深部高应力软岩巷道支护措施研究
时间：2023-06-29 17:45:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
吴晓明
（陕煤集团铜川矿务局煤矿管理有限公司，陕西 铜川 727000）
当前我国很多煤矿已经经历了多年的开采，面临着中后期开采阶段，特别是很多煤矿已经进入到深部开采阶段，矿井整体赋存条件较为复杂，巷道不仅受到较大的地应力作用，还受到较大的地质构造应力影响。很多在浅部巷道支护中取得较好支护效果的支护方案，在深部高应力条件下，表现出明显的不适应性。因此，在现阶段的巷道深部支护过程中，需要充分研究巷道所处位置的地应力环境，对巷道支护方案进行综合分析研究，才能更好提升巷道支护效果[1]。
冶坪煤矿设计生产能力280万t/年，当前主要开采的是3号煤层，煤层平均厚度为3.8 m。由于该煤矿已经进入到开采后期，整体地质构造较为复杂，工作面最大埋深在750 m左右，属于深部开采工作面，巷道设计断面为矩形。从巷道所处地质条件来看，直接顶岩性为砂岩，基本顶是粉砂岩，直接底岩性是泥岩，基本底岩性是粉砂岩。从工作面开采情况来看，区域构造较为复杂，原支护设计为锚索网支护[2]。
从工作面开采情况来看，由于周边有着较多的采空区，工作面巷道受到采空区侧向支撑压力的影响相对较大，特别是在邻近工作面固定支撑压力与地质构造的相互作用下，工作面巷道整体出现了较大的变形破坏。
从现场勘察情况来看，运输巷道整体已经表现出较大的变形破坏。一方面，巷道顶板整体出现了较大面积的下沉，特别是其中还有着较多的褶皱变形问题，巷道底板也出现了明显的鼓起，从现场勘察情况来看，最大变形量已经超过了750 mm，在巷道的底板上已经有了明显的裂缝，同时，底板变形表现出明显的不对称性，距离工作面一侧的底板整体变形相对较大。另一方面，巷道两帮出现了明显的收敛变形，距离采空区一侧的帮部整体出现了明显的变形，变形量相对于距离工作面一侧的帮部要明显大，整体的变形也表现出明显的非对称性[3]。
为了更好实现对巷道的返修支护，本次对巷道出现的变形原因进行了深入分析。从分析来看，首先是巷道所处位置地应力较大。从现场勘察来看，水平应力已经成为了主应力，测压系统达到了1.3。虽然巷道围岩整体强度较大，但是在如此高的应力作用下，巷道围岩开始表现出明显的软岩特征，出现了蠕变的特点，这也是巷道虽然进行了多次返修，但是在较短的时间内，巷道又出现了较大变形破坏的主要原因之一。其次，工作面运输巷道在先前的支护控制下，处于静压作用下，已经表现出明显的矿压显现，在工作面推进的过程中，巷道不仅受到了较大的地应力，同时超前支撑压力、煤柱支撑压力等出现了明显的叠加效果，带来了更为明显的矿压显现。此外，从运输巷的受力情况来看，不仅有周边采空区的侧向支撑压力，同时还有着断层构造应力、采动超前支撑压力等各种类型次生应力的叠加影响，导致整个巷道出现了明显的两帮内移、顶板大面积下沉、底板大面积隆起等问题，严重影响到巷道的正常使用。从这些巷道变形情况来看，表明巷道支护已经失效，原有支护方案明显不能有效控制巷道的稳定性，需采取针对性的返修支护方案，对巷道支护情况进行全面的优化和提升。
在工作面推进的过程中，运输巷道处于多次扰动后产生的次生高应力场中，从理论分析、现场勘察情况来看，属于较为典型的复杂高应力巷道。在本次返修时，根据巷道所处的围岩条件、应力环境，提出了非对称性、高刚度、高强度的巷道返修支护方案。在该方案实施时，将该方位分析了工作面A、B两种断面相间布置的方式，两种断面之间排距设计为800 mm。返修支护如图1所示。
图1 巷道返修支护示意图
断面A支护参数为：在巷道的两帮设计采用高强度锚杆支护，将支护长度从1.8 m，延长为2.4 m，具体参数为：Φ18 mm×2.4 m，同时，在锚杆支护端部使用了树脂锚固剂，全面加上锚固的长度，间排距设计为850 mm。为了提升支护的整体性，选择使用异形钢带将锚杆进行全面连接。在巷道的顶板设计采用锚索支护，直径从17.8 mm增加为21.6 mm，长度从5.8 m延长为7 m，间排距设计为1000 mm，并选择使用树脂锚固剂，实现加长锚固的效果。为了更好提升锚索支护效果，本次返修时，选择使用W型钢带实现对锚索的全面连接。从而在巷道的表明，形成一个支护范围更大、强度更强、整体性更广的支护“壳体”，不仅实现了对巷道表层的有效强化，同时，还实现了对深部巷道稳定性围岩作用的有效利用，更好保障了巷道支护效果。
断面B支护参数为：考虑到与A断面支护形成相互协调、适当让压、控制变形的支护效果。在B断面支护时，对支护强度进行了一定的降低，确保巷道内高应力在保证支护效果的前提下，实现内部高应力的适当释放，不仅降低了巷道支护的成本，同时也提升了巷道支护的安全性。具体支护情况为，在巷道顶板进行锚索支护，参数为Φ17.8 mm×4000 mm，间排距设计为1000 mm，同时选择使用W型钢带，实现与A断面相邻锚索的有效连接。对于距离工作面相对较近的巷道帮部，本次设计采用锚索与锚杆联合支护的方式进行强化支护，间距设计为850 mm。锚杆支护参数为Φ18 mm×2400 mm，锚索支护参数为：Φ17.8 mm×4000 mm。不论是锚杆还是锚索均选择使用W钢带与A断面的锚杆、锚索支护的全面连接。对于距离断层相对较近的巷道帮部，设计采用锚杆支护，参数为：Φ18 mm×2400 mm。
为了对巷道采取非对称性、高刚度、高强度的巷道返修支护方案后，巷道整体稳定性效果控制情况进行全面分析，本次在返修后，设置了三组矿压观测站，对巷道整体的情况进行分析，其中，站1主要是对工作面回采过程中巷道围岩变形量进行观测，站2和站3对工作巷道掘进过程中巷道围岩变形量进行观测。因为工作面刚进入到正式回采阶段，所以，这三个站点在测量过程中，整体受到了较大的采动影响，本次观察得到的数值均是巷道掘进过程中巷道围岩的变形量。观测情况如图2所示。
图2 巷道返修支护后巷道表面位移变化图
从图2可知，巷道顶板和底板整体的变形量相对较大，同时在距离掘进头大约80 m的位置整体变的稳定。顶板和底板的最大变形量在110mm到120mm。巷道两帮整体的变形量相对较小，在距离掘进头70 m的位置，整体趋于稳定，两帮的最大收敛量在100 mm到110 mm。从测量情况来看，两帮移近量主要聚焦在距离断层较近的位置。从顶板和底板的相对移近量来看，主要是顶板的下沉量为主。这充分表明，在多种类型的叠加应力作用下，巷道围岩整体变形表现出较为突出的非对称变形特点。
从本次观察情况来看，在返修之后，巷道整体的变形量出现了较为明显的下降，下降的幅度超过了70%，其中顶板和底板的相对移近量从500 mm减少到120 mm左右。两帮的相对移近量从800 mm下降到110 mm左右。从这些数据可看出，在选择使用了全新的支护方案后，实现了对巷道围岩整体变形量的有效控制。
本次通过对煤矿工作面所处围岩条件、应力环境进行分析，针对性提出了非对称性、高刚度、高强度的巷道返修支护方案，有效控制了巷道大变形破坏。因此，煤矿需要充分认识到当前巷道支护环境出现的变化，全面综合分析巷道所处的环境特点，采取针对性的优化和提升措施，全面优化巷道支护方案，更好保证巷道支护效果。
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