巷道过采空区支护技术研究

周 波，许猛堂，尹 磊，李 鑫，张 旺

（1.贵州湾田煤业集团有限公司 湘桥煤矿，贵州 盘州 553503；2.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550007；3.盘州市能源局，贵州 盘州 553503）

破碎围岩巷道支护问题一直是矿山工程中的难题之一，巷道受破碎围岩影响整体稳定性差，巷道支护困难、变形量大以及返修率明显增高，传统的锚杆、锚索支护已难以发挥整体支护作用[1-2]。仅从加强巷道支护措施方面已难以遏制巷道围岩的继续变形，改善巷道围岩结构及其力学性能是巷道围岩变形控制的根本途径，通过注浆提高巷道围岩承载能力能够有效控制破碎围岩巷道变形[3-5]。

国内众多学者对破碎围岩巷道的支护问题做了大量的理论和实践研究，取得了较为丰硕的研究成果。徐佑林[6-7]针对动压影响下巷道大变形、强破坏的技术难题，提出再造承载拱的巷道支护技术；王宏伟[8-9]通过理论分析，构建了非静水压力下巷道围岩破碎区应力分布的力学模型，并提出软弱破碎围岩高强高预紧力支护技术；李树刚[10]通过数值模拟分析，揭示破碎围岩动压巷道的变形破坏机制，并提出了锚索与注浆联合支护加固方案；张传恕[11]对大断面松软破碎围岩巷道稳定性进行了分析，并使用高强让压锚杆、提高锚杆长度和预紧力等措施，有效控制了破碎围岩巷道变形；单仁亮[12]分析了松软破碎围岩煤巷的破坏机理，并提出强帮强角支护控制技术；潘锐[13]对破碎围岩锚注加固承载特性进行了研究，对岩体粒径、岩性、锚杆数量等影响因素进行了对比分析；王茂盛[14]提出1种新型无机注浆材料加固破碎围岩技术，并实验分析了水灰比对围岩变形量及围岩破碎的影响；王猛[15]总结了动压作用破碎围岩巷道大变形的主要影响因素，并提出了该类巷道分区域差异性修复技术；陈晓祥[16]对断层破碎带中巷道围岩大变形机理进行了研究，并提出了“超前预注浆+锚网索”联合支护方式；袁超[17]巷道围岩塑性区分布形态，提出“锚网喷+全断面中空注浆锚索”的软弱破碎巷道围岩控制技术；王琦[18]针对于深部开采巷道围岩松散破碎现象逐渐增加的现象，提出巷道围岩锚注扩散加固技术；丁自伟[19]针对于破碎围岩巷道锚固效果差的特点，提出分层次的注浆工艺对破碎围岩进行加固，并进行了实验研究；赵光明[20]对构建了软弱破碎巷道围岩深浅承载结构力学模型，得出了围岩残余强度和支护作用对围岩变形的影响；王平[21]研究软弱再生顶板围岩失稳机理，构建了再生顶板“抛物线－半双曲线”扩展力学模型。

上述研究成果主要集中于动压巷道、软岩巷道以及深部巷道的围岩控制，但采空区围岩主要为覆岩垮落带破碎岩体，其破碎程度和破碎范围急剧增加，关于此类巷道的支护技术研究鲜有报道。基于上述研究成果，构建巷道过采空区围岩控制总体思路，建立了注浆条件下破碎围岩巷道半圆拱承载力学模型，分析了半圆拱强度对围岩破坏的影响，得到了承载拱破坏的极限厚度，研究成果应用于湘桥煤矿过采空区破碎围岩巷道，为该类巷道围岩控制提供了科学依据。

1 研究背景

湘桥煤矿11702回风巷长度360 m，沿17#煤层顶板掘进。17#煤层厚度2.8～10 m，平均厚度为6.4 m，直接顶为粉砂质泥岩，厚度在2～3 m范围内，基本顶厚度为6 m左右。由于历史原因，11702工作面部分煤炭资源已被小煤窑开采破坏，欲回采11702工作面则其回风巷必须经过小煤窑采空区，小煤窑采空区围岩完整性差、破坏深度大，破坏程度高，顶板覆岩破坏深度已经达到21.2 m，钻顶板覆岩破坏深度示意如图1。过采空区的巷道支护问题已成为11702回风巷围岩控制的重点和难点，仅从加强巷道支护措施方面已难以遏制巷道围岩变形，需要从改善巷道围岩结构及其力学性能方面着手进行。

图1 顶板覆岩破坏深度示意Fig.1 Schematic diagram of the failure depth of the roof overlying rock

2 巷道过采空区围岩控制总体思路

目前提出的煤矿巷道围岩控制技术主要有以下5类[1]：巷道围岩表面支护技术、巷道围岩锚固技术、巷道围岩改性技术、巷道围岩卸压技术以及巷道围岩联合控制技术。

采空区破碎岩体本身围岩整体抗变形能力差，岩石破碎造成稳定性差，针对此种条件，采用单一围岩控制技术已难以遏制巷道围岩变形，必须采取巷道围岩联合控制技术。首先考虑提高巷道围岩的整体性能，注浆的目的是充填围岩裂隙，使破碎围岩形成完整岩体结构，提高围岩的整体力学性能，使巷道围岩形成有承载能力的半圆拱体；其次通过U型棚支护进一步提高围岩的整体抗变形能力，辅之以金属网加固破碎岩体，使巷道上覆围岩整体形成“半圆供体-上覆破碎岩体-上覆完整岩体”的“强-弱-强”结构，从而达到巷道过采空区围岩控制的目的，最终形成“U型棚+注浆”支护技术。因此，此支护技术中注浆形成的围岩半圆拱体的力学性能及拱体厚度是围岩控制的关键，提高半圆拱体的力学性能与拱体厚度能够有效抑制巷道变形，但不能无限制注浆，不仅造成材料浪费，同时也增加了巷道支护成本。

3 半圆拱体承载能力分析

3.1 力学模型构建

注浆形成的半圆拱体上覆岩层为破碎岩体，这种散体条件下拱体所受围岩压力符合普氏理论的基本假设[22]。根据半圆拱体与上覆岩层的作用关系，建立的受力模型如图2，令上覆岩层作用于半圆拱体的载荷为均布载荷q，拱厚为H，巷道高度为h，拱体两端受简支梁约束，作用点位于两端拱底的中间位置A、B 2点。

图2 半圆筒受力模型Fig.2 Semi-cylinder force model

图2力学模型为对称模型，可得拱底两端约束的垂直支撑力FA、FB为：

沿半圆拱体左端与水平方向呈θ角将拱体截开分析拱体各截面所受弯矩Mθ和剪力Fθ的变化情况，半圆拱体弯矩和剪力分析如图3。

图3 半圆拱体弯矩和剪力分析Fig.3 Analysis of bending moment and shear force of semicircular arch

由于受力模型为对称模型，则θ角在（0，π/2）和（π/2，π）范围内弯矩、剪力也对称，则只需要计算（0，π/2）即可，经计算可得弯矩Mθ和剪力Fθ的表达式为：

式中：R为半圆拱半径。

以θ角为变量对弯矩Mθ进行求导可得：

当θ角在（0，π/2）范围内，Mθ′为正数，则弯矩Mθ在（0，π/2）范围内递增，在θ=π/2时取得最大值，弯矩最大值Mθmax为：

由式（4）可知半圆拱所受的最大弯矩随着上覆岩层载荷q和半圆拱半径的R的增加而增加。

可计算出半圆拱梁所受的最大拉应力σmax为:

由此可知，半圆拱梁所受的最大拉应力和上覆岩层载荷、拱的厚度及半圆拱的半径有关，最大拉应力随着上覆岩层载荷的增加而增加，并且呈线性关系，随着拱的厚度的增加而急剧减小，呈非线性关系。由此可见，要保证半圆拱梁不发生拉破断，须增加半圆拱的厚度。

3.2 半圆拱体抗压强度和抗拉强度

半圆拱体为高水注浆材料与破碎围岩的胶结体，为了计算半圆拱体不发生拉破断，须获得半圆拱胶结体的抗压、抗拉强度，半圆拱体为高水注浆材料与破碎围岩的胶结体，在高水材料凝固过程中加入围岩矸石，矸石取自11702工作面现场矸石。通过试验获取高水材料胶结体实际抗压强度、抗拉强度分别为12.6、1.46 MPa，半圆拱体力学性能实验如图4。

图4 半圆拱体力学性能实验Fig.4 Mechanical performance experiment of semicircular arch

3.3 半圆拱体围岩应力的确定

巷道位置处于11702工作面采空区内，采用普式理论计算半圆拱体所受压力，半圆拱体围岩压力计算模型如图5。

图5 半圆拱体围岩压力计算模型Fig.5 Calculation model of surrounding rock pressure of semi-circular arch

可得自然平衡拱的最大跨度a为：

上覆自然平衡拱高度随着半圆拱体半径的增加而增加，自然平衡拱内最大围岩压应力值qmax为：

式中：ρ为岩体的平均密度；f为岩体坚固系数。

令自然平衡拱内最大围岩压应力为半圆拱体所受围岩压力。

3.4 半圆拱体厚度的确定

湘桥煤矿11702工作面过采空区实际注浆半圆拱厚度为10 m，巷道宽度为4.2 m，可得半径R=12.1 m，高水材料胶结体稳定抗拉强度为1.46 MPa。ρ=2.2 t/m3，f=1.26，内摩擦角φ取45°，代入式（7），可得上覆岩层载荷最大值为0.3 MPa。

根据式（5）可得半圆拱厚度必须满足h≥9.5 m。

式中：σt为半圆拱体的抗拉强度。

湘桥煤矿11702工作面过采空区巷道实际半圆拱的拱厚为10 m，满足抗拉强度要求。

4 工程实践

湘桥煤矿11702工作面过采空区巷道再造半圆拱实际厚度为10 m，经过现场注浆工业性试验表明高水材料与巷道围岩胶结体实际抗压、抗拉强度通过计算可以满足工程需要。过采空区半圆拱体巷道变形情况如图6。

图6 过采空区半圆拱体巷道变形情况Fig.11 Deformation of roadway after grouting

截止2021年4月，11702回风巷顶板下沉量最大值为335 mm，底鼓量最大值为146 mm，两帮移近量最大值为301 mm，半圆拱体能够有效控制围岩变形。11702工作面过采空区巷道钻孔窥视10 m处围岩情况如图6（a），支护效果如图6（b）。

5 结语

1）针对采空区巷道围岩破碎程度高的支护难题，提出“U型棚+注浆”支护技术，使巷道上覆围岩整体形成“半圆供体-上覆破碎岩体-上覆完整岩体”的“强-弱-强”结构。

2）构建了半圆拱巷道承载能力力学模型，推导了半圆拱最小拱厚表达式，并应用普式理论获得了拱体的围岩压力，对半圆拱体进行了强度校核。

3）半圆拱体的承载性能与上覆岩层载荷、拱体的厚度密切相关，与上覆岩层载荷、拱体抗拉强度呈线性关系，与拱体的厚度呈非线性关系，随着拱的厚度的增加而半圆拱体的承载能力也急剧增加。

4）研究成果应用于湘桥煤矿11702工作面过采空区巷道，有效地控制了巷道围岩变形。