单侧受采动影响的软岩巷道破坏规律及支护对策

2021-08-02王德发杨永刚

煤 2021年8期

王德发，杨永刚，郭强

(1.内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司,内蒙古呼和浩特 010010；2.安徽省煤炭科学研究院，安徽合肥 230001)

实践证明，巷道开挖后无支护时，在一定状态下是可以自稳的[1-3]，但巷道受采动应力影响后，打破了围岩稳定的应力分布状态，若围岩松软破碎，巷道变形更加难以控制。尤其受单侧采动影响后，巷道两帮应力分布不均匀，顶板非对称下沉，巷道围岩表现出明显的非匀称变形特征，严重影响了巷道的正常使用和维护。

针对动压软岩巷道支护，国内外开展了大量研究，王其洲等研究了非均称变形巷道围岩稳定性指标，提出了非均称变形巷道高强度分区锚网索支护技术[4-5]；张向东等确定了复合型变形力学机制，提出采用锚网索带注耦合支护方案[6]；朱术云等建立了煤层底板应力模型，得到煤层底板应力分布[7-8]；贾后省等采用巷道蝶形塑性区理论，揭示了采动巷道应力场与冒顶的内在联系[9-10]；李家卓等研究了煤层群开采条件下的轨道巷多次扰动失稳机理[11-12]；陈上元等针对非对称大变形问题，提出了“锚网索喷+底角锚杆+全断面注浆+反底拱”非对称耦合控制对策[13]；李国盛等提出了“锚杆锚索+浅深注浆”巷道围岩联合强化支护技术[14-15]。对于大断面动压软岩巷道，多采用拱形断面，U型钢支架或锚网喷联合支护方式[16-17]。

韩城象山南一石门巷道围岩松软破碎，采动影响后变形严重，每年需扩修2～3次，巷道扩修率达到90%以上，严重影响矿井运输和安全生产，开展南一石门巷道加固技术研究对安全高效开采具有重要意义。本文以该石门单侧受动压影响软岩巷道阶段为研究对象，通过力学参数测定、XRD-衍射分析、数值计算和物理模拟，揭示单侧受采动影响的软岩巷道围岩变形特征，提出合理的支护对策。

1 工程地质概况

象山矿井3号和5-1号煤层厚度分别为1.6 m和2.55 m。南一轨道石门为穿层巷道，岩层倾角小于7°，盖山厚度496.8～662.3 m。巷道围岩主要为铝土泥岩、7号煤和泥质粉砂岩。巷道顶部20 m左右为3号煤层采空区，南部与21507工作面留有50 m煤柱，如图1所示。3号煤层21306工作面停采线与南一石门巷道水平距离90 m，垂直距离33 m，5号煤层与南一石门巷道竖直距离为12 m。

图1 南一石门与3号、5号煤层位置关系

南一石门巷道断面为直墙拱形，掘进断面宽度4 800 mm，高度3 100 mm(墙高1 200 mm，拱高1 900 mm)。南一石门口向西145～306 m范围，采用29号U型钢支护，排距800 mm。通过81 d实测，巷道顶底移近量500～1 000 mm，两帮移近量1 500～2 200 mm，变形速度为3～4 mm/d。石门向西145～241 m段底鼓严重，支架梁腿搭接处折断，顶梁被压平，顶底移近量300～700 mm；向西241～306 m范围，底鼓严重，支架顶梁变形，巷道单帮顶底移近量达100～120 cm，出现显著的非匀称变形，如图2所示。

图2 南一石门巷道围岩变形特征(mm)

2 巷道围岩性质测定

分别在南一石门向西80 m、100 m、180 m、220 m、260 m和300 m处取岩样6组，对岩样进行力学参数测定和XRD-衍射矿物成分分析，表1为实验结果。XRD-衍射结果表明巷道围岩蒙脱石含量2%～4%，高岭石含量12%～29%，伊利石含量3%～4%。围岩质软易碎，具有流变和膨胀等软岩特性。

表1 巷道围岩性质测定结果

物理力学实测表明，巷道围岩以泥岩为主，强度低，遇水软化，软化系数达0.37～0.66。泥岩饱和单轴抗压强度为15.06～23.96 MPa，软化系数为0.37～0.45；石英砂岩饱和单轴抗压强度为64.16 MPa，软化系数0.69；泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度为10.91 MPa，软化系数0.66。

根据围岩性质，须增加支护强度，控制巷道变形，同时喷浆封闭围岩，防止围岩吸水软化和膨胀。

3 巷道围岩变形破坏机理数值模拟

3.1 数值计算模型的建立

开挖巷道后，无支护时会出现两种情况：①巷道围岩变形到一定程度后即停止变形，并能长期稳定；②巷道围岩变形过程中伴随着片帮和冒顶，当垮落到一定程度时达到相对稳定[1-3]。随着工作面的不断推进，打破了巷道原有的三向应力平衡，工作面采动应力与巷道围岩应力相互影响形成叠加应力场。为了研究叠加应力场在巷道不同服务阶段的演化情况，采用FLAC3D数值模拟软件，根据现场实际情况建立三维数值模型进行模拟计算。

根据象山矿南一石门轨道巷地质条件和巷道与3号、5号煤层工作面的位置关系，建立了长×宽×高=400 m×200 m×180 m的三维数值模型。巷道断面为半圆弧拱形，宽度4.8 m，墙高1.2 m，顶板弧高1.9 m。模型上部施加原岩应力9.2 MPa，左右边界x方向固定，前后边界y方向固定，下边界z方向固定。指定X坐标轴正向为工作面推进方向，Y轴正向为巷道掘进方向，模型如图3所示。

图3 FLAC3D数值模型

3.2 巷道围岩位移变化规律

工作面推进到距离石门90 m、70 m、50 m、30 m和10 m时，巷道顶板、两帮和两肩角处的位移如图4所示。21306工作面开采结束后，巷道围岩出现轻微非均称变形，右帮位移占两帮围岩表面相对位移量的60%.当21507工作面距离巷道90 m时，巷道左帮向右倾斜，整体出现向右侧倾倒趋势。21507工作面距离巷道50 m之后，巷道左帮向右倾斜，右帮内敛，帮脚处与底板相互挤压，造成U型钢底部压弯，支护失效。巷道顶板与两肩位移由浅部向深部不断延伸，刚开始以径向位移为主，之后切向位移逐渐增大，导致巷道围岩出现显著非匀称变形。

图4 巷道围岩位移矢量

图5为巷道围岩位移随煤柱宽度变化规律。由图5可知，随着21507工作面距离石门间煤柱宽度的减小，围岩逐渐出现显著的非均称变形收敛。巷道顶板位移量增加了82%，底鼓量增加21%，左帮位移量增加64%，右帮位移量增加60%，左肩位移量增加80%，右肩位移量增加77%.

图5 巷道围岩位移随煤柱宽度变化规律

3.3 巷道围岩应力变化规律

随着煤层开采，工作面前方超前支承压力与巷道侧方集中应力叠加，形成不对称应力分布。如图6所示，21306工作面超前支承压力分布呈“蝶叶状”，21507工作面开采后，两个工作面超前支承压力叠加，“蝶叶区”范围增大，巷道两帮围岩应力由20 MPa增加到25 MPa以上。当21507工作面距离巷道50 m时，巷道左帮出现显著集中应力，峰值达到35～40 MPa，而右帮应力集中范围和峰值均小于左帮。其后，随着工作面推进，巷道围岩应力分布规律小幅度变化。

图6 超前支承压力变化云图

21507工作面推进至距离巷道50 m时，巷道围岩不同深度垂直应力分布规律见图7。左帮在距离巷道表面9 m处，垂直应力峰值达到45 MPa；右帮在相同距离垂直应力峰值达到30 MPa；巷道两帮垂直应力存在明显非对称分布规律，导致巷道围岩呈现出显著的非匀称变形特征。

图7 巷道围岩不同深度应力分布规律

3.4 巷道围岩塑性区特征

如图8所示，当21507工作面与石门距离为50 m时，巷道左侧帮部与顶板塑性区较大，右侧帮脚不断出现强烈剪胀变形且严重内敛，造成巷道顶板整体向右侧错动，巷道变形主要以两帮不对称变形、顶板非匀称下沉为主。

图8 巷道围岩塑性区分布

巷道开挖后，围岩破坏区域分为底板集中破坏区、松动区和极限平衡区，3个区域如图8所示。根据“极限自稳平衡圈”理论[1-3]，对巷道围岩塑性区进行分析，得出巷道顶板破坏深度3.1 m，左肩破坏深度3.3 m，右肩破坏深度3.0 m，左帮破坏深度2.2 m，右帮破坏深度2.0 m，两帮脚破坏深度1.7 m，底板破坏深度1.25 m。据此提出南一石门巷道锚网索支护参数。

4 非对称变形巷道围岩支护方案

4.1 巷道U型钢支护方式改进

鉴于巷道顶底和两帮移近量大，底鼓严重，巷道断面应当预留一定的变形量。为此，设计巷道宽度由原4 800 mm提高到5 000 mm，适应两帮变形。巷道断面选择为直墙圆弧拱形，直墙高1 600 mm，顶拱高1 400 mm，提高顶板稳定性并适应顶板下沉变形。底板设600 mm反拱，提高巷道底板稳定性，抑制底鼓，如图9所示。

图9 (36号U型钢)支护断面设计(mm)

对原有支U型钢支护进行改进，逐架拆除原29号U型钢，重新架设36号U型钢，棚距600 mm，棚梁搭接450 mm，巷道全断面喷浆，喷浆厚度1 000 mm。

4.2 巷道注浆+锚网索喷联合支护

对巷道全断面采用注浆+锚杆锚索+钢筋梯子梁+金属网喷浆联合支护。巷道支护流程：喷浆封闭—注浆—浆液凝固后扩修—锚网索支护—再次喷浆封闭—局部锚注补修。

1) 注浆支护工艺及参数。巷道多次复修后围岩破碎更为严重，需首先喷浆封闭围岩，然后对顶板与两帮破碎区域注浆，注浆深度3 000 mm；浆液凝固后(约40 d)进行锚网支护，并喷浆封闭，喷层厚度50 mm；当巷道使用一段时间后，围岩产生开裂时，对开裂区域进行局部注浆锚杆补修，如图10所示。

图10 巷道围岩注浆示意(mm)

2) 锚网索支护参数。根据数值模拟结果，确定巷道围岩的锚网索支护参数为：巷道顶板锚杆长度2 400 mm，间排距600 mm，两帮锚杆长度2 400 mm，排距600 mm；顶板锚索长度6 000 mm，间距1 000 mm，排距1 200 mm，两帮锚索长度4 000 mm，排距1 200 mm；底板注浆锚杆长度1 500 mm，间距800 mm，排距600 mm。锚杆预紧力不低于30 kN，锚索预紧力不低于80 kN。巷道全断面采用金属网喷浆封闭，采用8号铁丝菱形金属网，网目70 mm。