文家坡煤矿巷道矿压观测及底臌机理分析

亢晓涛，陈 星，吕大钊

(1.陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712046；2.陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 彬州 713500；3.陕西彬长孟村矿业公司，陕西 长武 713600)

0 引言

锚杆支护已经成为我国巷道支护的主要支护形式[1]，解决了多数巷道支护问题。但随着当前煤矿开采深度的日益增加，在地应力增大、地质条件复杂化等因素影响下，很多煤矿巷道出现了不同程度的变形、底臌、开裂、冒顶等情况[2]。深部围岩在软岩、高应力的共同作用下的变形破坏机制较为复杂，国内外很多学者都对其问题开展了大量的研究，刘泉声[3-4]等对深部破碎软弱围岩支护机制进行了分析，对原有的支护方案进行了优化；王卫军[5]等分析了高应力软岩巷道塑性区的形成和发展过程，指出控制塑性区恶性扩展是保证巷道围岩稳定的关键；孟波[6]等研究破裂围岩锚固体以及锚杆的变形破坏特征；左建平[7]等研究发现开槽卸压后，应力明显向深部转移，能较好维护软岩巷道稳定；吴建星、方树林[8]等采用顶帮强力锚杆锚索支护和底板预应力全长锚固注浆锚索支护技术后，有效地控制了围岩变形量和巷道底臌。由于岩体工程的复杂性、多样性，导致高应力软岩巷道支护问题仍然较为突出。文家坡煤矿巷道具有底臌变形量大、变形速度快、持续时间长等特点，出现多次拉底现象，给巷道的安全高效生产带来巨大困扰。

1 工作面概况

文家坡煤矿4102工作面位于41盘区东侧，为矿井第二个回采工作面，走向长度2 650 m，倾向长度240 m，煤层埋深为547～730 m。工作面煤层结构较简单，厚度3.76～4.32 m，平均厚度3.93 m；倾角2°～6°，一般3°左右。工作面西边为4103(准备工作面)，东边为4101(已回采结束)，北边为红岩河保护煤柱，南边为41盘区开拓大巷。

本次监测地点为文家坡煤矿4102回风顺槽，巷道围岩成分主要包括：石英、高岭石及白云母。其中高岭石亲水性强，遇水膨胀，属于粘土类泥质膨胀岩。巷道围岩裂隙节理发育，淋水严重，水很容易进入围岩中，其中高岭石遇水软化、碎裂、崩解。4102工作面煤层顶底板情况见表1。

4102工作面回风顺槽设计长度3 103 m，矩形断面，掘进尺寸为5 500 mm×3 850 mm，采用锚网索+钢带+菱形网支护形式。采用φ22 mm×2 800 mm高强预应力锚杆，间排距700 mm×700 mm，预紧力矩不小于120 N·m，锚固力不小于100 kN；顶部锚杆与BHW-280-3.0-5.1型W钢带配合使用；锚索1×19芯结构、采用φ21.6 mm×8 800 mm钢铰线，每排4根，间排距1 400 mm×1 400 mm，预紧力200 kN；顶部采用φ6 mm的Q235钢筋焊制的金属网护表；帮部采用菱形钢丝网(12号铁丝)护表；底板混凝土砂浆浇筑，厚度300 mm。支护断面如图1所示。

2 矿压监测内容和方法

2.1 矿压综合监测项目

从表2看出，在4102回风顺槽中设置1个观测站，观测站内布置有：1组巷道表面位移观测点、1组锚杆、锚索受力观测点。

表1 煤层顶底板情况表

图1 4102回顺支护断面图

序号观测内容观测目的测试手段1巷道表面收敛监测巷道围岩浅部位移卷尺、测枪2锚杆受力监测锚杆受力状况液压枕3锚索受力监测锚索受力状况液压枕

2.2 矿压综合监测方法

巷道表面位移：采用十字布点法监测，如图2所示。施工步骤为：①在A、B、C、D等4处测点安设短锚杆，安装方法同普通锚杆；②在A、B点固定专业测绳，C、D点固定专业钢卷尺，测量OB、OA值；③在C、D点固定专业测绳，A、B点固定专业钢卷尺，测量OD、OC值。测量数据的精度为0.1 mm。

图2 表面位移测站布置示意图

锚杆工作阻力观测：采用MC-200型油压式锚杆测力计，量程40 MPa，与巷道表面收敛测站布置在同一断面，如图3所示。锚杆测力计全断面布置，锚杆测力计为7块并进行编号标记，初始压力一般不得低于5 MPa。

图3 锚杆受力测站布置示意图

锚索工作阻力观测：采用MC-200型油压式锚索测力计，量程60 MPa，如图4所示，锚索测力计全断面布置，锚索测力计为3块并进行编号标记，初始给定压力不得低于24 MPa。

图4 锚索受力测站布置示意图

在测站布置完成后，工作面推进至测站100 m范围内时，所有测站每星期观测3次，随着工作面不断推进直至仪器读数开始较明显变化时，往后每天观测1次。

3 监测结果及数据分析

3.1 巷道表面位移

巷道表面位移曲线如图5所示。

由图5可知，观测到27 d，测站一处顶底板最大累积移近量为248 mm，两帮最大累积移近量为251 mm；观测9 d之内，巷道围岩变形基本趋于稳定；顶底板最大移近速率为29.6 mm/d，两帮最大移近速率31 mm/d，均出现在测站布设后第27 d，后期围岩移近速率较大。测站一处围岩移近量整体不大，属回采期间围岩应力重新分布、变形正常释放过程。

3.2 锚杆索受力

锚杆测力计受力变化曲线如图6所示。

从图6可知，测站一锚杆受力最大达35 kN，最小的是5 kN；锚索受力最大达180 kN，最小为80 kN。距工作面170～100 m时，锚杆(索)受力比较稳定，波动不大，偶尔有波动可能是周期来压，属于正常情况；距离工作面100～60 m时，锚杆(索)受力略有增加；距离工作面60～30 m时，属超前应力影响区，锚杆(索)受力大幅增加；距工作面30 m以内时，属超前应力剧烈影响区，锚杆(索)受力增加显著。顶板锚杆受力较两帮大，顶板锚杆最大受力为35 kN，两帮锚杆最大受力为30 kN；测力计(液压枕)安装后前15 d变化不明显，之后逐渐变化量变大。锚杆(索)受力整体不大，锚杆最大受力不到其杆体屈服载荷的42.3%，锚索最大受力仅为其拉断载荷的29.5%，未达到最大受力载荷。

3.3 观测结果分析

由监测结果可知，文家坡煤矿围岩变形速度初期较慢，巷道开挖后，初期变形速度在1～3 mm/d左右，半年以后，变形速度仍然保持在1～5 mm/d，并最终引起变形速度再次增加、巷道剧烈破坏和支护体失效。

变形量大，巷道掘进后4～6个月巷道变形量就达到1 000～2 000 mm，巷道变形表现为四周来压，底臌特别大，整体收敛变形的特点。巷道剧烈变形持续时间长，从已经施工的巷道维护状况来看，虽然巷道已经掘进多年，但巷道并没有稳定，每隔3～5个月左右需要维修1次，4201工作面回风巷道起底已达4次，但底臌控制效果仍然不明显。

a-顶板变形量曲线图;b-顶板变形速度曲线图；c-两帮变形量曲线图；d-两帮变形速度曲线图图5 测站巷道表面位移变化曲线

a-锚杆受力曲线图；b-锚索曲线图图6 锚杆受力变化曲线

4 文家坡煤矿巷道底臌机理分析

巷道周边围岩处在复杂的环境和应力状态下，通常会伴随流变和渗流的耦合作用。开挖过程表现为加载、卸载和渗流的综合作用，如此往复的作用，会引起开挖时间过长的巷道发生大规模变形与失稳。

文家坡煤矿4102工作面巷道掘进时并未出现较大变形，但是巷道由于掘进后空置时间达一年以上，导致其在服务工作面时巷道表面收敛特别大，这就需要考虑本巷道的蠕变引起的问题。图7为蠕变时间阶段划分示意图。

a-稳定蠕变；b-不稳定蠕变图7 蠕变时间阶段划分

如图7所示，文家坡煤矿4102工作面巷道在高地应力、采掘扰动、水等共同作用下无法实现自稳，围岩蠕变为不稳定蠕变，如图7(b)所示，可分为瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段这4个阶段，对巷道造成破坏的大多是图7(b)中的CD阶段，加速蠕变状态。

5 结论

(1)通过文家坡4102工作面回风巷矿压、变形监测，锚杆(索)受力整体不大，未达到最大受力载荷，巷道锚网索+钢带+菱形网的支护形式保证了顶板及两帮围岩稳定，但以泥岩为主的巷道地板在高地应力、采掘扰动、水等共同作用下发生了不稳定蠕变，是文家坡煤矿软岩巷道底臌的主要原因。

(2)文家坡煤矿工作面巷道一次支护不能保证巷道围岩稳定，巷道反复维修、支护过程，加载、卸载和渗流的综合作用加剧了巷道围岩破坏，引起巷道发生大面积塑性变形与失稳，最终导致陷入反复破坏—维修的恶性循环。

(3)针对文家坡煤矿高应力软岩巷道的支护，必须把对底板的加固放在与顶、帮支护同等重要的地位，才能使整个巷道围岩形成一个整体承载结构，保证巷道稳定。