、底板、煤柱幫及實(shí)體煤幫主應(yīng)力差峰值深度位置分別為3.8 m、2.2 m、4.3 m和2.4 m，巷道出現(xiàn)不同程度的變形破壞，圍巖完整性和承載能力較差。3) 主應(yīng)力差極大值由頂板向煤柱幫轉(zhuǎn)移，且煤柱幫整體應(yīng)力差值要遠(yuǎn)大于頂板、底板及實(shí)體煤幫，此時(shí)頂板承載能力大幅降低，煤柱幫承受更多的主應(yīng)力差，若頂板和煤柱幫得不到及時(shí)強(qiáng)化控制，在高應(yīng)力長(zhǎng)期作用影響下，易造成頂板和煤柱失穩(wěn)。

4 巷道變形破壞機(jī)制及支護(hù)對(duì)策

4.1 變形破壞機(jī)制分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值分析可知，3101輔運(yùn)巷雖然采用錨桿、錨索及錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，但在留巷期間巷道頂板下沉量大，煤柱幫鼓嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，結(jié)合圍巖巖性和應(yīng)力環(huán)境綜合分析，巷道圍巖破壞的主要原因如下：

1) 圍巖強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育程度高。3101輔運(yùn)巷為全煤巷道，強(qiáng)度低，由鉆孔窺視可知煤體裂隙發(fā)育程度較高，為軟弱破碎煤體；留巷要經(jīng)歷相鄰兩個(gè)工作面的回采，服務(wù)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般巷道，在應(yīng)力和時(shí)間等因素的共同影響下，使巷道產(chǎn)生較大變形。

2) 支承壓力大、分布范圍廣。3101工作面埋深達(dá)到700 m，且上覆基本頂為近20 m厚的堅(jiān)硬砂巖，在大采高長(zhǎng)工作面回采過(guò)程中采空區(qū)懸頂范圍大，上覆巖層大載荷向采空區(qū)周邊煤巖體傳遞，相應(yīng)產(chǎn)生的超前支承壓力及側(cè)向支承壓力大且影響范圍廣。

3) 多重采動(dòng)影響。3101輔運(yùn)巷服務(wù)期間，先后受多次掘進(jìn)采動(dòng)以及本工作面采空區(qū)覆巖活動(dòng)的影響，不同時(shí)間、不同順序和不同位置的掘進(jìn)回采會(huì)造成應(yīng)力疊加現(xiàn)象，往往在頂板和實(shí)體煤幫產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，對(duì)巷道周?chē)a(chǎn)生不同程度的破壞。

4) 支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)不合理?，F(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)參數(shù)往往參考周邊煤礦支護(hù)設(shè)計(jì)，采用完全對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度明顯不能滿足整個(gè)留巷期間的要求，需要根據(jù)留巷地質(zhì)生產(chǎn)條件以及圍巖變形特征，選擇科學(xué)合理的支護(hù)方式和參數(shù)，保證巷道的安全穩(wěn)定。

4.2 巷道圍巖支護(hù)對(duì)策

由上述巷道圍巖變形破壞機(jī)制分析可知，要實(shí)現(xiàn)大采高雙巷布置巷道圍巖穩(wěn)定性必須要在保證巷道整體性前提下對(duì)巷道關(guān)鍵部位(煤柱幫和頂板)加強(qiáng)支護(hù)，保證巷道圍巖在回采過(guò)程中的穩(wěn)定性，控制原理見(jiàn)圖8.

圖8 巷道關(guān)鍵部位控制原理圖

根據(jù)圖8所示，提出以下控制對(duì)策：

1) 強(qiáng)化巷道圍巖的護(hù)表作用，提高巷道整體性。多重采動(dòng)影響下巷道圍巖表面松散破碎、裂隙發(fā)育，造成錨桿錨索作用范圍較小，達(dá)不到護(hù)表的要求，通過(guò)巷道全斷面錨網(wǎng)配合大面積鋼帶增加受力面積并提高護(hù)表結(jié)構(gòu)剛度，保證巷道的完整性。

2) 加強(qiáng)煤柱幫支護(hù)，增強(qiáng)其承載性能。針對(duì)巷道兩幫不對(duì)稱(chēng)破壞礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，對(duì)破壞較為嚴(yán)重的煤柱幫進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)，通過(guò)高強(qiáng)加長(zhǎng)錨桿并配較大面積的鋼板托盤(pán)將淺部破碎且裂隙發(fā)育的煤體錨固至較為完整穩(wěn)定的區(qū)域。此外，采用高預(yù)應(yīng)力且大延伸率錨索在煤柱內(nèi)部形成倒梯形的閉鎖結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高煤柱幫的承載能力。

3) 提高頂板穩(wěn)定性，避免高支承應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移。高支承應(yīng)力的長(zhǎng)期作用會(huì)不可避免地引起頂板下沉，隨著頂板下沉量達(dá)到一定值，頂板巖層松動(dòng)范圍增大并會(huì)出現(xiàn)離層破壞，穩(wěn)定性變差，如果頂板得不到及時(shí)控制，高支承應(yīng)力會(huì)向巷道兩幫和底板轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致整個(gè)巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形破壞，造成巷道整體失穩(wěn)。因此，為了提高巷道頂板穩(wěn)定性，需加大錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度。

5 工程實(shí)踐

5.1 強(qiáng)化控制方案

根據(jù)支護(hù)對(duì)策分析，結(jié)合該礦實(shí)際工程條件，提出以“全斷面錨網(wǎng)+高強(qiáng)加長(zhǎng)錨桿+高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索”為主體的圍巖強(qiáng)化控制方案，見(jiàn)圖9.

圖9 巷道強(qiáng)化控制方案圖

具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)參數(shù)：巷道煤柱幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)采用錨索+W型鋼帶，錨索間排距為1 200 mm×2 000 mm，錨索規(guī)格d21.8 mm×5 300 mm(1×19股)，每排3根；巷道頂板在原有每?jī)膳佩^索中間垂直補(bǔ)打一排錨索并加W鋼帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，每排布置3根錨索，錨索規(guī)格d 21.8 mm×8 300 mm(1×19股)，間距2 400 mm，錨索預(yù)緊力不小于200 kN；托盤(pán)采用300 mm×300 mm×20 mm碟形托盤(pán)，W型鋼帶規(guī)格為3 200 mm× 250 mm×3 mm.

2) 錨網(wǎng)及高強(qiáng)加長(zhǎng)錨桿支護(hù)參數(shù)：對(duì)巷道進(jìn)行全斷面高強(qiáng)金屬網(wǎng)鋪設(shè)，網(wǎng)孔距為50 mm×50 mm；在兩幫與頂板支護(hù)失效區(qū)域補(bǔ)打d22 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，頂幫錨桿錨固力均達(dá)到100 kN，扭矩力不低于300 N·m，錨桿托板采用鋼板托盤(pán)，規(guī)格180 mm×180 mm×10 mm.

5.2 支護(hù)效果分析

在相鄰工作面回采之前，采用“全斷面錨網(wǎng)+高強(qiáng)加長(zhǎng)錨桿+高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索”支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行強(qiáng)化控制，為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在巷道內(nèi)設(shè)置圍巖變形監(jiān)測(cè)斷面，并對(duì)圍巖變形進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10. 由圖10可知，工作面回采期間，巷道頂、底板移近量分別為380 mm和315 mm；煤柱幫和實(shí)體煤幫移近量分別為352 mm和338 mm，圍巖整體變形在可控范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，說(shuō)明強(qiáng)化控制方案達(dá)到預(yù)期效果。

圖10 相鄰工作面回采期間巷道圍巖變形圖

6 結(jié) 論

1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，大采高雙巷布置工作面留巷圍巖變形呈頂板嚴(yán)重下沉、底板鼓起、兩幫非對(duì)稱(chēng)破壞特征。圍巖松動(dòng)圈范圍從大到小依次為：煤柱幫>頂板>實(shí)體煤幫，煤柱幫和頂板是巷道圍巖變形破壞控制的重點(diǎn)區(qū)域。

2) 提出以“全斷面錨網(wǎng)+高強(qiáng)加長(zhǎng)錨桿+高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索”為主體的圍巖強(qiáng)化控制對(duì)策，具體包括：強(qiáng)化巷道圍巖的護(hù)表作用，提高巷道整體性；加強(qiáng)煤柱幫支護(hù)，增強(qiáng)其承載性能；提高頂板穩(wěn)定性，避免高支承應(yīng)力向兩幫、底板轉(zhuǎn)移。

3) 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，強(qiáng)化控制方案能夠有效控制巷道頂板下沉，減弱兩幫不對(duì)稱(chēng)變形，巷道圍巖控制效果顯著。