陕西省土地工程建设集团 710075
摘要：受构造应力场影响，滑动构造区围岩应力场往往带有明显方向性，且受局部断层、滑动面受构造影响，围岩十分松散破碎，造成滑动构造区软岩巷道围岩表现出较强的流变特性，多发生极不均匀变形。文章针对某矿21051运输巷实际地质条件，在掌握巷道变形破坏特征及巷道围岩基础信息的基础上，从提高支护承载结构稳定性角度出发，提出棚-杆-索联合支护技术，并成功进行了现场工业性试验，效果显著。
关键词：滑动构造；巷道流变；棚-杆-索联合支护
前言
位于滑动构造区的巷道，受大范围构造应力场影响，巷道围岩应力场往往带有明显方向性，围岩水平应力往往大于垂直应力【1】【2】。在较大水平应力作用下，巷道围岩易出现极不均匀变形，且顶底板变形量往往大于两帮变形量。另外，受局部断层、滑动面等构造影响，巷道围岩十分松散破碎，尤其是围岩强度较低的“三软”煤层巷道，围岩变形表现出显著的流变特性造成巷道维护十分困难。因此，了解此类巷道的失稳特征及破坏原因，采取有效措施控制其强烈流变十分必要。
1工程概况
告成井田属于登峰煤田的一部分，登封煤田位于昆仑-秦岭纬向构造带北支东段，夹持于嵩山和箕山两大背斜之间，总体呈一宽缓的不完整向斜。如图1所示。
图1 告成井田构造纲要图
2 试验巷道变性特征及基础信息实测
2.1 21051运输巷变形破坏特征
原有巷道采用高阻可缩U型钢棚支护，棚距500mm，支架搭接处采用2付普通夹板卡缆，搭接长度500mm，并采用编织网配合椽子背帮接顶，棚腿窝深150mm。采用此种支护后，巷道出现变形。
2.2 21051运输巷围岩松动圈实测分析
2.2.1 测试方法
为实现某矿21051运输巷围岩松动圈测试，针对21051运输巷现场实际情况，采用目前国际最先进的由瑞典制造生产的“地质雷达”，结合钻孔窥镜探测，精心选择测点进行围岩松动圈的测试工作。
测试选取巷道变形严重地段，分别进行钻孔窥镜探测和地质雷达测试，其中钻孔窥镜探测分别在巷道顶部、肩窝、帮部各打一个8m钻孔进行探测，在地质雷达探测过程中，为了能够探测巷道内测区围岩不同位置的松动圈厚度值，在每个巷道断面两帮及顶板围绕巷道周边约间隔40cm选择一个探测点，来探测巷道围岩松动圈厚度值，测试顺序是右帮→拱顶→左帮→底板。
2.2.2 松动圈探测结果分析
21051运输巷窥镜测试测试的典型图像，由窥镜测试可知，变电所顶部岩体破坏范围约1.2m，拱部岩体破坏范围约为2.5m，帮部岩体破坏范围约为2.2m。
测站雷达剖面图如图2所示，从地质雷达剖面图可以看出，该处巷道从右帮至拱顶再到左帮的松动范围接近，都在1.3~2.3m范围内，拱顶处最小。底板有连续反射，表明底板的围岩整体性良好，破碎深度在1m内。
图2 21051运输巷测试断面的雷达探测图像
由21051运输巷松动圈测试结果可以看出，巷道围岩松动圈发育范围并不大，钻孔探测范围内裂隙具有挤压填充痕迹，这充分说明了煤层具有强流变特性，煤层中产生的离层、破裂区很快被剪胀、流变的煤体充填。
3 巷道失稳破坏原因分析
3.1 滑动构造影响
构造应力场对巷道围岩稳定性影响主要表现为对巷道围岩松动圈发育范围的影响，即对巷道周边塑性区范围影响。构造应力场中水平构造应力大小，即侧压系数大小对巷道围岩稳定性影响很大，且不同于其他因素，其对巷道塑性区分布影响是非均称性的，为了更加清晰的了解水平构造应力（侧压系数λ）大小对巷道周边塑性区分布影响，采用FLAC2D数值模拟分析方法。根据21051工作面下付巷实际地质条件，模拟不同侧压系数下巷道塑性区分布特征。
根据21051工作面下付巷实际地质条件，建立数值分析模型，材料类型选用Mohr－coulomb 模型。在模型中间开挖巷道，巷道为5×4.5m直墙半圆拱型巷道。通过改变侧向压力系数λ实现构造应力对巷道围岩稳定性影响。21051工作面下付巷实际埋深约460m，上覆岩层平均密度取2500kg/m3,模型顶部施加固定压力q=10Mpa，分别模拟侧压系数λ=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，即侧向压力分别为5Mpa、10Mpa、15Mpa、20Mpa、25Mpa时巷道周边塑性区分布情况。
巷道围岩塑性区分布情况。可以看出，首先，由于模拟巷道埋深较大，原岩应力水平高，导致巷道围岩松动圈发育范围较大。且由于垂直应力水平较大，巷道底板在高水平应力作用下，均存在一定范围的拉应力区。其次当测压系数为0.5时，剪切应力作用区域主要分布在巷道两帮围岩中；侧压系数为1.0时，巷道两帮、顶底板剪应力作用区域范围进一步增大，尤其是巷道顶底板围岩受剪切应力作用更加明显；侧压系数为1.5时，在较高水平应力作用下，巷道两帮剪应力作用区范围有所减小，剪应力区进一步向顶底板围岩中转移；侧压系数为2.0、2.5时，一方面围岩塑性区范围增大，另一方面剪应力作用区进一步由巷道两帮向顶底板转移。这也就是构造影响强烈，即水平应力强的巷道，顶底板容易出现强烈剪胀变形的原因所在。
围岩松动圈实测结果与数值模拟过程中的测压系数为1.0时的塑性区分布特征相似，由此可以看出，此类条件下巷道水平构造应力并不是很大。滑动构造作用下岩体发生了塑性变形，导致煤层及顶底板变得十分松软，而在围岩变形过程中，释放了大部分构造应力。因此，影响此类巷道围岩稳定性的是关键原因是由于二1煤层本身强度低，且受滑动构造作用，导致巷道围岩呈现出的强流变特性，而非构造应力场。
3.2原有支护不合理
原有巷道采用高阻可缩U型钢棚支护，并采用编织网配合椽子背帮接顶，之所以认为支护设计不合理，原因有以下两点：
1）原有巷道采用单一U型钢棚支护，棚式支架强度和刚度较大，但是支架承载结构稳定性差，图3表示的是仅有U型钢棚的承载情况。可见U型钢棚的弯矩最大处主要集中在巷道两帮直墙位置，且U型钢拱部的弯矩分布并不均匀。在实际生产中，由于流变巷道破碎围岩各向应力的影响，U型钢棚常因偏载或者支护整体强度较低，造成U型棚支护失效。
图3 U型钢棚承载时弯矩分布图
2）对于强流变岩体基本没有有效针对控制措施。原有支护采用编织网配合椽子被帮接顶，编织网强度低，对于强流变岩体提供支护阻力偏低。因此导致大量煤岩体突破编织网流出。
4 流变型“三软”煤巷棚-杆-索联合支护技术研究
针对流变煤层巷道变形特点，支护结构在控制浅部围岩流变的同时，应当提高U型钢支架的整体稳定性，因此考虑采用棚-杆-索联合支护。
4.1 锚网支护作用
1）锚杆支护是兼有加固和支护两种作用的围岩控制技术，锚杆工作过程中提供的径向和切向支护阻力能够改善巷道浅部围岩受力状况，如图4所示，在巷道围岩浅部形成自承载拱，发挥围岩体自身承载能力，从而控制巷道围岩变形。
2）钢筋网具有一定的护表面积、强度和刚度，在高应力、破碎围岩条件下，能够有效阻止破碎围岩垮落，另外钢筋网还起到扩散锚杆预紧力，扩大锚杆作用范围以及均衡锚杆受力，提高整体支护能力的作用。
流变围岩产生不均匀高应力首先作用于锚网支护形成的自承载拱上，然后经过自承载拱再作用于U型钢支架上，这样使得U型钢支架受力更均匀合理【8】。
图4 锚网支护形成的自承载拱
4.2 锚索对U型钢棚支护结构补偿作用
针对U型钢支架容易由于局部失稳破坏而诱导整体失稳的特点，因此，需在支架薄弱部位通过高强预紧力锚索进行结构补偿，这样一方面对支架薄弱部位施加结构补偿力进行补偿，防止支架因局部失稳而发生结构性失稳，提高了承载体的整体强度。另一方面可以充分利用深部围岩的强度及稳定性，充分发挥锚索和支架各自优点、互补其不足，形成主被动结合的高强稳定承载体。
5 工程应用效果分析
通过以上分析可以看出，对于流变煤巷，棚-杆-索联合支护可以在浅部围岩形成组合拱、进而结合棚索协同作用形成具有较高强度、较高稳定性承载结构，在这种支护形式下，支架受力更合理，巷道浅部围岩自承载能力大大提高，因此决定采用棚-杆-索联合支护技术控制流变煤巷围岩的变形，下面将结合21051运输巷现场支护技术参数分析棚-杆-索联合支护效果。
5.1 支护方案
1）U型钢棚棚距为600mm，支架搭接长度为500mm；
2）针对巷道浅部破碎流变围岩，采用锚杆+钢筋梯子梁+钢筋网进行改善。根据现场实测可以看出，巷道围岩松动圈基本在3m以内，因此考虑使用型号为Φ22×3000mm的锚杆，材质为高强左旋无纵筋螺纹钢，由于巷道围岩比较破碎且流变性较强，因此，确定锚杆间排距为600×600mm，并配合钢筋梯子梁和钢筋网已形成强度更高的承载拱。
3）在支架薄弱部位通过锚索进行结构补偿，锚索排距为1200mm，锚索孔孔深为7500±100mm；锚索型号为Φ17.8×8000mm。具体参数布置见图5。
图6 巷道表面位移变形曲线
巷道刚掘出，巷道两帮、顶底板移近速度较大，为6～7mm/d左右，当锚杆、锚索安装完成后，巷道表面移近速度直线下降，当测站离掘进迎头140m时，巷道表面移近速度为1mm/d，说明巷道变形基本稳定，围岩控制效果明显。
6 结论
1）结合某矿21051运输巷实际地质条件，在对巷道进行围岩信息监测的基础上，得出21051运输巷围岩松动圈发育范围。
2）在分析21051运输巷围岩松动圈发育的基础上，研究分析了巷道失稳破坏原因，认为巷道失稳破坏是由于二1煤易流变和原有支护不合理造成的。
3）针对流变型“三软”煤巷变形特点，提出棚-杆-索联合支护技术，并分析了锚网支护作用和锚索对U型钢支架的结构补偿作用。
4)现场试验表明，21051运输巷采用棚-杆-索联合支护技术后，可以有效控制巷道围岩的流变问题，保持巷道长期稳定，对类似条件下的巷道支护具有一定的指导意义和借鉴作用。
参考文献
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[2]杜计平，苏景春.煤矿深部开采的矿压显现及控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.
[3]陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州.中国矿业大学出版社，1994.
论文作者:时吉贺,盛刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2019/1/3
标签：巷道论文; 围岩论文; 应力论文; 型钢论文; 底板论文; 支架论文; 塑性论文; 《防护工程》2018年第28期论文;