滑動構造區三軟強變形煤層巷道變形破壞規律研究

崔正庭

（登封市仟祥煤業有限責任公司，河南 登封 452470）

滑動構造區三軟煤層工作面上下付巷受到采動[1]等因素的影響，巷道變形劇烈，不能滿足安全生產的需求。返修率達到 60%以上，巷道返修不僅費時費力，增加生產成本，而且也影響了礦井的正常采掘接替。國內此類型的研究成果相對較少，缺乏可供直接借鑒的經驗。因此，開展滑動構造影響條件下的采動底板破壞范圍研究，揭示“三軟”煤層巷道變形破壞規律和機理[2-3]，確定合理的支護方式和支護參數，不僅對告成礦區具有直接的實踐價值，對發展復雜構造條件下的三軟煤層支護技術也具有重要的理論意義。

1 概況

鄭煤集團告成礦采用沿空留巷將21041 工作面下付巷作為21051 工作面上付巷使用，21051 下付巷埋深470 m 左右，為新掘實體煤巷道。煤層厚度2.1～7.9 m，平均4.1 m，平均傾角約11°，結構簡單。二1煤層呈粉末狀，疏松易碎，平均抗壓強度0.9 MPa；煤層頂板極其破碎，平均抗壓強度24.62 MPa，平均厚度8.56 m，巖性為泥巖、砂質泥巖和細砂巖，容易泥化；底板多為松軟的砂質泥巖，一般厚 5～10 m，平均抗壓強度14.47 MPa，屬于典型“三軟”煤巖結構層。由于滑動構造作用，巖體內節理裂隙極為發育，圍巖松散破碎，整體性差，很難形成有效的承載體，導致巷道變形嚴重，極易產生流變。

2 21051 下付巷變形特征研究

2.1 圍巖物理力學性質實驗

分別測試21051 下付巷三個位置（二1 煤層、頂板、底板）煤樣的力學參數，見表1。鑒于煤巖強度較低，實驗儀器選用量程小、精度高的無側限壓力儀。

表1 二1 煤層頂底板巖石物理力學參數

2.2 U 型鋼可縮性支架支護巷道變形破壞特征

21051 下付巷斷面呈直墻半圓拱型，凈斷面13.0 m2，寬×高=5350 mm×3550 mm，36U 型鋼棚支護，棚距600 mm。

21051 下付巷典型變形特征如圖1。巷道U 型鋼棚支護發生了嚴重變形，表現為：1）頂板下沉、底鼓及支架鉆底嚴重，凈高3.5 m 的巷道降到2 m以下，局部不足1.5 m，頂底移近量達到1.5～2.0 m。2）支架搭接部位阻力降低，頂梁和柱腿出現＞1 m的相對滑移。3）巷道兩側幫腳有明顯內移，巷道下寬由5 m 縮至3.5 m，兩幫移近量高達1.5 m。4）大部分棚腿變成內扎角，支架背板大量折斷和滑脫，顯現出煤體。

圖1 21051 下付巷U 型鋼棚支護典型變形特征（mm）

2.3 U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護巷道變形特征

21051 下付巷設計工程量1356 m，巷道采用U型鋼支護（型號36#、截面積15 m2），棚距0.6 m。為提高錨索支護強度[4]，用7 道工字鋼聯鎖鋼棚，如圖2。

圖2 21051 下付巷U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護（mm）

巷道頂底和兩幫移近量變化規律如圖3，頂底和兩幫移近速度如圖4。

圖3 20151 下付巷圍巖收斂變形規律

圖4 20151 下付巷圍巖收斂變形速度

通過現場實測得到U 型鋼棚工字鋼梁錨索支護時巷道變形規律：

1）巷道變形主要發生于距離掘進頭80 m范圍內，在距離掘進頭120 m 之后逐步趨于穩定。觀測期間頂底移近量為460 mm，兩幫移近量為280 mm。

2）巷道剛掘出10 m 內，頂底板和兩幫移近速度分別為22 mm/d 和3.5 mm/d；距離掘進頭40 m 時，頂底和兩幫移近速度分別下降為10 mm/d 和2 mm/d；當距離掘進頭120 m 后，巷道頂底移近速度降低為3～4 mm/d，兩幫移近速度降低為1 mm/d。巷道圍巖穩定時間較長，達到140 d 以上。

3）巷道圍巖處于滑動構造破碎帶，屬于強流變煤巖體，采用U 型鋼支護時圍巖變形強烈，頂底移近量達2 m，收縮率達57%，兩幫移近量達到1.5 m，收縮率為30%。采用U 型鋼可縮性支架+錨網索補強支護后，巷道頂底和兩幫收縮率下降為12%和5.6%，說明錨桿和錨索支護效果明顯。

2.4 巷道圍巖松動圈變化規律

地質雷達測試法是基于介質間的電導率、介電常數等電性差異，以高頻電磁波在電性界面的反射來探測地下目標體。地質雷達天線T 由巷道表面向圍巖內發射的高頻電磁波，若遇到介質電性分界面就會被反射回巷道表面，被另一天線R 接收。根據介質中電磁波傳播速度和接收的反射信號雙程走時，便可確定圍巖深部裂隙區域與較完整巖體分界面的位置和深度。

圍巖裂隙面深度可按如下公式計算：

h=vt/2

式中：h為裂隙面深度，m；t為反射波的到達時間，ns；v為電磁波傳播速度，m/ns。巷道圍巖含水量一般較大，電磁波的平均波速約為0.1 m/ns。

雷達測試圍巖松動圈原理：圍巖松動圈內巖體為破裂松馳狀態，地質雷達圍繞巷道斷面一周進行掃描時，發出的電磁波在破裂區傳播時波形呈雜亂無章狀態。當電磁波經過松動圈與非破壞區交界面時，必然發生較強的反射，從而可根據反射波圖像特征來確定圍巖松動圈破壞范圍。

為探明21051 工作面回采巷道圍巖松動圈變化規律，選用巖層探測記錄儀（YTJ20 型）和地質雷達系統進行測試，共布置三個測點，如圖5。按“左幫→拱頂→右幫→底板”順序進行測試。巷道松動圈發育特征見表2。

圖5 測點布置位置圖

表2 21051 回采巷道松動圈發育特征

根據測試結果繪制圖6 中巷道測點1、2、3 處的圍巖松動圈發育形態，得出如下特征和規律：

圖6 巷道圍巖平衡圈發育范圍（m）

1）巷道變形特征表現為顯著的流變特性，巷道斷面容易發生全斷面收縮。

2）經過不同擴修次數的巷道，松動圈發育特征相似，即拱部裂隙發育范圍最大，幫部次之，底板最小。

3）拱部圍巖和左、右幫的破壞范圍都在2.5 m以上，屬大松動圈極不穩定圍巖。

4）鉆孔探測范圍內，雖然裂隙具有擠壓填充痕跡，但煤體結構完整，可以進行錨桿、錨索等主動支護方式施工。

2.5 礦壓觀測結論

2.5.1 二1 煤層構造破碎帶21051 回采巷變形規律

1）巷道變形主要發生在距離掘進頭80 m 范圍內，距掘進頭120 m 后逐步穩定。

2）U 型鋼棚支護條件下，巷道頂底移近量達1500～2000 mm，收縮率達到57%；兩幫移近量1500 mm，收縮率達到30%。棚腿內傾，背板折斷，煤體擠出。

3）U 型鋼可縮性支架+錨網索補強支護條件下，巷道頂底和兩幫移近量分別為460 mm 和280 mm，較U 型鋼棚支護條件下明顯減小，說明錨桿和錨索支護效果明顯。

2.5.2 巷道圍巖松動圈

1）巷道圍巖松動圈頂部最大，為3.5～5.9 m，一般為4.3 m；兩幫松動圈次之，為2.5～4.3 m，平均3.0 m；底板松動圈最小，為1～1.5 m，平均1.26 m。

2）隨著擴修次數增加，松動圈形態和范圍基本保持不變，表現為大松動圈。

3）松動圈探測表明，巷道煤巖體結構完整，可以進行錨桿、錨索施工。

2.5.3 21051 下付巷掘進巷道采用U 型鋼+工字鋼梁錨索支護的變形規律

1）巷道頂底平均收斂速度0.15 mm/d，兩幫收斂速度為0.06 mm/d。

2）巷道兩幫移近量平均 628 mm，頂底移近量平均885 mm，巷道變形以頂底收斂變形為主，頂底移近量是兩幫移近量的1.27 倍。

3）底鼓量平均540 mm，頂板下沉量345 mm，底鼓量大于頂板下沉量。

2.5.4 巷道破壞機理及支護對策

1）巷道破壞機理[5]。巷道底鼓變形將引起兩幫失穩，兩幫變形失控，引起頂板動壓影響范圍和支護失穩。巷道錨索太長，受力過大，不能適應巷道變形，易拉斷；錨桿、錨索、U 型棚不能協調支護，導致巷道破壞。

2）支護失效原因。采用U 型鋼支架配合錨網支護，缺乏及時支護；底板缺乏控制，加劇兩幫破壞；兩幫支護強度不足，加劇頂板失穩；破碎易軟化圍巖沒有噴漿封閉。

3）支護對策。優化斷面，采用反底拱提高底板穩定性；采用錨網與錨桿聯合支護，加強頂板、兩幫支護；噴漿防止圍巖軟化，形成整體聯合支護。

2.5.5 三軟煤層巷道支護原則

1）總原則：要充分利用平衡圈內圍巖的自承載能力，支護體與圍巖共同承載。

2）治頂先治幫：加強兩幫支護，控制巷道等效寬度，降低頂板支護難度。

3）治幫先治底：加強底板控制，防止兩幫破壞區和頂板極限平衡拱的擴大。

4）肩腳是關鍵：兩肩支護對頂板和兩幫穩定性具有重要作用，兩幫腳支護對控制底鼓和防止兩幫破壞具有重要作用，是形成整環支護的關鍵。

5）整環控制：“底板-兩幫-頂板”作為一個整體系統，按照巷道圍巖平衡圈的大小，進行整環支護設計。

2.5.6 二1 煤層底板三帶[6]范圍

1）破裂帶。該帶圍巖裂隙發育，圍巖存在透水性，呈“魚背”型分布，最大深度 13 m。該帶受采動集中應力影響，巷道維護困難，是巷道布置必須避開的區域。

2）斷裂帶。在此區域內圍巖剪切和張拉裂隙發育，呈“馬鞍形”分布。該帶在工作面傾向的下側深度達到25.3 m，工作面中部深度15.6 m，工作面上側深度21.1 m。該帶圍巖裂隙發育，受到支承壓力的一定影響，也不利于布置巷道。

3）原巖帶。處于斷裂帶以外的區域，基本處于原巖應力，巖層處于原巖狀態，該區域稱為原巖帶。在采空區下部，該區域基本處于底板深度21 m外，適于布置底板巷道。

3 結論

針對鄭州煤電告成煤礦二1 煤21051 下付巷典型的“三軟”煤層巷道圍巖松散破碎[7]特征，研究了其變形和圍巖松動圈變化規律。得出，巷道圍巖兩幫及頂底移近量平均達到600～950 mm，頂底最大，兩幫次之，表現為四周變形，屬于大變形軟巖巷道。巷道圍巖松動圈范圍一般為頂板4.3 m，兩幫3.0 m，底板1.26 m，屬于大松動圈。通過合理設計錨桿錨索支護參數進行巷道支護，能夠有效降低巷道頂底板移近量，取得明顯效果。