许元华 冯 毅
(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 2.常村矿通风科，河南 义马 472000)
动压巷道围岩加固技术研究
许元华1冯 毅2
(1.黑龙江科技大学安全工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 2.常村矿通风科，河南 义马 472000)
介绍了目前巷道围岩稳定性的控制方法，通过对采动巷道围岩稳定性的力学分析，以东北某矿为例，探讨了动压巷道围岩加固技术方案，并论述了相应的操作方法，控制了围岩变形，收到了良好的施工效果。
巷道，围岩，稳定性，煤层
0 引言
在我国的能源结构中煤炭一直占据着十分重要的地位，在我国经济的持续快速发展的同时，我国对煤炭的需求量依然很大。随着我国近几十年对煤炭资源的开发利用，埋深较浅的煤炭资源已接近枯竭，深部开采的矿井所产煤炭数量占全国煤炭总产能的比重日益升高。相关研究表明，在我国生产矿井中，垂深超过700 m已有几十处，并且在龙煤集团内部分矿井的开采垂深已经大于1 100 m。我国矿井的地质条件复杂多变，深部软岩矿井井下巷道的数量随矿井向下的延伸逐渐增加，地应力高、巷道变形大、支护复杂成为目前巷道维护面的最主要问题，以广西那龙煤矿二号井为例，矿井设计能力为21万t/年，用时8年建设完成，但因生产过程中巷道维护困难导致矿井面临停产的窘境[1]。
随着开采深度的逐渐增加，70%～80%的巷道受到采动影响，同时浅部硬岩的岩层到深部后呈现为明显的软岩性质，巷道内支撑压力逐渐升高，巷道变形越来越严重，如出现两帮移近量大、顶板下沉严重、底鼓等现象。因此，动压巷道围岩稳定性的维护已成为制约煤矿安全生产重要灾害之一。现阶段，国内外学者对煤矿深部巷道的动压围岩稳定性进行了深入研究，并提出了一系列的实用控制措施和技术建议[2]。
以东北某矿为例，该矿1115(1)工作面位于-750 m水平，北二采区，工作面标高为-730 m～-795.0 m，地面标高为+25.2 m～+26.17 m。此工作面周围及其上下煤层均未开采。此工作面走向长为2 813.1 m～2 817.7 m，平均2 815.4 m，倾斜长235.4 m，面积662 745.2 m2。工作面煤层赋存稳定，工作面钻孔揭露11-2煤层厚度为2.7 m～3.84 m，平均厚度为3.27 m，倾角为4°～10°，平均7°。煤层结构较为复杂，一般含2层～3层炭质泥岩夹矸。
1 动压巷道围岩稳定性控制
随着松动圈支护理论的形成和发展，围岩控制方法和技术针对不同的问题逐渐提出新的理论和技术，如候朝炯的适用于软岩动压巷道的加固帮角控制软岩巷道底鼓；陆士良、王悦汉提出的软岩巷道支架壁后充填技术；何满潮耦合支护的力学原理与设计方法以及郑雨天等人的锚喷—弧板支护理论等，目前巷道围岩稳定性的控制方法主要分为加固法、卸压法和联合法三类[3，4]。
围岩加固法是指通过支护等手段对巷道围岩进行加固，控制深部巷道围岩的变形程度，使巷道保持稳定的效果。现阶段，我国煤矿主要采用的围岩加固方法可分两类，即主动支护和被动支护。卸压法是现在我国煤矿井下采用的主动加固方法之一，其主要应用对象为深部开采的大应力软岩巷道，对于存在底鼓现象的软岩巷道应用效果更加明显。随着技术的逐渐提高以及现场经验的积累，卸压法也逐渐增多，目前主要的卸压法包括巷帮钻孔、松动爆破、卸压煤柱(巷道)等。当巷道的变形受到煤矿采动影响较大，采用单一的巷道支护或加固形式不能够有效控制巷道的破坏变形，因此必须同时采用上述方法中的两种或者多种方法来增加巷道的强度，进而有效地控制巷道的变形，防止其发生变形破坏。此种方法即是联合支护法。目前煤矿采用的联合支护方式主要包括锚喷+注浆+锚索、锚杆+网+锚索等。但采用联合支护加固巷道时，由于同时采用多种支护方式，致使巷道支护成本高于其他单一支护形式。
2 采动巷道围岩稳定性的力学分析
2.1 上覆煤层开采活动对动压围岩受力影响分析
当工作面沿走向方向向前推进时，工作面前方沿工作面倾向方向的支撑压力随工作面推进而降低，最终消失，但工作面端头沿工作面走向方向侧向支撑力不会随工作面的推移变化而减弱，将始终作用于其下方覆盖的巷道，影响其围岩稳定。煤层底部巷道与其上覆煤层工作面边界位置的水平间距较大，此时巷道主要受到工作面沿走向推进过程中前方支撑压力的影响，而当上覆煤层的工作面采动完毕后，工作面对下部巷道的影响作用将消失，围岩趋于稳定；而下部巷道围岩同时受到上覆煤层工作面前方和工作面沿走向方向侧向压力的影响。
2.2 巷道围岩的远场应力分布
在垂直于工作面推进方向取单位厚度的半无限平面，上边界为煤层工作面的水平面，巷道位于离边界h高度处，距煤层工作面端头的水平距离为b，如图1所示为巷道围岩远场应力分析的力学模型，该模型的材料视为均质岩体，其弹性模量为E，泊松比为μ。2.3 巷道与煤层工作面垂直距离h的影响
巷道埋深H=750 m，巷道与煤层工作面端头间的水平距离b=5 m时，巷道处的水平应力δx，垂直应力δy和剪应力τxy随垂直距离h的变化曲线如图2所示。
通过分析图2可得，煤层工作面与巷道的垂直距离h越小，δy和τxy值均越大；当h=15 m逐渐变化到h=30 m时，δx的变化值约为0.5 MPa。
2.4 巷道与煤层工作面端头间水平距离b的影响
巷道埋深H=750 m，巷道至煤层工作面垂直距离h=20 m时，巷道围岩远场的水平应力δx、垂直应力δy和剪应力τxy随巷道与工作面端头间的水平距离b的变化曲线如图3所示。
通过分析图3可得，随着b的逐渐增大，巷道围岩的δy值和τxy值均呈现逐渐减小的趋势，而δx则表现出先增大而后减小的变化特征，约水平距离b=3 m处δx达到最大值，可得此时工作面开采对巷道围岩水平应力的影响为最大。
2.5 巷道埋深H的影响
取巷道与工作面端头间的水平距离b=5 m、巷道至煤层工作面间垂直距离h=18 m时，围岩的水平应力δx、垂直应力δy和剪应力τxy随工作面埋藏深度H的变化曲线如图4所示。
通过分析图4可得，随着H的逐渐升高，δy,τxy和δx的值均呈正线性相关，即巷道的埋藏深度H越深，巷道围岩应力变化越大。
3 实施方案
20世纪80年代以后，巷道围岩控制技术快速发展，对于破碎围岩逐渐形成了“喷锚注”控制技术[5]。“喷”即喷射混凝土形成柔性支护保护层，“注”即注浆加固重新形成稳定的整体，“锚”即通过注浆锚杆增强锚固能力，达到控制破碎围岩的效果。
针对该矿井，在中间切眼至开切眼约300 m范围巷道两帮相对稳定，变形量不大，未出现大范围锚杆失效、炸帮等现象，在八上层工作面开采前，急需对该范围巷道进行喷浆，防止围岩风化导致锚杆失效。将中间切眼以外巷道已经严重破坏变形、胀包处围岩剥落，锚杆失效的重新补打锚杆及钢带，之后进行喷浆，喷浆厚度10 mm以上。喷浆后，在顶板打设注浆锚杆，进行注浆加固，阻止顶板继续离层变形，行距1.5 m，排距1.0 m，布置参数如图5所示。
4 加固技术效果研究
在皮带尾方向隔6 m布置1个,布置2个，开切眼每10 m布置1个,布置4个，共布置6个ZXY型在线测压表，所得数据如图6所示。研究结果表明锚杆、单体受力不大，说明支护方案可行，围岩得到了有效控制。
5 结语
1)从理论上探讨了骑跨采动压巷道围岩的应力与变形的变化规律，研究得出巷道围岩应力与巷道埋深H、巷道距上部煤层工作面端头的垂直距离h、水平距离b间的耦合关系，三者对巷道稳定性的影响都十分明显。
2)提出了动压下巷道围岩控制技术方案，进行现场施工后，并利用MCJ-Ⅲ型锚杆测力计对该矿进行研究，表明锚杆、单体受力不大，说明支护方案可行，围岩得到了有效控制。
[1] 麻凤海.岩层移动的时空过程[D].沈阳：东北大学,1996.
[2] 李向阳.采空场覆岩变形特性研究[D].武汉：武汉大学，2004：45-56.
[3] 郭振兴.大采高采场围岩控制及支架稳定性研究[D].西安：西安科技大学，2010.
[4] 侯凤才.新安矿大采高综采面矿压显现规律及围岩控制技术研究[D].哈尔滨：黑龙江科技大学，2009.
[5] 华心祝,马俊枫,许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用[J].岩石力学与工程学报,2005，24(12)：2107-2112.
Research on consolidation technique for dynamic pressure roadway
Xu Yuanhua1Feng Yi2
(1.SecurityEngineeringCollege,HeilongjiangUniversityofScienceandTechnology,Harbin150022,China; 2.VentilationDivisionofChangcunMine,Yima472000,China)
The paper introduces the controlling methods for controlling the stability of roadway surrounding rock, explore the consolidation technique scheme for the dynamic pressure surrounding rock by taking some mine in Northeast of China as the example according to the dynamic analysis of the stability of surrounding rock at roadway above mining face, and indicates respective operation methods, so as to control the deformation of surrounding rocks and achieve better construction effect.
roadway, surrounding rock, stability, coal seam
1009-6825(2015)07-0060-03
2014-12-28
许元华(1987- )，男，硕士，助教； 冯 毅(1987- )，男，助理工程师
TD265
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