松软煤层上山巷道破坏特征与围岩控制方法

樊 帆

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院)

软岩巷道围岩变形和控制一直是巷道支护的难点之一，当巷道布置在松软煤层中时，由于其强度低，与此同时受到工作面动压的影响，导致巷道帮部极易发生破坏，从而影响矿井正常生产[1-2]。近年来，在松软煤层控制技术方面已取得很多研究成果。李兵[3]以五一煤矿为例，利用钻孔窥视和数值模拟分析，对多次采动压力下松软煤层的变形特征及机理进行研究，针对矿井实际条件提出合理的支护设计。温志东[4]针对赵庄煤业13112顺槽掘进后帮部严重变形问题，通过理论分析对顺槽变形原因及加固机理进行研究，认为其变形破坏的主要原因是煤层强度低，高应力环境及支护强度不足，并提出注浆锚索补强支护方案，现场加固效果良好。程建业[5]基于新郑煤电公司煤层巷道在高应力条件下难以维护的问题，提出高应力松软煤层巷道破坏是围岩自承能力逐步丧失的过程，采用主动支护与被动支护相结合的方式可以使围岩始终具有一定的自承能力。本项目针对范各庄矿3281上山松软煤层地质条件下巷道变形严重的问题，利用现场实测和理论分析的方法，对松软煤层巷道破坏特点及机理进行研究，在此基础上，提出注浆锚索加固的补强支护方案。

1 工程概况

3281上山服务于8号煤层3281S、3283S、3285S工作面的开采，巷道沿东西走向布置，3281S工作面已经开采完毕，3283S工作面正在回采中。其中3281S西部大部分区域上覆3271S采空区。3271S采空区停采线位置在3281上山北部处15 m。采掘布置如图1所示。

图1 采掘布置平面(单位：m)

3281上山巷道断面形状为直墙半圆拱形，巷道净宽4.5 m，净高2.6 m。上山巷道沿煤层底板布置，煤层厚度为1.3 m，平均抗压强度为8.65 MPa，巷道顶板为粉砂岩，厚度2.95 m，平均抗压强度为39 MPa，上部深灰色，质地均一，细腻，含植物化石。下部局部发育灰白色细砂岩，块状，坚硬，含炭化薄膜。底板为粉砂岩—细砂岩—粉砂岩，粉砂岩灰黑色，质地均一，细砂岩灰白色，坚硬，硅质胶结。

2 巷道围岩破坏模式分析

2.1 巷道表面位移观测

为研究3281上山巷道变形特点，在3281S工作面回采期间，对3281上山巷道进行巷道表面位移观测，选取其中具有代表性的测点(图2)，进行数据分析。

图2 3281上山巷道变形特征

由监测数据可知，4个测点中，除了2#测点，均表现出底鼓量>正帮变形量>副帮变形量>顶板下沉量。具体变形特点如下。

巷道底鼓表现最为明显，最大底鼓量介于220～600 mm之间，其中2#测点底鼓量最小，4#测点底鼓量最大。由监测时间来看，在0～30 d监测初期，巷道底鼓变化迅速，3个测点底鼓量大于300 mm，在30～50 d监测中期，巷道底鼓趋势变缓，并有稳定趋势，在监测末期，巷道底鼓量缓慢增加，趋于稳定。

帮部变形相对较大，从变形量大小来看，正帮变形量大于副帮，正帮变形量介于240～360 mm，副帮变形量介于100～220 mm。对1#、2#、4#测点监测数据分析可发现，监测初期，0～17 d，正副帮变形量接近，两者差异较小，随着时间增加，两者变形量差异变大，最终表现为正帮变形量大于副帮。

顶板变形量最小，4个测点顶板最大变形量均小于100 mm，造成该现象的主要原因是巷道顶板围岩强度高，且上山巷道采用锚杆、索和架棚共同支护，支护强度较高，导致顶板变形量最小。

2.2 巷道松动圈发育情况

为确定帮部围岩内部裂隙发育情况，利用钻孔窥视仪3281上山帮部围岩进行探测(图3)，钻孔深度8 m，钻孔直径28 mm。根据钻孔窥视可得：距离帮部0～1.3 m的浅部位置围岩破碎，存在较多离层裂隙，破坏严重；在1.3～2.5 m之间，裂隙发育，局部存在离层裂隙，但裂隙大小明显小于浅部；在2.5 m以深的围岩深部，孔壁粗糙，裂隙主要表现为小裂隙，到3.6 m时，孔壁趋于光滑，未发现裂隙。

图3 钻孔窥视截图

3 巷道围岩破坏的力学机理

3.1 巷道力学模型

3281轨道上山断面形状为直墙半圆拱形，依据等效开挖理论，可将直墙半圆拱形断面等效为圆形巷道进行分析，巷道模型如图4所示。

图4 圆形巷道力学模型

岩体由弹性进入塑性平衡条件时，极限平衡条件为

(1)

极限平衡区静力平衡方程为

(2)

当不考虑支护作用时：根据弹性力学及摩尔—库伦强度准则可得，双向等压条件下圆形巷道周边切向应力σθ和径向σr应力分布如下。

(3)

(4)

(5)

(6)

由于圆形巷道切向方向上弹塑性边界相同，联立上式可得

(7)

(8)

考虑支护作用时，则(7)、(8)可改写为

(9)

(10)

3.2 巷道破坏机理分析

为了研究不同因素对巷道破坏和变形的影响，分别对埋深、围岩强度和支护强度进行定量分析。其中选取现场煤层及顶底板3种岩样参数，煤、粉砂岩和细砂岩，以此进行理论研究，使其结果更能反映现场巷道破坏特征。参数选取如表1。

表1 巷道围岩力学参数

为分析巷道埋深对圆形巷道破坏范围和变形的影响，控制支护强度pi=0.2 MPa,分别设置埋深为200、400、600、800、1 000、1 200 m，3种岩性条件下圆形巷道塑性区范围和位移如图5、图6。

由图5可知，3种岩性条件下，围岩塑性区范围均随着埋深增加而增加，其变化趋势均接近于直线，由此可见，巷道塑性区范围受埋深影响较大，3种岩性中，由于煤的强度最低，其变化趋势最大，其次分别为细砂岩和粉砂岩。在图6中，3种岩性条件下，变形量并未表现为线性增长趋势，随着埋深增加，增长趋势越来越快，其中，煤的变形量增加速度最快，埋深从200 m增加至1 200 m时，变形量由5.23 m增加至292.36 mm。而粉砂岩和细砂岩位移变化趋势较为平缓，200 m时，变形量分别为1.39和1.10 mm，1 200 m时，变形量仅增加40.91和42.77 mm。3281上山巷道顶板为粉砂岩，底板为细砂岩，两帮为煤，埋深约为700 m，依据以上分析，在相同条件下，3281两帮抵抗变形能力明显弱于顶底板。

图5 埋深对塑性区的影响

图6 埋深对巷道变形的影响

为研究支护强度对巷道破坏和变形的影响，取埋深为700 m，分别设置支护强度pi为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，不同岩性条件下巷道塑性区范围和位移如图7、图8。

图7 支护强度对塑性区的影响

由图7分析可得，3种岩性条件下，巷道塑性区大小均随着支护强度增加呈减小趋势，其中，当围岩为煤时，随着支护强度由0.2 MPa增加为1.0 MPa塑性区范围减小了12.92%，而在粉砂岩和细砂岩条件下，塑性区半径减少幅度相对较少，分别为9.41%，和9.01%。由图8可得，支护强度增加，3种岩性下，其变形量均呈现直线减小趋势，其中，随着支护强度增加，煤的位移变化趋势最明显，粉砂岩和细砂岩变形量基本未发生变化，可见在该地质条件下，增加支护强度，对煤的变形控制效果较明显。

图8 支护强度对巷道变形的影响

4 巷道围岩控制技术

根据上述分析，3281上山主要变形区域为巷道底板，其次为巷道两帮，巷道底鼓主要由于上山巷道沿煤层底板进行掘进，围岩强度相对较低，未进行支护，从而使底板变形量大，帮部变形则由于煤体抗变形能力差和支护强度不足造成。在巷道力学模型中，相同深度下，煤体变形量明显大于顶底板围岩，且对支护强度更加敏感，所以应考虑增大帮部煤体的支护强度来抑制巷道帮部变形。

为了保证帮部围岩的稳定性，针对3281上山巷道提出使用注浆锚索的补强加固方案，补强支护主要考虑以下几点。

(1)保证锚索端锚强度可靠。由于巷道帮部为强度较低的煤体，破坏严重，使用锚索支护时，若将锚索直接锚固在煤层中，可能造成锚索端锚强度较低，且可靠性差，为了保证锚索端部有可靠的着力点，将锚索锚固端设置在顶底板围岩中。

(2)保证锚索长度可靠。3281上山巷道受到多次采动影响的作用，破坏范围越来越大，为保证锚索支护范围大于破坏范围，综合考虑现有生产技术条件，采用6.3 m注浆锚索进行支护。

(3)增大支护强度。适当加强注浆锚索的支护密度，合理配比浆液浓度，使围岩在浆液作用下形成一个整体。补强支护方案如图9。

图9 锚注补强加固方案断面(单位：mm)

5 结 论

(1)由表面位移监测数据可知，3281上山主要变形区域是底板，其次为帮部，正帮变形量大于副帮。

(2)通过巷道力学模型分析，相同条件下，围岩为煤时，塑性区范围和变形量都大于其他2种岩性，增大支护强度，对煤的变形控制效果明显。

(3)依据以上分析，提出注浆锚索加固的补强支护方案。