复杂应力条件下巷道围岩综合控制技术研究

郭军招

（冀中能源股份有限公司 东庞矿，河北 邢台 054200）

0 引 言

近年来，随着全国尤其是东部地区煤炭开采深度不断增加，深部巷道围岩的有效控制是深部煤矿安全开采的首要问题之一，但深部岩体受“三高”特性影响而表现出的软岩特性使得深部巷道与浅部硬岩巷道围岩控制原理有着显著差别，浅部巷道一般不允许围岩进入塑性状态，而深部巷道支护的独特之处在于其巨大的变形能必须以某种形式释放出来，允许围岩进入塑性状态。目前国内深部巷道通常采用的卸压技术有，预留巷道断面、壁后充填全封闭式可缩型支架、让压锚索以及钻孔、爆破、开卸压巷等。针对以上卸压技术，国内许多专家又进行了大量研究与实践，提出了许多改进方案。一部分学者认为巷道支护初期锚杆索支护系统应具有足够的延伸率，允许巷道围岩有较大连续变形。通过分析软化卸压带参数对深部巷道围岩变形的影响规律，提出了巷帮松裂爆破的卸压技术，认为巷帮松裂爆破能在巷帮形成一个卸压带，可有效改善围岩应力分布，使得高应力向深部转移。此外，国内外先后开展了许多卸压技术的研究与工程试验，包括开卸压槽、开卸压巷、切缝、钻孔、爆破、以及预留卸压煤柱等，并通过其他支护手段与之相互配合解决了许多深部巷道的支护问题。以上卸压理论与卸压技术的研究成果为该项目的开展奠定了一定基础，但针对因多重采动造成的深部巷道围岩长时持续性大变形，现有研究成果仍有欠缺与不足。东庞矿采掘布局逐步向深部转移，深部水平地压明显增大，深部复杂应力与围岩环境下有关矿山压力难题对深部巷道围岩控制技术形成了艰难的挑战。

1 概 况

12 采区轨道巷位于东庞矿深部水平，12 采区轨道巷内2 号煤层沉积较稳定，结构复杂，含有1层夹矸，煤层及夹矸厚度有一定变化。上层煤厚度为2.7～3.2 m，平均厚度为2.9 m；下层煤厚度为1.2～1.3 m，平均厚度为1.3 m；夹矸厚度为0.2～0.8 m，平均厚度为0.5 m；煤层总厚4.3～ 5.2 m，平均4.7 m。煤层倾向为282°～355°，煤层倾角为2°～5°，平均为4°。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板结构Table 1 Roof and floor structure of coal seam

东庞矿12 采区轨道巷两侧的综采工作面逐个进行回采，位于动压显现剧烈区域，将经历工作面回采的强动压影响，围岩控制难度极大。项目组根据现场调研情况与地质生产条件找出可能导致大巷围岩变形破坏的主导因素，确定深部强采动巷道围岩控制的总体原则和技术方向，最终确定基于深部高地应力、煤岩体流变等特性以及巷道围岩矿压显现特征，在高强度支护等手段的基础上提出在煤帮深部区域开挖一个大型孔洞并布置调控系统进行持续大变形控制的新方法，抵御深部巷道围岩大变形，并通过持续性位移监测适时进行二次或多次调压孔洞系统布置，以应对强动压影响造成的一次孔洞密闭以及巷道煤体深部区域的持续性蠕变，维护巷道支护系统的稳定性，提高矿井生产效率、优化工人的劳动环境，促进深部矿井安全高效集约化发展。

2 复杂应力条件下巷道围岩综合控制技术

2.1 复杂应力条件下巷道围岩支护

东庞矿12 采区轨道巷变形严重，巷道采用一排锚杆一排锚索支护，巷道裸露顶、帮重新进行锚梁网支护。顶、帮均铺菱形金属网，挂垂巷H型钢带梁，顶、帮锚杆间排距均为800 mm×1 600 mm，顶锚杆采用φ22 mm×2 400 mm 左旋无纵肋螺纹钢锚杆，配MSCKb2350、MSZ2360 树脂药卷各1 卷，锚固力不低于15 t，帮锚杆采用φ20 mm ×2 400 mm全螺纹钢锚杆，配MSCKb2350、MSZ2360 树脂药卷各1 卷，锚固力不低于12 t；顶、帮每隔一排锚杆施工一排点锚索配双钢带梁，锚索间排距1 m×1.6 m，钢带梁垂巷布置，钢带梁间连锁牢固，顶锚索采用φ21.8 mm ×10 500 mm 钢绞线，每孔配MSCKb2350 树脂药卷1卷，MSZ2360 树脂药卷3卷锚固，预紧力不低于130 kN，帮锚索采用φ21.8 mm ×6 300 mm 钢绞线，每孔配MSCKb2350 树脂药卷1卷，MSZ2360 树脂药卷3 卷锚固，预紧力不低于130 kN。

图1 巷道支护断面图Fig.1 Roadway support section diagram

东庞矿12 采区轨道巷变形严重且帮锚杆施工质量不合格时巷帮采用全锚索支护。对巷道裸露顶板采用全锚索支护，巷帮铺垂巷菱形金属网，网与网搭接不小于200 mm，联网采用16 号铁丝，联网间距不大于300 mm，必须使用专用网勾进行联网作业。挂H 型钢带梁，垂巷钢带梁要压网搭接处。帮锚索采用φ21.8 mm×6 300 mm 钢绞线，间排距1.0 m×1.2 m，每孔配MSCKb2350 树脂药卷1 卷，MSZ2360 树脂药卷3 卷锚固，预紧力不低于130 kN。最上部一道帮锚索距顶板不大于300 mm，最底部一道距底板不大于300 mm。每根锚索配400 mm×400 mm、200 mm×200 mm 托盘各1 块或200 mm×200 mm、100 mm×100 mm 托盘各1 块。

图2 巷道支护断面图Fig.2 Roadway support section diagram

2.2 锚喷注浆加固

支护后对巷道顶帮及时进行喷浆封闭，喷厚100 mm，喷浆强度不小于C20。喷浆封闭后对整修巷道顶、帮采用一排深孔一排浅孔交替注水泥浆加固，如图3、图4 所示。注浆孔孔距1.5 m，排距6 m，深孔孔深8 m，注浆压力不小于6 MPa，浅孔孔深3 m，注浆压力不小于4 MPa。注浆采用注浆孔间隔注浆，水∶灰=3∶1，可适当调整参数，防止串浆跑浆。当注浆长时间不上压时，停止对该孔注浆，1 h 后继续对该孔注浆。

图3 巷道深孔施工断面Fig.3 Construction section of roadway deep hole

2.3 内部卸压调控

（1）卸压孔洞。

卸压孔位于巷道两帮距离底板1.0 m 高度并倾斜于巷壁轴向方向45°且上仰3°布置，两帮卸压孔排距为4.0 m，外部小孔直径约133 mm，倾斜布置的小孔孔深约17 m，深部造穴孔深3.0 m，一次出煤量约5 m3。为了防止造穴冲孔对两帮浅部锚固体内煤体的破坏，首先对深度为15m 范围内直径133 mm 钻孔内插入127 mm 的地质钢管，然后钻头通过钢管对深部17 m 煤体内实施造穴，造穴完成后及时封孔。当囊袋系统闭合度达80%左右时实施二次造孔洞卸压，两帮煤体卸压孔洞布置示意如图5 所示。

图5 两帮煤体卸压孔洞布置示意Fig.5 Arrangement of pressure relief holes in two sides of coal body

（2）卸压孔洞卸压原理。

巷道内部主动有控卸压技术是在巷帮深部范围内施工（水力造穴钻机设备）形成一系列的大洞穴，使得巷帮形成的支承应力峰值向深部大幅度转移，减缓或阻隔多重采动影响对巷道围岩破坏作用，并使得该处围岩变形能得以释放，同时能为深部煤岩体持续蠕变变形提供较大的补偿空间，吸收了大部分变形，为巷道创造了良好的应力环境，进而有效减小围岩变形。巷道内部主动有控卸压原理示意如图6 所示。

图6 巷道内部主动有控卸压原理示意Fig.6 Principle of active controlled pressure relief inside roadway

由图6 可以看出，通过水力造穴设备在巷帮深部区域产生大范围洞穴后，产生卸压，使得巷帮浅中部区域煤岩体支承应力降低，峰值向深部转移，大幅改善了围岩应力环境，有利于支护系统稳定；此外，卸压洞穴可有效吸收采动支承压力所造成的煤岩大变形，可直接缓解大巷支护系统所承受的变形压力，有效保障支护系统不被损毁。

（3）囊袋调压系统。

选取集中巷道帮部大巷侧第10 号、20 号与第2’号、10’号、20’号卸压孔洞布置新型可缩胀囊袋调压系统，进行两帮煤体内部卸压调控。该方法能将巷道两帮高支承应力峰值转移至卸压孔洞实体煤侧，实现巷道锚固围岩区整体应力下降，为巷道稳定性创造了良好的应力环境；卸压孔洞在囊袋系统支撑下可恒阻收缩，能为两帮深部煤体运移作用锚固围岩提供一个缓冲空间，如图7 所示。

图7 可缩胀囊袋系统监测Fig.7 Monitoring of shrinkable bag system

2.4 底板两侧切槽卸压

为了抵御12 采区轨道巷底板煤岩体大范围向外臌出，对12 采区轨道巷底板两侧实施切槽卸压，切槽深度300 mm，宽度为300 m，具体根据现场底板切槽实际变形情况实施多次切槽。

3 矿压观测

为了观测东庞矿12 采区轨道巷在回采期间的围岩活动规律，考察12 采区轨道巷围岩变形的控制效果，研究控制方案的合理性，在12 采区轨道巷中设置相应的测站，对围岩表面位移、液压枕监测锚索压力、钻孔应力计等定期进行观测并对巷道围岩变形进行统计、分析。根据观测数据，明显可知围岩内部卸压控制技术方案很好的控制了巷道围岩变形情况，巷道围岩变形量大大减少了，变形速率也降低了，提高矿井生产的安全性与可靠性，对深入发展完善深部硐室围岩控制体系具有重要的意义。

4 结 语

通过复杂应力条件下巷道围岩综合控制方案，形成复杂应力条件下持续大变形的强力支护、锚喷注浆技术和首次提出在深部巷道两帮内部开挖的大型孔洞内布置具有全方位施恒阻和可变阻适应功能的可缩胀囊袋调压系统，进行两帮煤体内部卸压调控的新方法，根据观测数据分析可以看出硐室围岩相对变形量大幅减小，稳定性大大提高，保证巷道围岩的长期稳定，减小巷道变形程度，进而延长巷道使用寿命，减少巷道反复维修带来的巷修费用，新的围岩综合控制方案同国内外同类研究相比，更具有先进性、合理性、有效性、推广性，为同类型巷道围岩支护提供理论与技术经验。