沿空留巷水压致裂和注浆锚索联合作用特征分析

贺相乾，杨舜超

（1.山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 吕梁 030500；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；3.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055）

0 引言

深部沿空留巷过程中围岩变形破坏严重是生产现场需要研究的问题之一，国内外研究学者围绕沿空留巷技术开展了相关研究，并取得了积极的控制效果[1-2]。孙广建等[3]结合留巷围岩非均匀受力、支护体作用、大松动圈塑性围岩特征，提出采用恒阻大变形锚索+切顶卸压+36U 形钢棚联合控制技术，取得了较好的效果；吕维赟等[4]分析了切顶卸压高度对巷道围岩变形的作用特征，得出切顶较未切顶有明显效果，且合适的切顶高度留巷围岩变形控制效果显著；王平等[5]结合矸石充填采空区减小覆岩破坏特征，提出了锚杆和W 钢带超前支护以及长锚索和注浆锚索永久支护技术方法，保障了深井矸石充填沿空留巷稳定；高建勇等[6]模拟分析了水力致裂对沿空留巷顶板的作用效果，得出水力致裂可有效减小留巷顶板变形量；然而，随着埋深的增加，沿空留巷控制难度不断增大，本文以某矿典型沿空留巷为研究对象，分析了留巷围岩变形特征，提出采用水压致裂和注浆锚索联合控制技术，分析了联合作用原理，并在现场进行了应用。

1 巷道生产地质条件和变形特征

某矿3201 工作面一切眼倾斜长度160 m，可采长度129 m；一切眼与二切眼对接后倾斜长度190 m，可采长度1 466 m。3203 工作面主采2#煤层，2#煤为二叠系下统山西组煤层，煤层厚度1.6～2.3 m，平均厚度2.1 m，在3201 工作面回采过程中留巷不同区域均呈现全断面变形，变形后巷道最小高度仅为0.9 m，如图1 所示，较初始巷道高度变形量达2.1 m，顶板最大下沉量达1.2 m，且底臌严重；顶板锚杆（索）多处出现拉断或松动现象，部分钢带撕裂，说明3201 工作面回采过程中巷道承受较高的采动应力。

图1 典型留巷围岩变形特征

2 沿空留巷水压致裂和注浆锚索联合作用特征

2.1 联合作用技术

针对深井沿空留巷大变形特征，将水力致裂和注浆锚索联合作用，水力致裂切顶优化开采覆岩大结构运动形成的应力环境，注浆锚索支护强化小结构加固层，通过优化顶板应力和控制小结构顶板离层，实现沿空留巷围岩的稳定。

2.2 联合作用特征

采用水力致裂切顶完成后，在切顶岩层的回转载荷下，直接顶产生运动变形，导致其载荷增加、变形加剧、裂缝再次发育，分析增加的注浆锚索作用特征，简化结构为悬臂梁状态，如图2 所示。

图2 直接顶受力简图

锚索支护后，直接顶与其上方的中砂岩锚固在一起，可认为是一层顶板，随着工作面推进，直接顶首先垮落，形成悬臂梁结构，其上方岩层对悬臂梁施加载荷。

2.2.1 锚索支护强度

支护密度p 为式（1）：

式中：c 为锚索排距；a 为巷道宽度；n 为每排锚索数量。

支护强度P 为式（2）：

式中：F 为锚索拉断载荷。

根据弯曲梁理论，梁内应力分量为式（3）：

式中：h 为顶板厚度；q、M 均为梁内载荷。

直接顶上、下表面水平应力为式（4）：

在走向方向上有水平应力σz=kγH，其中k 为侧压系数。

根据材料力学强度理论，可以采用第二强度理论校核，见式（5）。

由于直接顶上表面剪应力为0，则σ1=σx，σ2=0，σ3=σz。

直接顶下表面竖直方向上应力为支护强度，与弯曲应力相比，视为高阶小量，此处不计，取σ1=0，σ2=0x，σ3=σz，竖直方向上为第一主应力，也是最大拉应变的方向，其中σs为岩石的抗拉强度，代入强度条件，直接顶上、下表面拉应变为式（6）：

可得，直接顶上表面的最大拉应变在水平方向上；下表面的最大拉应变在水平方向上。

其中弯矩M=∑Fixi，为梁模型中所有载荷的合弯矩，由以上分析可知，采动后M 增加，其中起主要因素的是上覆岩层的压力。

上方岩层压力Fq为式（7）：

弯矩M 为式（8）：

式中：L 为巷道中心到顶板采空区端的长度。

以典型留巷为例，L=4.6 m；F=380 kN，代入式（8）和（4）中，可得：M=567.8 MN·m，μkγH=3 MPa，直接顶上表面σx=16 MPa，下表面σx=-16 MPa，其中，直接顶上表面为中砂岩，抗拉强度为σs=10 MPa，下表面为煤层，抗拉强度为0.29 MPa，代入式（6）中，可得直接顶上表面，见式（9）：

直接顶下表面见式（10）：

可以得出上下表面岩层均发生了破坏。由岩石力学理论可知，岩石破碎后会发生扩容，岩层破碎后的厚度hp为式（11）：

式中：k0为扩容系数。

顶板厚度扩容，导致顶板锚索拉力增加，易导致锚索的拉断失效。

2.2.2 顶板切断机理

顶板作为悬臂梁，除了承担正应力外，还有剪应力τxy见式（12）：

最大剪应力τmax为式（13）：

式中：A 为顶板横截面积，Fs为截面内剪力，由上覆载荷确定。

在煤帮处建立坐标系，此处x=0，上覆载荷为上部岩层施加的压力，取q，为分析方便可视为均布载荷，见式（14）：

则剪应力τmax为式（15）：

由式（15）可得，悬臂梁截面距离煤帮越远剪应力越小，同时，与上覆载荷q、梁的长度L 成正相关。对于整个梁，最大剪应力截面处在梁的固支端处，也是巷道上方附近。当工作面推进后，受到采动的影响，上载荷q 升高，顶板内的剪应力也会提高。

梁的破断有拉破断和剪断两种形式，随着剪应力的升高，若剪应力首先达到岩层的剪切强度，则易在煤帮及巷道内剪断，此时煤帮侧难以为上覆关键块提供支撑力，只能由充填墙提供，进而在巷道内形成台阶下沉，对充填墙及巷道造成较大破坏。

由式（7）和（8）可得，弯曲变形作用下顶板易破坏，形成松散结构，主要依靠锚杆索的支护作用保持其稳定，但锚杆索的抗剪强度已大幅度下降，易出现剪断失效进而影响顶板稳定性。在水力致裂的基础上，增设注浆锚索后，巷道范围内顶板剪切强度、抗拉强度、刚度值增强，使其远高于充填墙采空区侧，有利于顶板沿充填墙外侧切断，有效避免台阶下沉发生。

3 结语

分析得出典型深井沿空留巷变形特征主要表现为全断面收敛，顶板锚杆（索）拉断或松动，钢带撕裂；分析得出水力致裂和注浆锚索联合作用时，水力致裂切顶优化开采覆岩大结构运动形成的应力环境，注浆锚索支护强化小结构加固层；从锚索支护强度和顶板切顶机理两个方面分析了水力致裂和注浆锚索联合作用，得出在水力致裂的基础上，增设注浆锚索后，巷道范围内顶板剪切强度、抗拉强度、刚度值均增强，使其远高于充填墙采空区侧，有利于顶板沿充填墙外侧切断，保障留巷围岩的稳定。