動(dòng)壓影響巷道切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)研究

范李巖

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)南河煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

巷道受一次或者多次采動(dòng)壓力影響后圍巖應(yīng)力集中，呈現(xiàn)變形量大、支護(hù)困難等特點(diǎn)[1]。特別是隨著煤層賦存深度增加，巷道所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造更為復(fù)雜、受地應(yīng)力影響更為顯著，動(dòng)壓影響巷道圍巖支護(hù)更為困難[2～3]。為此，眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)動(dòng)壓影響巷道圍巖支護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究，其中康紅普等[4]認(rèn)為預(yù)應(yīng)力在巷道圍巖支護(hù)中起重要作用，高預(yù)緊力、強(qiáng)支護(hù)可發(fā)揮錨網(wǎng)索主動(dòng)支護(hù)作用，并以章村礦動(dòng)壓影響巷道為工程實(shí)例，對(duì)全斷面高預(yù)緊力強(qiáng)烈錨索支護(hù)效果進(jìn)行分析；許興量等[5]針對(duì)曹村礦+500m水平大巷動(dòng)壓影響下圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題，綜合使用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)技術(shù)手段對(duì)動(dòng)壓影響巷道圍巖變形機(jī)理進(jìn)行分析，并針對(duì)性提出圍巖控制技術(shù)；陳曉祥等[6]針對(duì)綜放開(kāi)采動(dòng)壓影響巷道變形大問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)壓影響巷道巷幫塑性區(qū)剪切滑移變形是圍巖變形量的主要原因，控制巷幫變形應(yīng)對(duì)針對(duì)破碎區(qū)、塑性區(qū)滑移面進(jìn)行加固，提出采用注漿方式加固圍巖并強(qiáng)化頂?shù)装濉⑾飵椭ёo(hù)強(qiáng)度。15111工作面回采巷道為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)壓影響巷道圍巖變形特征進(jìn)行分析，并確定導(dǎo)致巷道變形破壞的主控因素，最后提成采用切頂卸壓方式降低巷道圍巖應(yīng)力集中程度、恒阻大變形錨索強(qiáng)化圍巖支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)壓影響巷道圍巖變形有效控制。

1 工程概況

15111 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度800m、傾向長(zhǎng)120m，采面整體為單斜構(gòu)造，兩順槽西高東低，落差約29～50m，工作面回采的15#煤層傾角6°～21°、平均15°，厚約2.4～4.5m，平均厚度3.15m，煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖等為主，具體頂?shù)装鍘r性如表1所示。根據(jù)回采巷道掘進(jìn)揭露以及已有物探資料顯示，采面626～632m段回風(fēng)順槽揭露頂板空洞區(qū)域，寬約0.8m，高約0.5m，方向?yàn)槲髂贤鶘|北方向延伸（N45°E）頂板局部有黃泥覆蓋，頂板破碎不完整。15111采煤工作面裝備ZZ8000/22/44型液壓支架、SGZ-764/400型刮板輸送機(jī)和MG300/730-WD 型采煤機(jī)，工作面采煤實(shí)行一次采全高開(kāi)采方式。15111 工作面采用“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式，留設(shè)的保護(hù)煤柱寬度為20m，待15103工作面回采完畢后15103 輔運(yùn)順槽作為15111 回風(fēng)順槽使用，具體采面位置如圖1所示。15111回風(fēng)順槽在采動(dòng)壓力影響下圍巖變形量較大，為此提出采用切頂卸壓方式降低動(dòng)壓對(duì)巷道圍巖變形影響同時(shí)使用恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓影響巷道圍巖變形有效控制。

圖1 巷道位置示意圖

表1 15#煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

2 動(dòng)壓影響巷道圍巖變形特征分析

動(dòng)壓影響巷道圍巖變形特征與巷道所處地質(zhì)條件、圍巖力學(xué)環(huán)境等密切相關(guān)，15111 回風(fēng)順槽埋深均值為300m，地應(yīng)力整體較小。在動(dòng)壓影響下15111回風(fēng)順槽原有的錨索出現(xiàn)失效，已無(wú)法滿足巷道控制需要，因此需要對(duì)巷道變形破壞的主控因素進(jìn)行分析，并針對(duì)性提出圍巖控制技術(shù)方法。

2.1 巷道圍巖變形特征

具體現(xiàn)場(chǎng)獲取的15111 回風(fēng)順槽圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。從現(xiàn)場(chǎng)變形情況可以看出，回風(fēng)順槽頂板破壞較為嚴(yán)重，圖2（a）、圖2（b）中可清晰地看到頂板出現(xiàn)不同程度下沉，巷道頂板變形破壞范圍超過(guò)1.5m甚至局部超過(guò)2.0m；頂板離層現(xiàn)象較為明顯，錨固區(qū)內(nèi)以及錨固區(qū)外巖體均出現(xiàn)一定程度的離層情況；頂板巖層破碎，局部頂板位置金屬網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)兜，頂板下沉量達(dá)到500～1000mm；部分支護(hù)用懸吊在半空中，已失去圍巖控制作用。巷道底板出現(xiàn)一定程度底鼓，如圖3（c）所示，局部位置底鼓量大是動(dòng)壓影響巷道變形特征之一，同時(shí)也是巷道圍巖控制難點(diǎn)，在底鼓影響下局部支柱出現(xiàn)傾斜，影響巷道正常使用。

圖2 巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)情況

2.2 圍巖變形主控因素分析

工程地質(zhì)條件、施工條件以及圍巖賦存環(huán)境等因素共同決定了巷道圍巖變形與破壞，依據(jù)15111回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)條件及圍巖變形特征等，將影響巷道變形破壞的因素歸結(jié)為以下2 個(gè)方面：①地質(zhì)因素，15111 回風(fēng)順槽淺部圍巖以泥巖、炭質(zhì)泥巖等為主，存在有承載能力差、強(qiáng)度低等點(diǎn)，同時(shí)煤層基本頂（K2 灰?guī)r）具有裂隙發(fā)育、充填有砂質(zhì)泥巖，巷道圍巖遇水后會(huì)進(jìn)一步降低其強(qiáng)度；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)巷道圍巖中裂隙發(fā)育，整體性及完整性較差。②開(kāi)采因素，采動(dòng)壓力影響下巷道原有應(yīng)力平衡狀態(tài)遭受破壞，導(dǎo)致圍巖中塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，原支護(hù)體系錨固端不再處于塑性區(qū)之外，導(dǎo)致圍巖變形量進(jìn)一步增加；頂板淺部巖體受較大的拉應(yīng)力影響，局部出現(xiàn)破斷垮落情況。

3 切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用

依據(jù)15111 回風(fēng)順槽圍巖變形特點(diǎn)及圍巖變形主控因素分析結(jié)果并針對(duì)巷道原有錨索支護(hù)強(qiáng)度低、無(wú)法控制巷道圍巖變形等問(wèn)題，提出采用切頂卸壓+恒阻大變形錨索控制圍巖，通過(guò)切頂卸壓后在頂板局部范圍內(nèi)切斷應(yīng)力傳遞路徑，降低巷道圍巖應(yīng)力集中程度，以便保護(hù)巷道頂板完整性；通過(guò)恒阻大變形錨索強(qiáng)化圍巖支護(hù)，進(jìn)一步控制頂板下沉量，充分發(fā)揮巷道圍巖自身承載能力，確保巷道斷面滿足使用需要。

3.1 切頂卸壓參數(shù)

切頂卸壓護(hù)巷關(guān)鍵需要確定合理的切頂參數(shù)，采用理論計(jì)算以及工程規(guī)范兩個(gè)方面合理確定切頂鉆孔技術(shù)參數(shù)[7-9]。

（1）理論計(jì)算。理論計(jì)算依據(jù)相關(guān)學(xué)者提出的碎脹系數(shù)切縫計(jì)算公式確定，具體表達(dá)式為：

式中：H縫——切頂鉆孔切頂高度，m；

H采高——采面開(kāi)采高度，取3.15m；

ΔH1——頂板下沉量，0.06m；

ΔH2——底板底鼓量，0.05m；

k——破碎巖體碎脹系數(shù)，取1.4。

將上述參數(shù)帶入公式（1）即求得H縫=7.6m。

（2）依據(jù)相關(guān)工程規(guī)范，確定H縫≥2.6H采高。采面采高為3.15m，則切縫高度應(yīng)在8.2m 以上。綜合考慮確切頂鉆孔切頂高度為8.2m。

依據(jù)15111回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)情況，將切頂鉆孔布置在與頂板距采面幫200mm位置且向采面幫有10°傾斜角，切頂鉆孔沿著巷道走向布置，鉆孔間距均為800mm，切縫深度統(tǒng)一為8.2m。

3.2 恒阻大變形錨索支護(hù)

采用恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，可起到承受?chē)鷰r大變形目的，而且可吸圍巖變形釋放的能量。具體在巷道內(nèi)恒阻大變形錨索布置情況如圖3所示。恒阻大變形錨索一排布置3 根，布置間排為1200mm、排距為800mm。在靠近切頂鉆孔位置布置恒阻大變形錨索可減少切頂爆破對(duì)頂板影響，降低頂板下沉量。

圖3 恒阻大變形錨索布置示意圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在15111回風(fēng)順槽進(jìn)行切頂卸壓后，布置測(cè)站持續(xù)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形情況，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

通過(guò)切頂卸壓切斷了巷道頂板應(yīng)力傳遞路徑，從而降低采動(dòng)壓力對(duì)巷道圍巖變形影響、降低巷道圍巖應(yīng)力集中程度；同時(shí)通過(guò)恒阻大變形錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)一步發(fā)揮巷道直接頂（K2灰?guī)r）自身承載能力，減少巖層離層量及變形量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，15111回風(fēng)順槽圍巖變形量在切頂、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后75d基本趨于穩(wěn)定，其中頂板下沉、兩幫位移量分別穩(wěn)定在103mm、82mm，圍巖變形量整體較小，表明現(xiàn)場(chǎng)確定的切頂卸壓技術(shù)參數(shù)以及恒阻大變形錨索布置參數(shù)等較為合理，采用的支護(hù)技術(shù)在控制動(dòng)壓巷道圍巖變形方面取得較好效果。

4 總結(jié)

（1）15111 回風(fēng)順槽圍巖變形呈現(xiàn)出頂板下沉量大、底鼓嚴(yán)重等問(wèn)題，綜合分析導(dǎo)致巷道變形量大的主控因素包括有地質(zhì)因素、開(kāi)采因素。地質(zhì)因素是巷道淺部圍巖以泥巖、炭質(zhì)泥巖等為主，承載能力差、強(qiáng)度低，基本頂（K2 灰?guī)r）具有裂隙發(fā)育、整體性及完整性較差；開(kāi)采因素是采動(dòng)壓力導(dǎo)致圍巖中塑性區(qū)擴(kuò)展，原支護(hù)體系錨固端不再處于塑性區(qū)之外，導(dǎo)致圍巖變形量進(jìn)一步增加，頂板淺部巖體受較大的拉應(yīng)力影響，局部出現(xiàn)破斷垮落情況。

（2）基于15111 回風(fēng)順槽現(xiàn)場(chǎng)情況，綜合使用切頂卸壓+恒阻大變形錨索控制圍巖變形，通過(guò)切頂卸壓降低回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力集中程度，恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)提高頂板下沉量及離層量?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，15111回風(fēng)順槽圍巖變形量大問(wèn)題得以較好解決，巷道頂板下沉、兩幫位移量分別穩(wěn)定在103mm、82mm，基本不出現(xiàn)底鼓情況，可滿足巷道后續(xù)使用需要。