深部软岩巷道围岩稳定性控制技术

2022-12-20孙俊彦

陕西煤炭 2022年6期

孙俊彦

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西西安 710054)

0 引言

随着煤矿开采规模的加强，矿井开发深度的不断加深，软岩工程控制问题日益突出。软岩巷道支护已成为当今世界地下工程中一项复杂而重要的技术问题，软岩巷道的围岩控制，特别是深部高应力软岩巷道围岩控制，已成为矿井生产与管理的关键性技术[1-3]。针对软岩巷道的变形特征和控制研究，许多专家、学者进行了大量的研究和实践，也取得许多显著的成果，通过工程地质分析和实验检测等手段对软岩巷道围岩矿物成分和微观结构进行了分析，对软岩黏土矿物吸水软化和膨胀机制做出了解释[4-6]；通过理论分析和数值模拟等手段，分析了软岩巷道围岩变形规律和变形破坏特征，对巷道支护方案进行了优化模拟[7-9]。

但就实际工程运用来看，软岩问题还没有得到根本性解决，软岩工程的控制等诸多问题还有待于进一步的研究与探讨。为此，基于某矿二采区2294运输平巷的具体地质条件，采用现场实测、数值模拟和力学分析等方法研究软岩巷道围岩的变形破坏机理和围岩控制技术，以期对软岩条件下巷道掘进、工作面回采以及提高企业的经济效益提供借鉴。

1 工程概况

1.1 巷道围岩

2294运输平巷的老顶为浅灰色砾状粉砂岩，厚度为4.5～15.1 m，平均厚度为9.8 m，主要成分为石英、岩屑等，岩石较为坚硬。直接顶为深灰色的黏土岩，岩层的厚度为1.5～5.8 m，平均厚度为2.7 m，呈片状，岩石强度低。煤层厚度为2.6～7.8 m，平均厚度2.9 m，自西向东煤层厚度逐渐变厚。煤层倾角为3°～12°，平均倾角为7°。直接底为浅灰色的黏土岩，岩层的厚度为1.2～4.8 m，平均厚度为2.2 m，呈粒状结构，岩石强度低，老底为中细粒砂岩，厚度为3.6～12.5 m，平均厚度为7.8 m，主要成分同老顶。2294巷道顶底板岩性如图1所示。

图1 2294巷道顶底板岩性

1.2 巷道现状

由于巷道顶底板均为黏土岩，其吸水后会泥化、膨胀直至破坏，将对巷道围岩的变形及支护控制产生较大的影响。2294运输平巷掘进期间，发现巷道中存在几处小的断层，由于断层处的围岩更加破碎，局部出现导水的现象，使得巷道围岩力学性质更加弱化，导致巷道围岩不具备自稳能力。2294运输巷道平面如图2所示。

图2 2294工作面巷道布置

2 软岩巷道围岩变形现场实测结果

为研究2294运输平巷围岩变形规律，在巷道掘进迎头50 m处布置相应的矿压监测站。监测的主要内容包括巷道围岩表面位移与U型钢支架实际所受载荷。

2.1 巷道围岩表面位移变形实测

对巷道围岩表面位移每隔2 d监测一次，监测的时间累计30 d，巷道向前推进的距离为120 m。巷道顶底板与两帮的围岩变形随掘进工作面向前推进及掘后时间变化曲线如图3所示。

图3 巷道围岩变形随掘进时间的变化

由图3可知，巷道掘进初期，巷道围岩变形量大。巷道掘进10 d内，顶底板的移近量为528 mm，占总的监测位移量的60.55%；而两帮的移近量为727 mm，占总的监测位移的62.08%。巷道围岩的变形对环境变化非常敏感。巷道围岩变形进入缓慢阶段时，出现2次快速变形时期，分析2次不同时期，发现第1次快速变形时期，巷道U型钢支架局部发生折损失效；而第2次快速变形时期，巷道受水的浸湿，使围岩软化与膨胀，岩石的强度与粘聚力降低，再加上U型钢支架局部折损失效，从而使得巷道围岩的变形速度增加。围岩变形具有明显的时间效应与空间效应。巷道初期变形量大，变形趋于稳定后受环境影响，变形速度出现波动，但后期再次趋于稳定后，依旧以较大的变形速度持续；而空间效应主要表现为掘进过程中，工作面与围岩的相对距离对围岩的力学性能影响，此外巷道的埋深对巷道的围岩变形与稳定状态也有明显的影响。

2.2 U型钢支架实际所受载荷

在对巷道围岩变形监测的过程中，同时兼顾对U型钢支架实际所受载荷进行连续监测，累计观测时间为30 d，巷道向前推进的距离为120 m。U型钢支架实际所受载荷随掘进时间的变化曲线如图4所示。

由图4可知，对U型钢支架整体受力进行分析，可以看出巷道掘进初期，支架所受承载力明显增大，且增大的速度较快。随着掘进的时间推移，支架所受承载力依然增加，但增加的速度缓慢。从各个测点来分析，可以发现支架右侧方要比左侧方所受载荷力大，而两侧肩部所受的载荷力要比帮部的大，顶板所受的载荷最小。由此，可以得出支架在达到屈服强度后，发生曲折变形的时候，其变形的特点为尖顶型，肩部向巷道内侧发生变形，而帮脚发生弯曲曲折，支架整体向左发生倾斜。结合巷道围岩变形特点来分析，可以看出支架所受载荷在后期出现小幅度的扰动与巷道围岩出现二次快速变形有关，且支架出现所受载荷增加超前于巷道围岩二次快速变形，这也反应了支架局部发生屈服，使得围岩变形进一步增加。此外围岩遇水膨胀、软化也同样加剧了支架的弯曲、变形。

图4 U型钢支架受力随掘进时间的变化

3 软岩巷道围岩控制技术

3.1 模拟方案

锚杆、锚索、U型钢支架以及三者之间的组合形成的联合支护方式是煤矿软岩巷道常用的支护手段[10-12]。通过查阅相关文献，并结合现场施工情况，U型钢棚距的选择范围为0.5～0.7 m，具体的棚距选择0.5 m、0.6 m和0.7 m；而锚索的预紧力一般为锚索杆体拉断载荷的40%～70%，具体的支护优化方案设计见表1。

表1 巷道围岩支护优化方案设计

结合现场巷道围岩变形以及U型钢支架实际所受载荷分析，设计锚索的强化部位为U型钢肩部与水平夹角呈30°，拱顶处以及距帮部底脚0.2 m处，具体的支护模型与支护结构如图5所示。

图5 巷道支护模型与支护结构

3.2 模拟结果

采用数值模拟方法，对初步选择的支护方案进行优化设计，从U型钢棚距、锚索的长度与预应力3个因素进行优化分析。通过巷道围岩的变形及应力变化进行对比分析，并结合现场实际情况综合考虑，最终确定优化后的支护参数为U型钢棚距0.6 m，锚索的长度为6.5 m，预应力为160 kN。

4 支护参数设计及效果分析

4.1 软岩巷道支护方案

巷道支护过程中，通过架设29U型钢支架，布置托梁进行锚索补强，对于因浸水面积大，底板膨胀变形甚至泥化的局部区域进行铺设浅拱底梁。U型钢支架架设过程中，在临时支护基础上，刷扩两帮，挖柱窝；架设棚腿，用卡缆将拱顶与帮脚组合在一起；紧卡缆、上好两帮支拉板并将木背板插好两帮。U型钢支架后铺设金属网，其型号为16#铅丝双股双联，采用三星连接方式，间距不大于150 mm。帮部底脚距低板的距离为0.5 m，与水平的夹角为5°；肩部与水平以及拱顶处的夹角为30°。锚索选用的是φ17.8 mm×6 500 mm钢绞线，其排距为1.2 m，托梁的长度为2.4 m。局部底板支护的过程中，采用的圆弧结构浅拱，半径为6.0 m，长度为4.9 m，矢高为0.5 m，搭接的长度为0.2 m。巷道支护方案如图6所示。

图6 巷道支护方案

4.2 软岩巷道矿压监测结果

2294运输平巷掘进的过程中，在工业性试验区域布置2个监测点，监测的主要内容为巷道表面位移和锚索与U型钢受力。

4.2.1 巷道表面位移监测分析

在工业性试验区布置的两监测点1#与2#相离50 m，布置2#测点的时候，距离巷道掘进迎头30 m，1#与2#观测点累计观测的时间为40 d和30 d，巷道围岩位移随观测时间的变化如图7所示。

由图7可知，1#测站与2#测站巷道围岩的位移变化趋势相同，即初期的快速变形，中期的缓慢变形，后期的趋于稳定。采用优化设计后的支护方案，从巷道两帮与顶底板的位移移近量来看，巷道围岩变形得到较好的控制，两帮的围岩位移变化最大减少74.4%，顶底板的围岩位移变化最大减少73.9%。

图7 巷道围岩位移随观测时间的变化

4.2.2 锚索与U型钢支架受力监测分析

对1#与2#观测站收集的锚索与U型钢实际所受载荷数据进行综合分析与整理，1#、2#测站锚索与U型钢支架受力随观测时间变化曲线如图8所示。

由图8中U型钢与锚索的受力变化曲线可知，相对于原支护方案，优化设计后的支护方案U型钢支架整体所受承载力明显降低，U型钢支架所受最大承载力为91 kN；锚索所受载荷总体随观测时间逐渐增加，左帮、拱顶及右帮所受载荷变化较为稳定，而左右两肩所受载荷在不同观测时间出现波动，特别是左肩出现载荷明显降低的现象；锚索与U型钢支架的联合支护，从两者所承受载荷来看具有协调性与补偿性，锚索局部的补强作用使得U型钢所受载荷明显降低，巷道围岩的变形破坏得到较好的控制。

图8 1#、2#测站锚索与U型钢支架受力随观测时间的变化

综上分析可知，在锚索的补强作用下，U型钢支架局部受到约束，较大的变形通过搭接处缩动来释放，实现U型钢支架的可缩性特性。

4.2.3 巷道支护效果对比分析

对于2种方案的经济效应进行对比分析，优化后的方案在巷道掘进支护方面的成本能够节省2 000元/m。而相对于原支护方案，优化后的方案因为在钻孔与安装锚索的过程中需要花费大量时间，因而前期的巷道施工速度相对较慢，但原支护方案因后期需要多次翻修，造成巷道运输中断，影响后期工作面的正常作业，且需要大量的人力物力。因此，总的来说优化后的支护方案施工速度较高。