0 引 言
淮南矿区是我国高瓦斯矿井的典型代表，具有煤层埋深大、瓦斯含量高、极松软、透气性低、瓦斯压力大等显著特点[1-3]。近年来，随着淮南矿区瓦斯治理技术的不断创新和发展，逐渐形成了复杂地质条件下煤与瓦斯共采技术体系[4-6]，其中原始煤层强化抽采瓦斯技术是煤与瓦斯共采技术体系的重要组成部分，即在突出煤层底板或顶板施工一条岩巷，在该巷道内施工系列向上或向下的穿层钻孔，与工作面回风巷和运输巷顺层钻孔形成钻孔交叉网格，达到降低煤层瓦斯含量，消除突出危险性的目的[7-9]。肖俊峰等[10]在相似模拟试验的基础上提出“一面三巷、一巷多用、联合治理、连续开采”瓦斯治理新模式，实现了煤与瓦斯安全高效共采，文献[11-13]应用高抽巷、低抽巷“一面四巷”技术显著提高了瓦斯抽采效率，陈功胜等[14]基于深井煤层群强突煤层的特点提出了“一面五巷、沿空留巷、Y 型通风、地面钻井”的瓦斯治理模式，形成了井上、井下立体抽采格局，实现了煤与瓦斯共采，文献[15-16]采用本煤层巷道及邻近巷道实施“一面六巷”瓦斯抽采技术，提高了瓦斯抽采效率。上述研究丰富和发展了煤与瓦斯共采技术体系，提高了瓦斯抽采效果，但大量的岩巷施工显著增加了矿井掘进工程费用，同时抽采巷道受强烈采动影响，围岩破坏严重，巷道维护极为困难，成为制约原始煤层强化抽采瓦斯技术发展的瓶颈。
在此背景下，一巷多用成为实现保护层和被保护层瓦斯联合治理和降低治理成本，提高治理质量和速度的有效途径。然而一巷多用条件下的瓦斯综合治理巷道不可避免的要经受2～3个工作面重复采动影响。在深部高应力与多重采动应力协同作用下，巷道矿压显将极为剧烈，顶板岩层完整性也将遭到严重破坏，很容易导致锚杆、锚索等支护体失效，威胁巷道安全。因此，采用何种技术实现多重采动影响条件下的巷道围岩稳定，真正达到一巷多用的目的是亟待解决的难题之一。笔者以淮南矿区潘三矿17181(1)瓦斯综合治理巷为工程背景，基于巷道围岩地质力学评估，提出并应用深部一巷多用多次采动影响下围岩重构、锚索内锚力增效等系列关键技术，保证了巷道的长期稳定，为原始煤层强化抽采瓦斯技术的成功实施创造了有利条件。
1 工程概况
潘三矿为高瓦斯突出矿井，主采的11-2、13-1煤均为突出煤层，11-2煤层埋深740～800 m，两煤层间距约72 m。为实现11-2煤17181(1)工作面和13-1煤17111(3)工作面的瓦斯联合治理，并充分考虑后期待采的17191(1)工作面的瓦斯抽采，研究并实施“一面三巷、一巷多用、联合治理、连续开采”的瓦斯治理模式，利用1条瓦斯综合治理巷道实现3个工作面的瓦斯抽采和消突。
17181(1)瓦斯综合治理巷道的用途包括：①斜下方17181(1)工作面的瓦斯治理。在瓦斯综合治理巷道内施工近水平钻孔，钻孔进入17181(1)回采工作面裂隙带，用于17181(1)采空区瓦斯抽采。②斜上方被保护层17111(3)工作面卸压抽采瓦斯。取消13-1煤高抽巷，在瓦斯综合治理巷内向17111(3)工作面施工穿层钻孔，最大化抽采被保护层瓦斯。③施工俯斜钻孔，抽排下伏11-2煤17191(1)工作面煤层瓦斯及抽排17191(1)工作面采空区及其顶板裂隙带内析出的泄压瓦斯。
根据理论分析、数值模拟、相似模拟等手段综合确定了瓦斯综合治理巷道的层位[17]：垂直方向距11-2煤30 m，水平方向距17181(1)工作面运输巷32 m，巷道与各煤层相互位置关系如图1所示。
图1 巷道与各煤层相互位置关系
Fig.1 Relationship between roadway and coal seams
2 巷道地质力学评估
2.1 地应力特征分析
根据17181(1)瓦斯综合治理巷道附近3个地应力测点测量结果(表1)，巷道周边地应力场特征如下：①地应力场中σ1为最大水平主应力，优势方向为近南北向，平均为25.76 MPa，方位角平均为351.1°；②地应力场中σ3为最小水平主应力，优势方向为近东西向，量值平均为15.65 MPa，方位角平均为82.0°，与σ1在方位上呈正交关系；③地应力场中间主应力σ2的倾角较大，接近于垂直方向，且量值与实测垂直应力σv接近。
表1 巷道地应力特征实测统计
Table 1 Measurement and statistics of in-situ
stress characteristics in roadway
测点σ1/MPaσ3/MPaσv/MPa1号25.7616.3817.222号24.9515.3713.653号26.5715.2116.61
地应力特征实测结果表明，巷道周边地应力场中水平主应力占主导，σ1明显大于垂直应力σv，侧压系数为1.56～1.75，说明水平应力比垂直应力对巷道稳定性的影响要大，且σ1方位与巷道轴向夹角为34°～73°，平均夹角为55.3°，对17181(1)瓦斯综合治理巷围岩稳定性影响较大。
2.2 巷道围岩力学性质测试
为研究17181(1)瓦斯综合治理巷道围岩物理力学性质对巷道稳定性的影响，现场取岩心并在实验室进行了岩石物理力学性质测试，选取代表性的岩石样本4组，分别为砂质泥岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粉砂岩。物理力学性能测试结果如图2所示。
图2 中粒砂岩力学性质测试
Fig.2 Mechanical properties of middle sandstone
巷道物理力学性能测试结果表明，试样的破坏形式为单斜面剪切破坏，破坏类型为压-剪破坏，砂质泥岩夹泥质体，遇水易离层、膨胀，给巷道稳定性和支护可靠性带来不利影响。各类型围岩力学性质统计结果见表2。
表2 围岩力学性质测试结果
Table 2 Test results of mechanical properties in
surrounding rock
岩性抗压强度/MPa弹性模量/GPa抗拉强度/MPa泊松比砂质泥岩9.921.83.50.34细粒砂岩24.226.05.70.18中粒砂岩25.837.98.90.19粉砂岩18.717.34.70.24
2.3 顶板岩层裂隙发育钻孔窥视
在巷道掘进期间，采用高清工业内窥镜对顶板裂隙发育情况进行了探测分析，探测结果表明钻孔深入岩层0～8 m均有明显裂隙存在，裂隙极为发育(图3)。根据探测分析结果并结合取心统计，巷道顶板虽然以中细粒砂岩、粗砂岩为主，岩体强度较高，但岩体内高角度(70°～80°)裂隙发育，岩体完整性差。在多重采动影响下，巷道顶板变形破坏将较为严重，导致锚杆锚索支护结构尤其是内锚可靠性严重降低，支护设计时应考虑顶板围岩结构重构，同时解决支护结构内锚可靠性问题。
图3 巷道顶板完整性探查结果
Fig.3 Detection results of roof integrity on roadway
3 巷道围岩重构及大变形控制技术
3.1 巷道支护技术条件分析
受多次采动剧烈影响巷道的围岩控制，是巷道支护的重大技术难题。本巷道围岩控制较一般动压巷道相比，具有以下特点：①巷道要分别经受下伏及上覆煤层2个采煤工作面的采前、采中及采后强烈的采动压力影响；②巷道位于11-2煤层17191(1)工作面采动后覆岩的断裂带内(尽管此时已不需要人员进入作业，但瓦斯抽排系统仍在工作)；③巷道内要施工一系列钻场，形成了大量的大断面交叉点峒室，控制难度大；④巷道顶板为厚层状砂岩，锚杆、锚索钻孔施工难度大，同时砂岩内裂隙较发育，采动影响后易变得破碎，维护难度大；⑤巷道埋深近800 m，属于深井高地压巷道。
3.2 顶板围岩重构技术
试验巷道顶板为厚10～15 m坚硬砂岩，锚索施工难度大，不利于后期锚索补强支护，同时该砂岩层原生裂隙极为发育，在经历斜下方17181(1)工作面剧烈采动影响后极有可能变得松散破碎，巷道保留难度大[18]，给后期斜上方17111(3)工作面的瓦斯抽采施工带来极大困难。
为解决受采动影响后巷道围岩破碎与锚索补强支护困难之间的矛盾，研发了孔壁注浆锚索(图4)。巷道掘进期间，使用常规锚索支护顶板，仅在锚索张拉预紧前安装注浆垫板，为后期注浆重构围岩创造条件。在经受采动影响后，利用注浆垫板对锚索进行注浆，一方面将已经破坏的围岩通过注浆重新胶结在一起，恢复顶板的完整结构，提高围岩自稳能力，另一方面通过注浆将已发生内锚松脱的锚杆、锚索恢复锚固性能，实现内锚破坏后的再锚固及全长锚固，提高锚索锚固的可靠性。
图4 孔壁注浆锚索结构
Fig.4 Structure of hole wall grouting anchor cable
3.3 锚索内锚增效技术
针对常规锚索由于索体光滑，不能将树脂锚固剂2种组分充分搅拌均匀，从而严重影响锚索锚固效果等问题[19-20]，研究了锚索内锚增效技术(叶片式搅拌锚索)，如图5所示。叶片式搅拌锚索由普通锚索与固定其上的搅拌叶片构成，钢绞线旋转推进时，通过叶片的刺入和旋转刺破并切碎锚固剂聚乙烯膜包装袋，使锚固剂各组分得以完全和充分搅拌、混合，进而提高锚索锚固质量。现场实施结果表明，锚索载荷平均能够达到400 kN，显著提高了锚索内锚强度和可靠性。
图5 叶片式搅拌锚索结构
Fig.5 Vane type anchor cable structure
3.4 锚索高强组合箱型梁支护技术
目前常用的槽钢梁、T3钢带等锚索组合构件强度与刚度偏低。对于深部复杂应力巷道，组合构件通常在远未达到锚索额定支护力的情况下就会发生屈服或破坏，锚索组合支护作用大幅降低，同时导致围岩压力向组合构件破坏后的无支护空间卸载，进一步降低锚索支护效率，最终导致支护失效。针对上述问题，研制了锚索高强组合箱型梁(图6)，采用矿用7号π型钢与钢板焊接而成。经理论计算[21]，其承载能力较T3钢带提高14倍以上，较14号槽钢提高8倍以上，支护强度及刚度得到显著提升。
图6 锚索高强组合箱型梁设计
Fig.6 Design of high strength composite box
type beam of anchor cable
4 工程应用及效果分析
4.1 巷道支护设计方案
1)巷道掘进层位及断面。巷道顶板紧跟砂岩层掘进，砂岩层厚10～15 m。巷道距11-2煤层30 m左右，距13-1煤层35 m左右，水平方向距17181(1)工作面运输巷32 m。断面设计为圆角斜梯形。巷道掘进宽度5 m，掘进高度3.5 m，掘进断面积17.5 m2。巷道顶板上、下肩窝处设计为圆弧形过渡，圆弧与顶板岩层及两帮均呈相切连接，圆弧半径500 mm。
2)巷道支护方案(图7)。①巷道顶板采用锚杆配合T型钢带、钢筋笆片支护，提高巷道顶板支护刚度。锚杆间排距900 mm×900 mm，锚杆规格为ø22 mm×2 500 mm，预紧转矩180 N·m；钢筋笆片采用ø6 mm钢筋焊接制作。网孔径不大于40 mm；T型钢带：宽180 mm，厚10 mm，长4 200 mm。②组合锚索支护。组合锚索由高强组合箱形梁与锚索组成，1梁3索。组合锚索沿巷道纵向布置，每棚3排，锚索间排距800 mm×1 400 mm，箱形梁长2 400 mm。锚索规格：ø22 mm×7 500 mm，采用3支Z2560锚固剂锚固。
图7 巷道支护设计方案
Fig.7 Support design of roadway
孔壁注浆锚索采用树脂锚固剂与水泥浆混合锚固，即钢绞线里段采用常规树脂锚固剂锚固，锚索安装时同时安设研制的锚索注浆垫板，形成孔壁注浆锚索。当巷道经受动压影响后发生较严重的变形破坏后，对锚索进行孔壁注浆，锚索形成全长锚固同时对围岩注浆，重构围岩，注浆材料选用水泥浆。锚索孔深7 200 mm，孔径32 mm，锚索安装预紧力不小于180 kN。
3)巷帮采用锚杆配合T型钢带和钢筋网进行锚梁网支护，锚杆间排距800 mm×900 mm，规格同顶板锚杆。
4)喷射砂浆支护。锚杆锚索施工完成后喷射砂浆封闭巷道围岩及钢筋网。砂浆标号不低于C30，喷层厚度50 mm～80 mm。
5)巷帮组合锚索支护，组合锚索水平布置，由18号槽钢梁(长3 100 mm)与锚索组成，1梁4索。锚索规格ø22 mm×5 300 mm，排距1 200 mm×1 000 mm，两帮各布置2排，预紧力不小于160 kN。
4.2 应用效果分析
1)17181(1)瓦斯综合治理巷道掘巷期间，巷道两帮变形量50～90 mm，顶底板移近量在110～130 mm，巷道自稳所需时间短，10～15 d后围岩变形趋于稳定。掘进期间未出现喷浆层开裂、冒落现象，围岩控制效果良好。
2)17181(1)在工作面回采期间，两帮变形量840 mm左右，顶底板移近量690 mm左右，顶板局部破坏较为严重，采动影响极为剧烈。超前工作面20 m至滞后工作面30 m内瓦斯综合治理巷道开始受到采动影响，此后巷道围岩变形速度急剧增大，滞后工作面200～240 mm后巷道围岩变形趋于相对稳定，围岩变形速度小于3 mm/d，围岩变形如图8所示。
滞后工作面240 m以后，对前期施工的孔壁注浆锚索(配合中空注浆锚索)进行了注浆施工，①将已经发生破碎的顶板进行注浆重构，恢复其自稳能力；②将已失效的锚杆锚索的内锚结构重新恢复其锚固性能；③在树脂锚固段外端至孔口的自由段，采用水泥浆锚固，形成全长锚固锚索。巷道经局部刷扩、修护及注浆围岩重构后，断面满足了17111(3)工作面的瓦斯抽采使用要求，钻孔窥视如图9所示。
图8 工作面回采期间围岩变形监测
Fig.8 Monitoring of surrounding rock deformation during mining
图9 注浆后钻孔窥视
Fig.9 Drilling and peeping after grouting
3)17111(3)工作面开采期间，瓦斯综合治理巷顶底板最大变形量550 mm，两帮最大变形量160 mm。该工作面对瓦斯综合治理巷超前及滞后影响范围均为150～200 m。巷道在经受该工作面采动后局部再次进行了补强支护和扩刷，为后期17191(1)工作面的瓦斯抽排创造了良好条件。
5 结 论
1)基于地应力测试、围岩力学性质测试及钻孔窥视等地质力学评估，提出了一巷多用条件下的围岩重构及大变形控制关键技术。
2)研究并应用了锚索内锚增效技术——叶片式搅拌锚索，提高了锚索内锚强度和可靠性。
3)应用孔壁注浆锚索技术实现了巷道顶板受采动破坏后围岩重构及锚索的二次、全长锚固，提高了巷道顶板稳定性。
4)研制并成功应用了锚索高强组合箱型梁，显著提高了组合梁的强度和刚度，避免了应力卸载，充分发挥了锚索支护的高强支护作用。
5)将巷道围岩重构及大变形控制关键技术应用于工程实践，结果表明巷道经受住了多次采动影响，成功实施了“一面三巷、一巷多用、联合治理、连续开采”的远距离上、下煤层联合瓦斯治理。通过本项目的实施，节约了2条岩巷的掘进工程，整体节约工程成本1 300余万元，技术经济效益显著。
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