深井软弱围岩采区回风巷卸压支护技术研究

2020-05-11周瑞

山东煤炭科技 2020年4期

周瑞

（霍州煤电金能煤业有限公司，山西静乐 031500）

1 工程背景

金能煤业一采区回风巷位于2#煤层中，平均埋深为900～1000m。巷道所在煤层的直接顶为4.5m左右的泥岩与砂质泥岩，基本顶为平均厚度在6.5m左右的粗粒砂岩，煤层底板向下直接底为2.55m左右的泥岩，基本底为平均厚度在8.3m左右的细砂岩。一采区回风巷道采用煤层沿底板掘进方式，走向长1306m，为矩形断面巷道，采用锚杆加U形钢联合支护的形式。

一采区回风巷为采区的主要大巷，其围岩变形量需要严格控制在一定范围内。结合巷道所处区域的工程地质条件及对其现场围岩变形观测可知，一采区回风巷埋深大，围岩处于高应力状态，在高顶压和测压作用下，巷道围岩容易出现大的变形，平均每半年就需要维修一次，成本高昂。巷道顶板最大下沉量高达200～300mm，平均变形速率为1.2～1.6mm/d，后期变形速率更高，需进行二次支护。

2 巷道围岩破坏失稳原因分析

（1）一采区回风巷围岩属于塑性围岩，力学性质与工程特性较差，岩体松散破碎，裂隙节理发育。巷道直接顶岩层抗压强度为20～60MPa，围岩具有易风化、遇水软化崩解等性质，导致强度变低。而且在地应力不变情况下随时间的增长出现变形不断增大和围岩强度降低的现象，表现出较强的流变特性。

（2）由于一采区回风巷埋深较大和围岩松散破碎，巷道周边应力较为集中导致顶底板及两帮变形较大。巷道原支护方式及后期翻修控制方案主要以加强巷道支护强度为主，通过强化巷道围岩支护强度以控制围岩变形。但采区巷道服务年限较长，反复进行巷道整修，势必会增加巷道支护成本，经济压力较大。

因此，想要从根本上解决高应力大变形问题，最好的办法就是改善巷道所处环境的应力状态，通过挖槽卸压将巷道放于低应力区，从而达到控制软岩巷道大变形，提高稳定性的目的。

3 软岩巷道卸压模拟分析

由于一采区回风巷底板卸压槽参数包括宽度和深度，卸压以后直接影响到围岩中新的裂隙产生和发育程度，最终影响到围岩注浆参数和注浆效果。利用数值计算软件UDEC模拟研究卸压前后巷道围岩应力场的变化，为现场施工提供直接参考具有重要的现实意义。

3.1 计算模型建立

根据巷道所处区域的工程地质条件，采用数值软件UDEC建立如图1所示的力学模型。在模型顶板施加均布载荷模拟上覆岩层的重量，q=∑γh=13.25MPa。根据地应力测量结果可知，该地区水平侧压系数λ为1.8，则模型上部边界水平应力23.85MPa。模型中底板卸压槽宽度为800mm、深度为1800mm，模型计算平衡后，对围岩的应力场及位移场变化进行分析，从而对卸压效果的好坏进行分析研究。

图1 力学模型

3.2 开挖卸压槽前后巷道围岩应力变化规律

为了研究卸压槽对围岩应力的影响，在巷道顶底板中线、两帮墙高的水平线位置，分别设置长度12m的观测线。在UDEC数值模拟计算的基础上，整理出开挖卸压槽前后巷道围岩不同观测线上测点的应力变化规律，如图2所示。

从图2中可知，卸压后距巷帮0～3m范围内两帮支承压力明显减小。卸压前两帮支承压力在距巷帮2m处达到最大值17.2MPa，而卸压后两帮支承压力在距巷帮4m处达到最大值17.05MPa，卸压后巷道两帮支撑压力峰值向围岩深部转2m并降低0.15MPa。卸压前后距巷帮4～12m范围内巷道两帮支承压力都趋于稳定，且都为16.6MPa。卸压前顶板垂直应力在距顶板8m处达到最大值16.09MPa，卸压后顶板垂直应力在距顶板9m处达到最大值16.16MPa。卸压后顶板峰值应力增加0.07MPa，且向围岩深部转移1m。

图2 卸压前后两帮和顶板围岩支承压力

图3 卸压前后底板垂直应力和两帮围岩水平应力

从图3中知，距底板0～12m范围内，距底板相同位置处卸压后底板垂直应力明显小于卸压前，较卸压前平均减小46.8%。距底板0～2m 范围内，卸压后底板垂直应力基本为0MPa，且距底板 0～5m范围内，卸压后底板垂直应力均小于3MPa，与卸压前相比底板5m范围内平均减小89.1%。两帮围岩水平应力距巷帮0～12m范围内一直增加，卸压后两帮0～1m范围内水平应力为0MPa，且距巷帮相同距离处卸压后水平应力比卸压前小，较卸压前平均减小29.7%。

图4 卸压前后顶板和底板水平应力

从图4中可知，卸压前顶板水平应力在距顶板6m处到达峰值47.77MPa，卸压后水平应力在距顶板7m处到达峰值45.22MPa。卸压后顶板水平应力峰值减小2.55MPa，且向围岩深部转移1m。卸压前底板水平应力在距底板8m处达到最大值38.15MPa，而卸压后底板水平应力在监测的距离内还未达到最大值，高应力向底板深部转移。

综上所述，底板开挖卸压槽后，巷道两帮和底板围岩支承压力和水平应力具有较明显卸压作用，而巷道顶板围岩的应力基本保持不变。开挖卸压槽以后，顶板下沉量非常小，顶板保持不动，而两帮位移量和底板底臌量较明显。

4 巷道卸压支护方案设计与施工

4.1 卸压支护方案设计

由于一采区回风巷地压大，所以在支护前先在底板开挖卸压槽进行卸压，卸压槽参数采用宽度×深度=800mm×1800mm，卸压槽长度为硐室长度。金能煤业所采2#煤层硬度较小，周边围岩强度较低，属于软岩性质，稳定性相对较差，针对此类型的巷道需要加大巷道的支护强度，因此提出对巷道采用锚注支护方式，通过注浆将围岩内部的裂隙封堵，防止巷道受到淋水影响而稳定性发生变化。即在底板卸压槽开挖完成后，沿巷道全断面施工树脂锚杆，挂网后喷射混凝土，同时在巷道顶板及两帮布置注浆锚杆。最终的支护示意图如图5所示。

图5 卸压支护断面设计图

4.2 现场实施及工艺要求

4.2.1 现场实施

刷出毛断面→实施第一层次喷浆（80mm）→打第一层次锚杆→第一层次挂钢丝绳→第二层次喷浆（100mm）→打第二层次锚杆→第二层次挂钢丝绳→第三层次喷浆（80mm）→打第一层次注浆锚杆→按腰线卧底与开挖卸压槽→第一层次注浆→根据观测监控数据打第二层次注浆锚杆→第四层次喷浆（60mm）→第二次注浆。

4.2.2 工艺要求

（1）钢丝绳搭接长度不小于锚杆间距，即不小于700mm，以搭接相邻的两个锚杆为准；中间加密的绳径为单股绳；钢丝绳间距第一层次为主绳间排距700mm×700mm，中间穿1股单股钢丝绳，使第一层次支护的钢丝绳间排距为350mm×350mm；第二层次为700mm×700mm，中间穿2股单股钢丝绳，使第二层次支护的钢丝绳间排距为230mm×230mm；钢丝绳要贴紧喷层面，锚杆托盘要压紧压实，严禁托盘悬空。

（2）锚杆锚固力不小于80kN，预紧力不得小于150N·m；外露螺帽长度30～50mm。

（3）巷道表面混凝土喷层要喷射均匀，保证喷射后的巷道表面无出露的钢筋网及矸石。

（4）根据标定的巷道腰线进行卧底，做到底板平整，坡度一致。

（5）各区段施工完毕后，必须将巷道内的烂杂物及时清理干净，做到工完、料净、现场清，达到验收标准。

4.3 结果分析

一采区回风巷施工后，在巷道内建立围岩变形观测站，对巷道围岩变形进行30d的观测，绘制曲线如图6所示。开挖卸压槽进行锚注支护后，变形主要集中在前期1～10d内，10～20d内变形逐渐变缓，20d后变形趋于稳定。最终巷道顶板下沉量为141mm，顶底板及两帮累计位移量分别为190mm、136mm，围岩变形处于可控范围。