摘要:在煤层群开采中，集中煤层上山需经受多次采动影响，选择合理的巷道围岩控制方法和支护措施对于控制巷道围岩变形尤其重要。首先采用X射线衍射谱分析和围岩松动圈钻孔窥视研究集中煤层上山顶底板岩性及岩层结构特征，分析了集中煤层上山变形和围岩松动圈发展规律；然后以某一具体矿井的生产地质条件为背景，应用FLAC5.0数值模拟软件模拟分析了锚杆预应力和底板注浆对巷道围岩塑性区分布的影响；最后提出了多次采动软岩巷道的支护措施，现场实践表明，支护效果明显。
关键词:多次采动 软岩巷道 高预应力 分次注浆
项目名称：国家自然科学基金项目，项目编号：50874042
地下巷道在开挖前，岩体在原岩应力作用下处于初始地应力平衡状态。巷道的开挖破坏了这种平衡，巷道周围岩体内各点的应力发生了变化，应力重新调整达到新的平衡。在煤层群采区巷道布置中，一部分矿井将采区上山布置在最下一层煤中，煤层上山将经受多次采动影响，上山在经受第一次采动影响后往往表现出围岩变形量大、底臌等现象，只有采取相应加强支护措施后才能满足后期采煤、运输、通风和行人等要求。目前，国内外众多专家学者通过理论、数值模拟、实验室试验和现场实际等研究手段，提出了卓有成效的支护加强措施。如王福刚提出在采动之前对软岩巷道采取行补打锚索、架U型钢棚等措施。陆士良等认为巷道受采动影响后，不仅巷道周边，而且岩体深部都处于强烈支承压力下，产生大范围的塑性变形而严重破坏；锚杆锚固力是峰后围岩剪胀变形与锚杆相互作用的结果, 随巷道围岩变形和损伤的发展, 锚杆锚固力呈现增长、稳定、衰减、以致丧失等过程。王天刚等认为在采用锚喷作一次支护后,围岩中等稳定的采动巷道不需要维修有以下两种解决办法:其一是在第一次采动压力稳定后补喷一层砂浆或混凝土, 厚度可达30～50mm即可；其二是采用锚喷网联合支护, 就是在喷射混凝土之前敷设金属网, 喷后成钢筋混凝土层。柏建彪等提出采动巷道底鼓控制重点是加固破碎底板, 增大其峰后强度和残余强度, 同时尽量减小底板自由面积, 控制水平应力对底鼓的影响。李凯歌等提出在三软煤层多次采动巷道的支护中应采用以“锚梁网+ 锚索”为主体的支护形式，并对巷道关键部位加强支护实施动态叠加支护，确保巷道的稳定。孙光中等认为，在巷道群开挖后，巷道围岩应力场是经过巷间应力相互叠加至稳定的二次应力场；随着采场宽度的增加，采场形成的侧向支承压力影响范围也在增大，继而又与巷道群已有的二次应力场叠加，使巷道群围岩再次破坏至稳定的三次应力场。本文以一煤矿多次采动上山巷道为工程背景，采用数值模拟与围岩松动圈现场实测的方法研究多次采动影响软岩巷道围岩控制机理与支护措施。
一、巷道顶、底板岩性X射线衍射分析
矿物的X射线定性相分析指的是用粉晶X射线衍射数据对样品中存在的矿物相进行鉴别，一种物相有自己独特的一组衍射线条（衍射谱）。利用长沙矿冶研究院的德国布鲁克D8 ADVANCE型X射线衍射仪对其进行XRD分析，X射线衍射谱图如图1所示，由图1可知：上山煤层巷道顶、底板均含有近25%的高岭石，顶板含有50%的云母，底板含有10%的云母和含有10%的长石，说明煤层山巷道围岩岩性较软，属于软岩。
二、二次采动上山巷道围岩松动圈测试
为准确了解二次采动后，煤层上山巷道的围岩松动圈破坏情况，以及先期注浆加固效果，应用YTJ20型岩层探测记录仪进行围岩松动圈探测。
2.1 未注浆巷道围岩松动圈情况
巷道顶板及帮围岩松动圈情况如图2～3所示。
2.2 已注浆巷道围岩松动圈情况
在巷道围岩注浆地段（注浆管长度为2m）进行围岩松动圈钻孔窥视，巷道顶板围岩松动圈情况如图4所示。
2.3 结果分析
未注浆段巷道围岩破碎严重，围岩完整性较差，一般松动圈范围都在5m左右，尤以4m范围内破碎严重。注浆段（注浆管长度为2m）巷道在注浆有效半径（2.5m）内围岩完整性较好，但超出有效半径部分围岩依然破碎。为确保巷道修复后在使用期内正常安全使用，巷道修复时必须采取联合支护加固措施，即采取注浆加固措施胶结已破碎、开裂的围岩，同时提供较大的支护抗力及时阻止注浆加固围岩的变形。
三、巷道围岩控制的数值模拟
根据FLAC软件计算精度对网格划分大小的要求，计算模型模拟范围为：宽×高=40m×30m，网格为115×100，划分为11500个单元，巷道开挖部分采用网格细化处理，以提高其计算精度。以矿井上山巷道的实际支护条件和地质条件为参考，顶锚杆5根，两帮各4根锚杆，锚杆杆体尺寸φ20mm×2.2m，锚固长度都取1.2m，排距0.8m；锚索排距1.2m，顶锚索2根，帮锚索1根，锚固长度1.8m；垂直应力和水平应力分别取10MPa、12.5MPa。
3.1 预应力对围岩控制的数值模拟
为模拟预应力对围岩变形的控制作用，在上述计算模拟中，锚索预应力保持120kN不变，锚杆预应力取0、20kN、40kN、60kN，模拟得到围岩塑性区分布如图5所示。
由图5可以发现，预应力大小对锚杆支护效果有着重要影响，预应力过小，起不到锁紧围岩的作用，围岩受剪切破坏依然严重，只有当预应力达到一定值后才能控制围岩松动圈的发展；随着锚杆预应力的增大，围岩塑性区减小，巷道稳定性增强。
3.2 巷道底板注浆对围岩变形的影响
模拟巷道顶板及两帮注浆半径4.0m，巷道底板注浆孔长度分别取0m、0.5m、1.0m情况下的围岩塑性区分布情况，如图6所示。
从图6可以发现，随着底板注浆范围的加大，底角角点处集中应力变化梯度减小，集中应力变化更趋于缓和，呈现均布化发展趋势；随着底板注浆加固范围的加大，底板岩层整体强度与帮部岩层的差距在减小，这在一定程度上减缓了底角角点处的应力集中程度。
四、支护实践
根据围岩岩性调查、围岩钻孔结构详查，某矿煤层上山巷道在二次采动影响下已遭到严重破坏，压力大、围岩结构破碎松软。由于该巷道在后期仍要受两次采动影响，综合前述围岩钻孔观测和数值模拟结果，考虑到单一的加固方法不能有效控制此类破碎围岩的长期蠕变及进一步破坏，为保证加固效果，确定采用分次注浆加固配合高预应力锚杆、锚索支护的综合加固方案。
注浆的目的是充填受动压影响后，巷道围岩离层、开裂形成的裂隙，将破碎的巷道围岩进行重新组合，尽量恢复并构成完整的岩体结构，进而形成连续的结构体，以有利于锚杆、锚索加固时力的传递，大幅度提高加固质量和效果。但是，注浆后的破碎围岩，虽然基本上恢复了连续状态，但其承载能力仍较弱，采动压力作用下可能重新破坏，进而再次失去承载能力；故选择在注浆后采用高预应力锚杆、锚索增强注浆胶结破碎围岩的粘聚力。高预应力锚杆锚索加固的目的是在巷道围岩结构恢复连续性后，对围岩周边加上强力的边界条件，使其具有较强的承载能力，充分发挥连续岩体自身的承载能力，进而抵抗应力重新分布过程中巷道围岩的变形移动。
为检验煤层上山巷道支护效果，在试验段布置三个测点，分别监测顶底板下沉量、底臌和两帮移近量。监测结果表示，与巷道采用原支护的同期变形相比，试验巷道的平均底臌速度由12.6mm/d下降至5.3mm/d，两帮平均移近速度由15.1mm/d下降至4.3mm/d，综合结果表明，试验巷道支护措施是合理的。
五、结论
针对某矿煤层上山巷道多次采动作用下围岩变形量大、底膨严重和巷道维护困难的特点，从岩性分析、围岩松动圈测试和数值模拟等方面分析了多次采动影响软岩巷道围岩控制及其支护措施，得出如下结论。
（1）煤层上山巷道在多次采动压力作用下，巷道围岩属于大松动圈极不稳定围岩结构，浅层注浆无法控制深部围岩变形的发展。（2）预应力过小，起不到锁紧围岩的作用，只有当预应力达到一定值后才能控制围岩松动圈的发展；锚杆预应力越大，围岩塑性区越窄，巷道越稳定。（3）底板注浆加固可以提高底板岩层整体强度，缩小与帮、顶围岩强度的差距，使巷道围岩强度呈现均布化，从而集中应力变化梯度减小。（4）在支护措施上，采取浅部注浆与深部注浆相配合形成连续围岩，浅部注浆与高预应力锚杆结合构建浅层承载拱，高预应力锚索控制深部位移，支护实践表明该加固方法是可行的。
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作者简介:
欧阳昶(1960-),男,湖南株洲人,矿长,工程师,从事煤矿生产技术管理工作。
（责任编辑：吴超）