复杂围岩受损动压巷道修复技术研究

复杂围岩受损动压巷道修复技术研究

魏修立

皖淮南市淮浙煤电公司顾北煤矿顾北煤矿生产技术部安徽淮南232151

摘要：在改革开放的新时期，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，以顾北煤矿13116综采工作面运输巷复杂围岩为研究对象，研究了复杂围岩受损动压巷道变形破坏特征及破坏机理，提出了“强顶、固帮、减跨补强、控底”修复思想及在原支护基础上采用单体支柱配合锚网索修复技术方案。应用FLAC2D有限元计算软件对巷道加固前后围岩应力状态、变形特征进行了数值模拟分析，并对修复方案进行参数优化。现场应用表明提出的修复方案较好地控制13116综采工作面运输巷的变形，保证巷道围岩的稳定性。

关键词：复杂围岩;动压巷道;修复技术

引言

在巷道围岩比较复杂的情况下，围岩受到的地应力较大，也容易破碎，从而巷道很容易变形，维护起来困难较大。目前我国在复杂围岩的支护处理方面还存在一定的不足，不能有效结合实施现场的情况来进行支护方案的选择和确定。因此，要进行安全高效的煤矿开采，就要深入研究和探索在复杂围岩条件下的大断面受损动压巷道修复技术。目前国内外巷道支护技术主要有锚杆、Ｕ型钢可缩性支架、工字钢等。

1复杂围岩巷道类型

我国煤矿复杂围岩巷道可分为5类.1)低强度围岩。这类围岩结构松散软弱，胶结程度差，岩石单轴抗压强度一般低于3OMPa，煤体抗压强度小于1OMPa，在低应力状态下就能产生显著变形。2)膨胀性围岩。岩石内含有较多茹土矿物，如蒙脱石、伊利石、高岭石等，遇水后产生明显的膨胀变形。3)高地应力围岩。在高地应力状态下出现显著变形和破坏的一类岩体，这是深部开采出现的普遍问题。随着开采深度增加，围岩变形越来越大，破坏也愈加显著，不仅出现了软弱、破碎岩体变形的特征和强度特征，而且冲击矿压等动力灾害现象也有时发生。4)节理化围岩。变形特征和强度特征主要由结构控制的一类围岩。具体的表现是煤岩块的强度本身不低，但煤岩体内节理、层理、裂隙发育，导致煤岩体整体强度小，稳定性差，这类煤岩体多发生在地质构造带，如断层、褶皱等构造附近。5)复合型围岩。除上述介绍的4类单一围岩外，许多矿区复杂围岩是复合型的，即上述4类中的2类或者以上。

2变形破坏影响因素

2.1围岩性质

如前面地质特征所述，底板为铝土质泥岩，强度低，遇水极易软化，直接导致巷道围岩严重变形。再有巷道处于采动影响范围内，造成煤层及顶、底板产生大量裂隙，从而使得围岩的整体性降低，使得巷道在长期外力作用下，实际承载能力降低，加之裂隙发育，进一步降低了支护结构的承载能力，导致巷道发生严重变形。

2.2采动影响

在经过多种形式、不同方向的采动后，巷道内部围岩的应力也发生着变化，在多次采动影响后，巷道围岩的强度就会相应降低，从而可塑性升高，扩大了围岩松动的范围，这样巷道支护的条件更加不利。所以，采动的影响也是巷道变形和破坏的一个重要原因。

2.3地质构造复杂，原始地应力大

原始地应力包括上覆岩层的重力场应力及地质构造应力两大部分，重力场应力仅与上覆岩层及采深有关，构造应力是长期的地质构造运动产生的残余应力，采区的地质构造越复杂、越活跃，则构造应力越大。

3巷道变形破坏机理

3.1巷道变形破坏机理

根据前面分析，复杂围岩受损动压巷道在自身围岩变形过程中，会逐步形成4个区，分别是原始应力区、弹性区、塑性区及破碎区;该4个区在完整支护体系存在情况下，保持应力平衡，不会发生围岩变形。若一旦受到外部压力的影响，极容易打破内部应力的平衡，就会向着某一弱面滑动，发生塑性变形。再有，塑性区内的煤岩体在外力作用下，其流变性能逐渐增强，形成流动挤压力，使得该区的煤岩体逐步转化为破碎区，围岩变形范围也进一步扩大，失去应力平衡。同时，在此挤压力作用下，原来的裂隙会再次产生次裂隙，次裂隙又被新的流变逐渐演变成破碎区，如此周而复始，围岩的整体稳定性能逐渐下降。故修复支护体系作用就是在其未发生较大的的碎胀变形前，重新支撑新产生的破碎区的煤岩体自重。因此，修复支护方案必须围绕能否将新的围岩压力支撑住而展开，最终形成新的支护体系，使得围岩达到一种新的应力平衡状态。

3.2巷道变形的破坏特征

巷道变形大，在破坏巷道之前，受工作采动影响，出现侧帮内移、底板下沉等现象。在采动影响下，巷道会出现较大的变形。在短时内，巷道顶板和底板与两帮的移近量会出现很大差别。巷道两帮应力较集中，变形范围加大。巷道变形时间性，在复杂围岩的条件下，动压巷道的变形过程一般都具有时间性，这主要与动压源的位置和巷道位置有关。随着动压源由远及近变化，巷道变形程度和速度都明显加大。巷道变形破坏形式多样，有底臌、冒顶、顶板下沉、两帮片帮等。动压巷道的常见破坏形式是底臌破坏，受动压影响，由于没有对巷道进行支护措施，巷道的两帮和顶板受到的应力得到释放，就会导致一定程度的底臌，而且随着采动的加快，巷道底臌的破坏就愈加明显。

4施工工艺

1)底板处理。将变形鼓起的煤岩层先去除，再在底角补打锚杆，同时起底后底板呈凹型，凹型中部距底板水平面距离控制在400～600mm，形成一个较大范围的预留空间。2)帮部加固。将失效锚杆全部提前清除，直至见硬煤，再沿倾斜向上补打帮底角锚杆，从而将围岩和原有支护结构形成整体。加固后的帮部角提高了侧应力，减小底板浅部应力集中，增大深部的应力集中程度，从而减小因挠曲效应引起的底鼓量。3)减跨补强。通过增加锚索和强力支柱在沿巷道纵轴线形成连续支撑点，减小顶板的下沉及挠曲变形;提高顶板应力集中程度，降低底板承受作用力，起到减小底板位移量的作用。

5复杂围岩受损动压巷道变形的修复技术

要充分利用巷道围岩的本身的承载能力，尽量维持巷道的稳定；要设置强度较大的巷道支护体来控制巷道围岩的变形，保证巷道围岩的施工安全；加强对巷道底臌的控制，用底角锚杆、可缩性的封闭金属支架来对底臌进行支护措施；要兼顾护顶和护帮；尽量分区支护，分段来施工。选择锚杆支护作为重点的巷道支护方式，锚杆支护可以提高围岩的强度，与围岩共同承担重量，形成完整的承载圈。１）观察分析顶板、瓦斯等情况，制定出施工措施；２）在冒落区周边打临时支柱，将冒落处的顶板托住；３）逐步向冒落区推进，清理冒落矸石（煤）；４）依次由一端架设棚子，棚子以上未接顶的地方要用木垛接顶；５）进行安全检查，确认无危险后，方可收工。

结语

1)复杂围岩动压受损巷道围岩变形破坏主要特征:两帮及帮角处应力集中，塑性区范围扩大;顶板及两帮受到的应力通过未支护底板进行释放，直接导致底鼓;为此，提出强顶、固帮、减跨补强及控底的修复思路，即锚网索支护+单体支柱配合。2)数值模拟分析得出增加顶板锚杆(索)、帮部锚杆及应用单体支柱支护方式可以有效提高围岩强度，降低塑性区范围，提高围岩稳定性。3)工程应用表明，采取强顶固帮控底及减跨补强支护方案后，巷道围岩变形正常，顶板无明显下沉，锚杆索发挥显著补强作用，明显提高了巷道支护效果。

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