黃陵二號煤礦是年生產(chǎn)能力700萬t的大型現(xiàn)代化礦井，井田為斜井、平硐聯(lián)合開拓，盤區(qū)布置。409綜采工作面位于二號井田四盤區(qū)左翼，工作面走向長度3000m，工作面長度260m。409輔運巷主要滿足于409綜采工作面的運輸、管線鋪設(shè)需要。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)（上預(yù)留300mm至500mm厚的煤層）。
409輔助運輸巷設(shè)計全長2535m，且先后為409、411兩個工作面服務(wù)，服用時間長，對圍巖變形要求高，受長期風(fēng)化、淋水等不利因素的影響大。輔助運輸巷與409綜采工作面之間留設(shè)30m煤柱，但巷道將受到409工作面回采的全過程影響，造成圍巖應(yīng)力的重新分布并形成不均衡應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致巷道全斷面劇烈來壓，底板和煤柱幫的變形尤其嚴(yán)重，使巷道斷面急劇收縮，而在411工作面回采時又將經(jīng)受一次超前采動影響，對巷道支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性要求非常高。為此，總結(jié)掘巷期間巷道表面變形規(guī)律及巷道破壞機理，為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，并及時發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證安全高效掘進(jìn)。
1 巷道地質(zhì)條件
409輔運巷位于+700m水平，巷道總埋深為634.5m。巷道布置在2#煤層中，2#煤黑色、塊狀，以半亮型～半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖，結(jié)構(gòu)：4.9（0.25）0.46。巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，呈薄層狀，斷面較平整，含大量云母片，波狀交錯層理發(fā)育，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，厚13m～16.5m。巷道直接底，薄層狀泥巖，較為松軟，局部含煤的包裹體，厚度1m，粉砂巖泥巖細(xì)粒砂巖9.9m。巷道頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。煤體：普氏系數(shù)f=1，抗壓強度Rc=10MPa，抗拉強度Rt=1.2MPa，抗剪強度τ=2.4MPa。粉砂巖：普氏系數(shù)f=7.3，抗壓強度Rc=73MPa，抗拉強度Rt=8.35MPa，抗剪強度τ=10MPa。泥巖：普氏系數(shù)f=5，抗壓強度Rc=50MPa，抗拉強度Rt=2MPa，抗剪強度τ=4.7MPa。
圖1 巷道頂?shù)装逯鶢顖D
2 巷道變形機理分析
2.1 巷道頂?shù)?strong class="keylink">板巖石分析
2#煤層以半亮型～半暗型煤為主，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖；巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)；底板泥巖塊狀，較為松軟，含大量鋁質(zhì)鱗粒。煤層及底板巖層強度較低且底板泥巖具有膨脹性，是引起巷道變形破壞的主要原因。
2.2 巷道破壞變形分析
在破碎軟巖支護(hù)中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，即任一區(qū)域的破壞變形都會通過應(yīng)力、應(yīng)變傳遞的方式影響其它區(qū)域。
自穩(wěn)隱形拱是地下巷道穩(wěn)定的界面，并以此界面將頂部垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)向巷道兩幫。改變巷道頂角形狀或在頂板適當(dāng)位置加裝預(yù)應(yīng)力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，取得較好的支護(hù)效果，兩幫底角圍巖是巷道受力最大的部位之一，是通過兩幫壁圍巖承受巷道頂板載荷的受力基礎(chǔ)，巷道兩幫同底角圍巖失去橫向支撐而向巷內(nèi)擠入，將直接造成巷道斷面的減少和底板鼓起[1-4]。
隨著底板強度降低，零位移點、零應(yīng)變點均向底板深部發(fā)展，圍巖強度越小，底鼓量越大。底鼓控制需重點加固破碎底板，增大其峰后強度及殘余強度，盡量減小底板自由面積，控制水平應(yīng)力對底鼓的影響[4-5]。
通過以上分析，破碎軟巖巷道的破壞變形具有整體性，底板作為巷道支承的基礎(chǔ)，其破壞變形將影響巷道幫部圍巖的穩(wěn)定性，而幫部圍巖的破壞變形將影響頂板圍巖的穩(wěn)定，造成巷道壓力增大，進(jìn)一步加劇圍巖破壞，造成巷道整體失穩(wěn)。巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應(yīng)重點加強支護(hù)。
409輔助運輸巷布置在2#煤層中，2#煤破碎軟弱，且底板泥巖強度較低，底板及幫部圍巖的破壞變形是巷道破壞變形的主要原因。
2.3 巷道斷面
自穩(wěn)隱形拱理論認(rèn)為[1-3]：達(dá)到塑性破壞后即便是松散的圍巖都具有一定的支承能力，而那些處于受拉應(yīng)力的圍巖被列入預(yù)防和支護(hù)的對象。在巷道兩幫無支護(hù)狀態(tài)下，巷道垮落片幫的極限深度最大值為
3 支護(hù)方案
巷道設(shè)計斷面4.6m×3.8m。頂板支護(hù)：頂板采用6根Φ22mm×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合M型托盤及M5鋼帶壓網(wǎng)支護(hù)，錨桿間距800mm、排距800mm。同時針對頂板進(jìn)行 “3-2-3”布置方式的錨索強化支護(hù)。幫部支護(hù)：采用5根Φ20mm×2500mm左旋螺紋鋼錨桿配合M5鋼帶分段搭接，錨桿間距1000mm、排距1000mm。由自穩(wěn)平衡拱理論驗證：頂、幫補支護(hù)已基本滿足支護(hù)要求。原支護(hù)方案下巷道破壞變形的主要原因：未治好“兩幫腳”。原設(shè)計忽視了“兩幫腳”的支護(hù)，是導(dǎo)致巷道變形的主要原因。
4 巷道變形實測
4.1 測站布置
為了得到破碎軟煤巖巷道的變性特點與規(guī)律，本次在409輔助運輸巷道選取50m典型支護(hù)段4個斷面布置4個觀測站進(jìn)行礦壓觀測，具體包括頂板下沉量及下沉速度、底鼓量及底鼓速度、兩幫移近量及移近速度。截至現(xiàn)場觀測第一天，已施工990m左右，日進(jìn)尺可達(dá)11m。測站布置于掘進(jìn)迎頭。
4.2 巷道變形規(guī)律
4.2.1 巷道兩幫位移規(guī)律
表1 巷道變形值mm
從表1看出， 巷道變形底臌量最大， 兩幫移近量次之，頂板下沉量最小， 其中底臌量占頂?shù)装逡平?5.6%， 由于該礦區(qū)煤系地層中大部分煤層底板附近為砂質(zhì)泥巖，強度較低， 而且節(jié)理較發(fā)育， 極易破碎失去承載能力， 底板破壞向巷道中部移動，帶動兩幫移近，巷道底板與兩幫的失穩(wěn)將最終導(dǎo)致頂板破壞失穩(wěn)。
圖3 表面位移幫部變形量曲線
圖4 表面位移兩幫變形速度曲線
對四組表面位移測站采用多斷面觀測法共觀測21天，兩幫移近量為27.75mm，單幫變形量14mm；兩幫變形速度最大為10mm/d。
通過圖3～4可以看出，兩幫變形速度在巷道掘出9天內(nèi)速度降至1mm/d以下，巷道掘出12天后，巷道兩幫變形速度降至0.25mm/d以下。即可以認(rèn)為在測點附近頂板巖性及現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)情況下，巷道掘出后兩幫變形劇烈期為9天左右，12天后趨于穩(wěn)定，掘巷迎頭應(yīng)力影響范圍為100m左右。
4.2.2 巷道頂?shù)装逦灰埔?guī)律
在觀測期間，頂?shù)装逡平繛?38.5mm，其中頂板下沉量20mm，底鼓量118.5mm，底鼓占85.6%；頂板下沉速度最大為6mm/d，底鼓速度最大為25mm/d。
圖5 表面位移頂?shù)鬃冃瘟壳€
圖6 表面位移頂?shù)鬃冃嗡俣惹€
圖5～6表明，巷道掘出后，測點頂板下沉速度較小，在巷道掘出5天以后，速度降至1mm/d以下，8天后，頂板下沉速度穩(wěn)定在0.25mm/d以下，迎頭應(yīng)力對頂板影響范圍為90m左右；底鼓速度較快，剛開始為25mm/d，15天后，頂板下沉速度降至1mm/d，19天后，底鼓速度降至0.5mm/d，基本趨于穩(wěn)定，迎頭應(yīng)力對底板影響范圍為200m左右。
5 分析與結(jié)論
通過現(xiàn)場實測的結(jié)果可以看出，巷道破壞程度與所處巖性、埋藏深度、支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)關(guān)系很大，其破壞規(guī)律及原因分析如下：
?。?） 掘進(jìn)初期巷道變形量大，變形速度快。原因是由于巷道埋深大，造成地應(yīng)力增大，加上采動影響，使巷道圍巖處于破裂狀態(tài)并造成較大的破裂范圍，從而產(chǎn)生較大的變形量。這與開采深度、巖石力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)方式等有關(guān)。409輔運巷的現(xiàn)場觀測表明，現(xiàn)有支護(hù)條件下，破碎軟巖巷道剛開挖時的變形速度可達(dá)25mm/d以上，5d的變形量就達(dá)到其變形總量的62%～64%，8d后該比例上升到82%～86%。巷道收縮變形主要是由于巷道幫、底破碎軟圍巖破壞變形的結(jié)果。
?。?）在破碎軟巖支護(hù)中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應(yīng)重點加強支護(hù)。
?。?）從實測結(jié)果可以看出，409輔運巷底臌量約占頂?shù)装逡平冃慰偭康?5.6%。這是因為巷道兩幫和頂板進(jìn)行過支護(hù)，阻礙了相應(yīng)部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步調(diào)整，此時底板成為最薄弱的臨空面，于是應(yīng)力釋放和巖體擴容變形向底板轉(zhuǎn)移，而底板泥巖強度有較為軟弱，導(dǎo)致底板變形嚴(yán)重。巷道底臌增加了巷道礦壓控制難度，使支護(hù)復(fù)雜化。所以應(yīng)采用合理的支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)防治底臌。
409輔助運輸巷設(shè)計全長2535m，且先后為409、411兩個工作面服務(wù)，服用時間長，對圍巖變形要求高，受長期風(fēng)化、淋水等不利因素的影響大。輔助運輸巷與409綜采工作面之間留設(shè)30m煤柱，但巷道將受到409工作面回采的全過程影響，造成圍巖應(yīng)力的重新分布并形成不均衡應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致巷道全斷面劇烈來壓，底板和煤柱幫的變形尤其嚴(yán)重，使巷道斷面急劇收縮，而在411工作面回采時又將經(jīng)受一次超前采動影響，對巷道支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性要求非常高。為此，總結(jié)掘巷期間巷道表面變形規(guī)律及巷道破壞機理，為支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，并及時發(fā)現(xiàn)工程隱患，以保證安全高效掘進(jìn)。
1 巷道地質(zhì)條件
409輔運巷位于+700m水平，巷道總埋深為634.5m。巷道布置在2#煤層中，2#煤黑色、塊狀，以半亮型～半暗型煤為主，夾有薄層暗煤，條痕褐黑色，瀝青狀光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖，結(jié)構(gòu)：4.9（0.25）0.46。巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，呈薄層狀，斷面較平整，含大量云母片，波狀交錯層理發(fā)育，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，厚13m～16.5m。巷道直接底，薄層狀泥巖，較為松軟，局部含煤的包裹體，厚度1m，粉砂巖泥巖細(xì)粒砂巖9.9m。巷道頂?shù)装逯鶢顖D見圖1。煤體：普氏系數(shù)f=1，抗壓強度Rc=10MPa，抗拉強度Rt=1.2MPa，抗剪強度τ=2.4MPa。粉砂巖：普氏系數(shù)f=7.3，抗壓強度Rc=73MPa，抗拉強度Rt=8.35MPa，抗剪強度τ=10MPa。泥巖：普氏系數(shù)f=5，抗壓強度Rc=50MPa，抗拉強度Rt=2MPa，抗剪強度τ=4.7MPa。
圖1 巷道頂?shù)装逯鶢顖D
2 巷道變形機理分析
2.1 巷道頂?shù)?strong class="keylink">板巖石分析
2#煤層以半亮型～半暗型煤為主，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，內(nèi)生裂隙，較為發(fā)育，部分被方解石充填，夾矸為泥巖；巷道頂板圍巖主要以淺灰色粉砂巖為主，巖芯完整，較致密，局部夾泥質(zhì)成分，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)；底板泥巖塊狀，較為松軟，含大量鋁質(zhì)鱗粒。煤層及底板巖層強度較低且底板泥巖具有膨脹性，是引起巷道變形破壞的主要原因。
2.2 巷道破壞變形分析
在破碎軟巖支護(hù)中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，即任一區(qū)域的破壞變形都會通過應(yīng)力、應(yīng)變傳遞的方式影響其它區(qū)域。
自穩(wěn)隱形拱是地下巷道穩(wěn)定的界面，并以此界面將頂部垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)向巷道兩幫。改變巷道頂角形狀或在頂板適當(dāng)位置加裝預(yù)應(yīng)力錨桿可以降低自穩(wěn)隱形拱的高度，取得較好的支護(hù)效果，兩幫底角圍巖是巷道受力最大的部位之一，是通過兩幫壁圍巖承受巷道頂板載荷的受力基礎(chǔ)，巷道兩幫同底角圍巖失去橫向支撐而向巷內(nèi)擠入，將直接造成巷道斷面的減少和底板鼓起[1-4]。
隨著底板強度降低，零位移點、零應(yīng)變點均向底板深部發(fā)展，圍巖強度越小，底鼓量越大。底鼓控制需重點加固破碎底板，增大其峰后強度及殘余強度，盡量減小底板自由面積，控制水平應(yīng)力對底鼓的影響[4-5]。
通過以上分析，破碎軟巖巷道的破壞變形具有整體性，底板作為巷道支承的基礎(chǔ)，其破壞變形將影響巷道幫部圍巖的穩(wěn)定性，而幫部圍巖的破壞變形將影響頂板圍巖的穩(wěn)定，造成巷道壓力增大，進(jìn)一步加劇圍巖破壞，造成巷道整體失穩(wěn)。巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應(yīng)重點加強支護(hù)。
409輔助運輸巷布置在2#煤層中，2#煤破碎軟弱，且底板泥巖強度較低，底板及幫部圍巖的破壞變形是巷道破壞變形的主要原因。
2.3 巷道斷面
自穩(wěn)隱形拱理論認(rèn)為[1-3]：達(dá)到塑性破壞后即便是松散的圍巖都具有一定的支承能力，而那些處于受拉應(yīng)力的圍巖被列入預(yù)防和支護(hù)的對象。在巷道兩幫無支護(hù)狀態(tài)下，巷道垮落片幫的極限深度最大值為
3 支護(hù)方案
巷道設(shè)計斷面4.6m×3.8m。頂板支護(hù)：頂板采用6根Φ22mm×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合M型托盤及M5鋼帶壓網(wǎng)支護(hù)，錨桿間距800mm、排距800mm。同時針對頂板進(jìn)行 “3-2-3”布置方式的錨索強化支護(hù)。幫部支護(hù)：采用5根Φ20mm×2500mm左旋螺紋鋼錨桿配合M5鋼帶分段搭接，錨桿間距1000mm、排距1000mm。由自穩(wěn)平衡拱理論驗證：頂、幫補支護(hù)已基本滿足支護(hù)要求。原支護(hù)方案下巷道破壞變形的主要原因：未治好“兩幫腳”。原設(shè)計忽視了“兩幫腳”的支護(hù)，是導(dǎo)致巷道變形的主要原因。
4 巷道變形實測
4.1 測站布置
為了得到破碎軟煤巖巷道的變性特點與規(guī)律，本次在409輔助運輸巷道選取50m典型支護(hù)段4個斷面布置4個觀測站進(jìn)行礦壓觀測，具體包括頂板下沉量及下沉速度、底鼓量及底鼓速度、兩幫移近量及移近速度。截至現(xiàn)場觀測第一天，已施工990m左右，日進(jìn)尺可達(dá)11m。測站布置于掘進(jìn)迎頭。
4.2 巷道變形規(guī)律
4.2.1 巷道兩幫位移規(guī)律
表1 巷道變形值mm
從表1看出， 巷道變形底臌量最大， 兩幫移近量次之，頂板下沉量最小， 其中底臌量占頂?shù)装逡平?5.6%， 由于該礦區(qū)煤系地層中大部分煤層底板附近為砂質(zhì)泥巖，強度較低， 而且節(jié)理較發(fā)育， 極易破碎失去承載能力， 底板破壞向巷道中部移動，帶動兩幫移近，巷道底板與兩幫的失穩(wěn)將最終導(dǎo)致頂板破壞失穩(wěn)。
圖3 表面位移幫部變形量曲線
圖4 表面位移兩幫變形速度曲線
對四組表面位移測站采用多斷面觀測法共觀測21天，兩幫移近量為27.75mm，單幫變形量14mm；兩幫變形速度最大為10mm/d。
通過圖3～4可以看出，兩幫變形速度在巷道掘出9天內(nèi)速度降至1mm/d以下，巷道掘出12天后，巷道兩幫變形速度降至0.25mm/d以下。即可以認(rèn)為在測點附近頂板巖性及現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)情況下，巷道掘出后兩幫變形劇烈期為9天左右，12天后趨于穩(wěn)定，掘巷迎頭應(yīng)力影響范圍為100m左右。
4.2.2 巷道頂?shù)装逦灰埔?guī)律
在觀測期間，頂?shù)装逡平繛?38.5mm，其中頂板下沉量20mm，底鼓量118.5mm，底鼓占85.6%；頂板下沉速度最大為6mm/d，底鼓速度最大為25mm/d。
圖5 表面位移頂?shù)鬃冃瘟壳€
圖6 表面位移頂?shù)鬃冃嗡俣惹€
圖5～6表明，巷道掘出后，測點頂板下沉速度較小，在巷道掘出5天以后，速度降至1mm/d以下，8天后，頂板下沉速度穩(wěn)定在0.25mm/d以下，迎頭應(yīng)力對頂板影響范圍為90m左右；底鼓速度較快，剛開始為25mm/d，15天后，頂板下沉速度降至1mm/d，19天后，底鼓速度降至0.5mm/d，基本趨于穩(wěn)定，迎頭應(yīng)力對底板影響范圍為200m左右。
5 分析與結(jié)論
通過現(xiàn)場實測的結(jié)果可以看出，巷道破壞程度與所處巖性、埋藏深度、支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)關(guān)系很大，其破壞規(guī)律及原因分析如下：
?。?） 掘進(jìn)初期巷道變形量大，變形速度快。原因是由于巷道埋深大，造成地應(yīng)力增大，加上采動影響，使巷道圍巖處于破裂狀態(tài)并造成較大的破裂范圍，從而產(chǎn)生較大的變形量。這與開采深度、巖石力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)方式等有關(guān)。409輔運巷的現(xiàn)場觀測表明，現(xiàn)有支護(hù)條件下，破碎軟巖巷道剛開挖時的變形速度可達(dá)25mm/d以上，5d的變形量就達(dá)到其變形總量的62%～64%，8d后該比例上升到82%～86%。巷道收縮變形主要是由于巷道幫、底破碎軟圍巖破壞變形的結(jié)果。
?。?）在破碎軟巖支護(hù)中，巷道頂板—巷幫—底板圍巖作為有機統(tǒng)一的平衡體系，其破壞其破壞變形相互影響，巷道兩幫頂、底角及巷道圍巖體系中的軟弱部位應(yīng)重點加強支護(hù)。
?。?）從實測結(jié)果可以看出，409輔運巷底臌量約占頂?shù)装逡平冃慰偭康?5.6%。這是因為巷道兩幫和頂板進(jìn)行過支護(hù)，阻礙了相應(yīng)部位圍巖的繼續(xù)變形和圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步調(diào)整，此時底板成為最薄弱的臨空面，于是應(yīng)力釋放和巖體擴容變形向底板轉(zhuǎn)移，而底板泥巖強度有較為軟弱，導(dǎo)致底板變形嚴(yán)重。巷道底臌增加了巷道礦壓控制難度，使支護(hù)復(fù)雜化。所以應(yīng)采用合理的支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)防治底臌。
