关于巷道围岩控制机理及巷道修复技术探析朱凯

关于巷道围岩控制机理及巷道修复技术探析朱凯

朱凯

上海大屯能源股份有限公司江苏沛县221611

摘要：徐庄煤矿东九采区通风下山位于采区中部高应力煤柱下方，冲击危险性大，同时受反复采动影响，虽经多次修复巷道变形仍十分严重，项目采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场矿压实测相结合的综合研究方法，分析巷道破坏机理及关键诱因，提出具有针对性的全断面协同承载修复技术，有效控制了巷道围岩的变形，达到了理想的修复效果。

关键词：冲击危险；变形；修复技术

1项目概述

1.1项目背景及意义

徐庄煤矿东九采区行人下山受复杂采动影响，出现了严重的底鼓、片帮和顶板下沉等现象。目前，徐庄煤矿在东九采区行人下山修复中面临着如下技术难题：

（1）复杂采动影响：采区下山巷道在服务期间内要经历附近工作面开采和停采稳定过程的反复扰动，且采动影响范围达150m。

（2）冲击倾向：采区下山巷道围岩变化较大，在复杂地质构造、厚硬岩层、孤岛或煤柱高应力集中等多种因素交织影响下，冲击危险性较高。

(3)巷道围岩破碎：巷道多次采动影响及破坏后多次修复导致围岩裂隙发育，完整性变差，巷道松动圈发育范围持续变大。

(4)巷道持续性变形破坏：巷道表现出典型的时间效应和长时塑性变形性质，长期剧烈底鼓、底角严重内挤、两帮变形大等现象，具有明显的时间效应和非均称变形特征。

通过前期对徐庄煤矿东九采区巷道变形破坏的大量调查研究，有必要对巷道的矿压显现特征、围岩条件进行分析，针对不同的围岩应力和破坏诱因进行研究，确定徐庄煤矿东九采区复杂采动影响下巷道变形修复控制技术与方案，并形成可供推广的合理支护技术方案，对现场安全开采具有重要的理论价值和广泛的实践指导意义。

2工程概况

2.1巷道布置

徐庄煤矿东九采区行人下山位于井田东北部，巷道长度1500m左右，服务于整个东九采区的通风和行人。行人下山布置在8#煤层中，并沿8#煤层顶板掘进，距右翼各工作面停采线距离约为40m，距左翼各工作面停采线距离130m左右。巷道与工作面关系如图1所示。

图1巷道布置平面图

2.2巷道破坏情况

徐庄煤矿地质条件复杂，断层发育，开采应力水平较高，由于受7#、8#煤层工作面采动影响，从东九猴车道上口到下口，巷道顶板整体下沉，工字钢变形严重；两帮喷层多处开裂，护表金属网撕裂，片帮严重；巷道底鼓变形，已不能满足猴车正常运行要求，导致局部生产系统瘫痪，给矿井的安全生产和行人的生命安全带来了很大的威胁。

3巷道围岩控制机理及关键技术

围岩的稳定性既取决于围岩的完整性和岩体强度，又取决于其所处的应力状态。[1]根据已知岩石力学试验结果，任何岩石在三向应力状态下的强度高于二向应力状态或单向应力状态下的强度。因此要维护巷道的稳定，必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态，将巷道开挖后形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。

3.1长短锚杆深浅区协调承载控制技术

徐庄矿东九采区行人下山屡修屡坏的主要原因是巷道受力不均。如何使巷道围岩均匀承载，控制巷道两帮的变形成为修复行人下山的关键。

实验表明，长短锚杆可以适应巷道围岩变形具有时间效应的特点。当短锚杆施工完成后，围岩已经在此阶段中完成了一定的应力释放和细小裂隙的发育，巷道近区围岩应力重分布并与短锚杆开始初步形成组合加固拱结构，组合加固拱结构与长锚杆共同抵御围岩的后期变形，以此使巷道围岩形成具有时间效应、层次分明和多层保护的支护体系。[2]

长短锚杆组合支护也可有效控制该类型的巷道变形破坏。长锚杆生根深区约束变形，短锚杆控制浅区破碎煤体变形，防止深区锚杆被拉断。浅区短锚杆护表，防结构失稳，深区长锚杆生根限位，控制变形。从而达到长短锚杆深浅区围岩协调承载，防止了大变形巷道锚杆破断，又实现了围岩适度受控变形让压。

3.2十字铰接钢筋梁增强护表技术

原支护方案只有金属网护表，虽一定程度增加了锚杆的锚固面积，但刚度明显不够，护表结构失效导致锚空失效，锚网支护护表构件强度偏弱，难以控制锚固岩体的碎胀变形，使得锚杆外锚固端锚空失效，造成局部围岩破坏和锚杆锚空失效，故加上十字铰接钢筋梯子梁，增加护表刚度，阻止两帮破碎岩体向巷道内移动，可以有效防止片漏，整体护面。

3.3破碎围岩注浆加固技术

（1）注浆后浆液将松散破碎的围岩胶结成整体，从而提高了岩体本身强度，有效地改变岩体的力学物理性质，充分调动围岩的自承能力；

（2）注浆后使得喷层壁后围岩松动圈充填密实，保证载荷均匀地作用在喷层和支护围岩上，避免出现应力集中点而首先破坏；

（3）注浆加固后能使普通端锚实现全长锚固，从而提高了锚杆的锚固力和可靠性，保证了支护结构的稳定性和整体性。

4项目成果

4.1主要结论

针对行人下山的变形破坏情况，提出了针对性的围岩控制机理和控制技术，并通过矿压观测对方案实施效果进行了验证，得出的主要结论如下：

（1）行人下山不同区段的变形情况不同，破坏严重段的底板鼓起，顶板下沉，分析得出行人下山围岩变形破坏的主要原因为采动诱发巷道变形，巷道岩性较差，支护强度不足。

（2）得到了采动影响下巷道围岩应力分布与变形特征，巷道受采动影响后非对称性应力分布特征明显。

（3）提出了行人下山围岩控制技术和治理思路：通过底角长锚杆控制巷道底鼓，通过破碎围岩注浆加固技术提高围岩的力学性质和承载能力，通过桁架锚索控制顶板下沉，侧向生根保护顶板，全断面强化控制技术控制帮顶变形。

（4）对徐庄矿东九采区行人下山实施顶板桁架锚索支护+底板长锚杆+围岩浅孔注浆+帮部长短锚杆十字铰接钢梁的修复治理方案，矿压观测结果表明：受采动影响，围岩表面位移、裂隙发育范围及顶板离层虽有所增加，但仍未超出锚杆（索）的锚固范围，支护结构可靠，有效控制了巷道围岩在采动期间的变形。

4.2实现效益

项目研究得出复杂采动影响下动压巷道表现出的变形破坏特征，提出过程控制的巷道围岩强度强化和承载结构强化的控制理念及技术，形成以“顶板桁架+底板长锚杆+浅孔注浆+帮部长短锚杆”为核心技术的巷道围岩强化控制方案。对徐庄煤矿或大屯矿区复杂动压叠加巷道的支护设计有重要的借鉴意义。项目成果应用后，可以恢复矿井破坏的生产系统，取得显著的社会效益，该项目研究取得的创新性成果对矿区内其它矿井复杂动压叠加巷道设计和修复具有示范作用和推广价值。

根据巷道前期变形破坏规律，每年至少需要修复一次，单次修复费用为1500m×4820元/米=723万元，采用了优化后的修复强化方案后，预计在巷道后期服务期4年以上，可以节约直接成本723万元×4=2892万元。

参考文献：

[1]陈炎光，钱鸣高主编；中国煤矿采场围岩控制；中国矿业大学出版社；1994.05

[2]钱鸣高，石平五，许家林；矿山压力与岩层控制；中国矿业大学出版社；2010.09