沉积变异区巷道变形特征及厚层锚注控制技术研究

姚 刚，任学存，张长运，张瑞凯，姚树阳，王 朋

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿，山东 菏泽 274700；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

0 引 言

随着开采深度加深、开采强度加大、煤矿巷道围岩所处应力状态逐渐恶化[1-3]，同时煤系岩层沉积不稳定，煤矿巷道沉积变异区矿压显现剧烈，变形严重，对矿井安全高效生产造成极大影响，甚至引发矿压灾害增多、增强[4-5]。沉积变异主要指岩层形成过程中在多重因素影响下产生的不规则沉积，煤系岩层中较为常见的沉积变异有煤层异常变薄、岩层分岔、断层等[6-9]。许多学者针对煤层异常变薄及分岔产生原因开展了相关研究，认为煤体自燃发火引起的上覆岩层塌落后压实再生胶结、河流冲蚀等是造成沉积变异的主要原因，并进一步利用地震波CT技术圈定沉积变异范围[10-12]。当前针对煤层沉积变异控制技术的研究主要从构造角度出发，以层状岩体采动巷道支护方式进行控制，康红普等[13]针对复杂困难巷道的特征，提出了高预应力、强力支护理论，其核心是强调锚杆、锚索预应力及其扩散对支护效果的决定性作用；何满潮等[14]研发了负泊松比锚杆索，现场实践验证其可对岩体大变形与冲击地压等地质灾害进行有效控制，同时可对岩体工程灾害进行一定的预测；张农等[15]认为煤巷围岩的破坏过程是逐步扩大的，在煤岩体破碎状态下应进行注浆加固，设计出一种中空注浆锚索结构，有效提高了支护结构的锚固强度，改善了破碎围岩的整体性，增强了支护结构与围岩的稳定性。综上所述，前人对煤巷沉积变异成因及相应控制技术进行了深入研究，但在支护方式上仍然采用传统的短锚杆+长锚索联合支护，基础锚固厚度不足，注浆方法为注浆管或中空注浆锚索，但存在工序繁琐及对锚索钢绞线结构强度造成一定损伤的问题，支护强度不足。

因此，本文在总结前人研究的基础上，采用现场调研、数值模拟以及工程试验相结合的研究方法，总结了沉积变异区巷道变形破坏模式，分析了不同沉积状态下巷道围岩应力及塑性区分布情况，结合柔性注浆锚杆实现了锚固注浆一体化，设计了沉积变异区煤巷厚层锚注修复加固控制技术方案，最终应用于工程现场，围岩控制效果良好，研究成果可为类似条件巷道围岩控制提供一定借鉴。

1 工程概况

赵楼煤矿位于山东省菏泽市郓城县内，生产能力330万t/a，低瓦斯矿井，7303工作面运输顺槽埋深1 000 m左右，工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.1 m3/min，具有煤尘爆炸危险性，爆炸指数37.88%，掘进期间正常涌水量5～15 m3/h，最大涌水量25 m3/h。

7303工作面东临一采区与七采区边界，距一采区1304工作面120 m左右，南距设计的7305工作面140～145 m，西距七采区回风巷距离220 m，距二集辅助巷下段174.8 m，北邻7301工作面，沿空煤柱4.5 m。主采3#煤层，煤厚平均7.1 m，煤层倾角平均3.2°，煤层普式系数平均1.6，巷道直接顶为泥岩，老顶为细砂岩，部分地段存在伪顶，掘进期间巷道出现沉积变异，主要表现为煤层变薄、分岔以及两帮岩性不一，变薄区内3上煤层厚度0～2 m，平均0.8 m，3下煤层厚度1.4～3.9 m，平均3.2 m；分岔区内3上煤层厚度2～3.5 m，平均2.7 m，3下煤层厚度2.6～4.5 m，平均3.6 m。掘进期间沉积变异区域巷道顶板下沉剧烈，顶板离层仪普遍超限，锚杆索破断现象时有发生，底鼓量最大可达1.3 m，巷道空间相对位置如图1所示。

2 巷道变形破坏特征

2.1 巷道变形模式

现场调研发现，7303工作面运输顺槽为梯形断面，上宽4.8 m，下宽5.2 m，高4.0 m，支护方案采用传统短锚杆+长锚索联合支护，顶板锚杆长度2.4 m，间排距850 mm×800 mm，顶板锚索长6.2 m，间排距2 000 mm×1 600 mm，帮部锚杆长2.5 m，间排距850 mm×800 mm，现有支护下沉积变异区巷道变形严重，难以维控巷道围岩稳定，总结归纳沉积变异区巷道变形破坏主要表现为三类模式。

1) 顶板整体结构性下沉破坏。由于巷道上方煤层沉积变异，顶板3～4 m范围内岩层赋存不稳定，泥岩煤体砂岩互层，整体呈现复合顶板状态，顶板大范围整体下沉。

2) 长时蠕变破坏。在高地应力、沉积变异构造应力以及自身掘进应力多重影响下，巷道表现出明显的长时蠕变特征，底鼓现象严重，卧底之后一段时间内又重新鼓起。

3) 非对称破坏。沉积变异导致的两帮岩性不一致，承载性能差异明显，部分地段出现左侧帮部稳定但底鼓严重，右侧帮部鼓出但底板稳定的特征，巷道变形实况如图2所示。

图1 7303工作面运输顺槽沉积变异区巷道相对位置Fig.1 Relative position of roadway in sedimentary variation area along the transport channel of 7303 working face

图2 沉积变异区巷道围岩变形Fig.2 Deformation of roadway surrounding rock in sedimentary variation area

2.2 巷道矿压显现特征

2.2.1 模型建立

基于7303工作面运输顺槽实际地质条件，本次模拟共建立两类模型，分别为完整煤层模型和沉积变异模型，对比分析两种沉积条件下巷道掘进过程中矿压显现特征，巷道均沿煤层底板掘进，完整煤层模型3#煤层厚7.1 m，沉积变异模型3上煤层厚2.7 m，3下煤层厚3.6～4.0 m，夹矸0.4～0.8 m，左帮夹矸厚度0.8 m，右帮夹矸厚度0.4 m，以此模拟煤层变薄及分岔的沉积变异地质条件，本构模型选用摩尔库伦模型，模型设置为80.0 m×40.0 m×57.2 m，模型下方边界及左右边界采用位移边界，位移设置为0，上边界为应力边界，施加垂直应力23.5 MPa，模型如图3所示，各岩层参数见表1。

2.2.2 数值计算结果

模型建立完成应力平衡后，进行巷道开挖，两类模型巷道开挖完成后巷道围岩垂直应力、水平应力以及塑性区分布如图4所示。由图4可知，巷道开挖之后原岩应力平衡状态被打破，围岩表面变形释放应力，应力向围岩深部转移并形成应力集中，最终达到新的平衡。当煤岩层完整时，巷道周围垂直应力分布较为对称，围岩整体均匀受载，能够较好地抵抗应力扰动平衡，但出现煤层变薄或分岔等沉积变异后，由于岩层性质相差较大，相互间黏结力较弱，应力在传递及再平衡的过程中出现分布不均匀状态，沉积变异区巷道顶板卸压区明显增大，左右两帮应力集中位置及范围明显不同，高强度集中应力作用下巷道围岩分岔面或软弱夹层极易出现大变形，甚至冒落鼓出；从水平应力及塑性区来看，沉积变异区巷道顶板由于为软弱夹层，巷道开挖后顶板变形量较大，应力释放明显，应力集中向围岩深部转移，塑性区或者说松动圈相较于完整煤岩体来说显著增加，且在左帮分岔岩层处产生较大范围剪切破坏。

图3 数值模拟模型示意图Fig.3 Schematic diagram of numerical simulation model

表1 主要岩层力学参数 Table 1 Main rock mechanics parameters

模拟得到掘进期间巷道围岩变形量如图5所示。由图5可知，完整岩层巷道顶板最大变形量65.3 mm，沉积变异巷道顶板最大变形量74.5 mm，与完整岩层巷道相比明显增加；沉积变异巷道左帮最大变形量39.6 mm，右帮最大变形量19.0 mm，发生明显的非对称变形，且帮部上方软弱夹层处变形量明显大于下部完整煤体。

2.3 讨论

赵楼煤矿煤层埋藏深，矿井地应力大。在工作面回采过程中，上覆岩层的垮落造成工作面围岩应力调整，沉积变异区巷道围岩积聚了大量的应变能，产生应力集中，矿压显现强烈。沉积变异区巷道岩层赋存不稳定，顶板完整性差，岩层交界面多，而岩层交界面黏结力弱，多为结构弱面，与稳定岩层相比，在多重应力扰动下，沉积变异区巷道更容易产生局部应力集中现象，由表及里地渐进破坏过程中破裂化遇到岩层界面受阻，岩层间弱面在集中应力作用下产生不连续变形与滑移错动，裂隙的持续发展导致离层形成分区破坏，造成围岩大面积破碎，同时在扰动过后应力恢复过程中离层会进一步阻隔应力传递，使顶板出现断续，变形与应力传递的双向不连续加剧了巷道围岩的变形破坏程度，巷道围岩塑性圈增大，破坏范围增大。而赵楼煤矿7303工作面沉积变异区巷道原有支护仍为常规的短锚杆+长锚索，但短锚杆通常用于控制浅部围岩，基础锚固厚度小，在沉积变异区巷道中，巷道破碎范围与松动圈明显增大，薄锚固层无法有效抑制裂隙的发育和岩体的碎胀扩容，导致裂隙与离层的发育非常容易突破锚固层厚度，造成浅部锚固区的结构性整体变形下沉或鼓出，这与现场调研情况相符。除此之外，由于锚杆、锚索在延展性及控制范围等方面的差异，看似协调承载实则单打独斗，锚杆索支护相互之间耦合较差，控制效果不佳，难以满足沉积变异区巷道安全控制要求。沉积变异带来的岩体破碎，围岩裂隙快速发育并扩展，岩体可锚性降低，对锚固结构承载性能造成较大影响，陷入围岩破碎→锚固性能降低→围岩更破碎的恶性循环。

图6为不同锚杆长度下巷道变形量对比。由图6可知，当采用2.4 m短锚杆支护时，顶板变形与前文不加支护相比有所降低，但锚固结构整体仍处在变形量较大范围内，锚固区处有明显变形；当采用4.0 m长锚杆时，顶板最大变形量为51.8 mm，下降明显，且锚固结构穿过了变形量较大范围，极大降低了高应力作用下锚固结构随围岩被整体挤出的风险。因此，在沉积变异区巷道支护控制中，基础支护体长度应穿透巷道围岩横向裂隙区后，锚固于深部围岩体低损伤小变形区，使锚杆支护尾端作用于巷道周边岩体零位移点，超过临界锚固深度后实现厚层锚固，有效调动更大范围岩体构建承载结构，发挥以内部相对小位移约束巷道表面大变形的功能，提高应力均化程度，同时辅助以围岩注浆改性，改善围岩破碎状态，提高巷道围岩自身承载能力。因此，在厚层锚注支护下，可以约束围岩内部损伤破坏的发展，消除巷道围岩非连续变形，实现巷道围岩的长时稳定，提高沉积变异区巷道抗动载扰动能力，控制原理如图7所示。

图5 掘进期间巷道变形量Fig.5 Roadway deformation during excavation

图6 不同锚杆长度下巷道顶板下沉Fig.6 Roof subsidence of roadway under different bolt lengths

图7 沉积变异区巷道控制原理Fig.7 Control principle of roadway in sedimentary variation area

3 工业性试验

3.1 厚层锚注支护方案设计

结合7303工作面的实际工程条件，沉积变异区巷道围岩变形严重并处于长期流变状态，因此本文主要针对现有沉积变异区巷道的修复加固，沉积变异区巷道修复加固在充分卸压的基础上，使用合理长度的柔性锚杆重新构建稳定的锚固岩梁，通过双重注浆提高破碎围岩的完整性和承载能力，从而实现巷道服务周期内的变形控制及安全使用。厚层锚注一体化控制技术由柔性注浆锚杆实现，主要由两部分组成，分别为柔性锚杆和锚注一体化注浆装置，柔性锚杆由钢绞线、螺纹、螺母组成，可不受巷道高度显著完成安装，锚注一体化装置由注浆弯管，注浆套管以及止浆塞组成，可在不损伤钢绞线自身结构强度的同时完成巷道围岩注浆改性，实现了厚-层锚固与注浆改性的有机结合，柔性注浆锚杆结构示意如图8所示。

图8 柔性注浆锚杆Fig.8 Flexible grouting anchor

具体的厚层锚注加固支护参数如下所述。①顶板支护。采用Ф21.82×4 000 mm的柔性注浆锚杆、300 mm×300 mm×10 mm拱形钢托盘，由于需要安装锚注一体化装置，托盘孔径扩大至42 mm，柔性锚杆每排四根，间排距为1 200 mm×1 600 mm，预紧力矩不小于300 N·m。②帮部支护。两帮选择差异化支护，采煤侧帮部在距顶板700 mm位置施工一根柔性锚杆，非采煤侧帮部布置2根柔性锚杆，且非采煤侧帮部柔性锚杆为非均匀交叉布置，配备2 m-T型钢带，与原有支护钢梁形成十字交叉起到强护表效果，排距1 600 mm。锚杆托盘必须紧贴钢带，使钢带压紧网紧贴煤岩面，具体布置示意如图9所示。柔性注浆锚杆安装完毕后，打开注浆弯管封口，注入浆液，注浆压力达到2 MPa时停止注浆。

3.2 沉积变异区巷道修复加固支护效果

3.2.1 锚杆支护阻力观测

7303工作面运输顺槽沉积变异区巷道修复加固区域采用山东诚德电子科技有限公司生产的GPY750-M锚杆索测力计及其配套的手持采集仪对柔性锚杆工作阻力进行监测，监测数据如图10所示。

测力计CL1安装在试验段里程30 m处，安装完成后测力计读数从60 kN以较快的速度增长；在34 h后，测力计读数逐渐趋于稳定，稳定值为103.9 kN；测力计CL2安装在试验段里程60 m处，安装完成后测力计读数从40 kN以较快速度增长，在30 h后基本稳定，但后续仍以较小幅度增长，稳定值为63.4 kN；测力计CL3安装在试验段里程90 m处，安装完成后测力计读数从50.5 kN以较快的速度增长；在40 h后，测力计读数小幅波动后以相对较慢速度增长并逐渐趋于稳定，稳定值为125.5 kN。根据测力计数据表明，在修复加固支护完成40 h内，柔性锚杆支护阻力增加较快，40 h后，柔性锚杆支护阻力增长速度降低并逐渐趋于稳定。

图9 支护方案示意图Fig.9 Schematic diagram of support scheme

图10 测力计监测数据Fig.10 Dynamometer monitoring data

3.2.2 巷道表面位移观测

巷道围岩表面位移量监测采用十字布点法，试验段100 m，每20 m布置一个测站，此处选择首尾两个测站进行分析，测站1位于试验段里程20 m处，测站2位于试验段里程80 m处。巷道围岩变形量如图11所示。由图11可知，在修复加固初期，巷道围岩在高应力作用下仍然处于持续变形状态，但随着时间推移，巷道变形速度降低，修复加固3 d后，巷道围岩变形基本稳定，且顶板下沉量及两帮移进量均控制在100 mm以内。

图11 巷道围岩变形量Fig.11 Roadway surrounding rock deformation

由图12可知，在采动应力影响下，巷道围岩裂隙扩展至巷道顶板上方3.14 m处，此时原有短锚杆支护已无法控制该区域，但仍在厚层锚固修复加固范围内，有效地抑制了顶板裂隙进一步向深部扩展，避免巷道围岩锚固结构整体性下沉移动，结合锚杆测力计与巷道围岩变形数据可以得出，厚层锚注加固支护对沉积变异区巷道围岩控制效果良好。

图12 巷道围岩内部裂隙发育Fig.12 Internal cracks of the surrounding rock of the roadway are developed

4 结 论

1) 得出了沉积变异区巷道围岩三类典型变形破坏模式：顶板整体结构性下沉破坏、长时蠕变破坏、非对称破坏。

2) 阐明了沉积变异对巷道围岩变形的影响机制及厚层锚固控制原理。沉积变异区域巷道围岩完整性差，岩层交界面多，多重应力扰动下易造成局部变形严重及整体分区破坏，松动圈范围大大增加。因此基础锚固层厚度应穿过围岩横向裂隙区，及时形成稳定的厚层强化锚固岩梁，注浆改性提高岩体自身承载能力，消除分区间离层，实现应力均化形成应力连续传递。

3) 提出了沉积变异区巷道厚层锚注控制技术及完成工业性试验。利用柔性注浆锚杆实现厚层锚注一体化支护，通过对锚杆支护阻力、巷道表面位移观测以及钻孔窥视表明，锚杆索支护阻力稳定，巷道围岩变形速度减慢，变形量控制在100 mm以内，裂隙发育在厚层基础锚固层内，控制效果良好。