張晨曦 臧傳偉 張 強(qiáng) 周立超 謝 帥 席俊輝

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

留頂煤大斷面巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及支護(hù)對策研究

張晨曦 臧傳偉 張 強(qiáng) 周立超 謝 帥 席俊輝

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院,山東省青島市,266590)

針對余吾煤業(yè)S1203留頂煤沿底掘進(jìn)大斷面巷道圍巖控制困難的問題,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對巷道圍巖塑性區(qū)和主應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析,得到了留頂煤大斷面巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上提出了留頂煤大斷面巷道支護(hù)原則,根據(jù)該原則,決定采用機(jī)載高阻力臨時(shí)支護(hù)和高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)對策,并應(yīng)用于工程實(shí)踐。數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測均表明,該方案支護(hù)效果良好,可有效保持巷道穩(wěn)定。

留頂煤 大斷面巷道 失穩(wěn)機(jī)理 數(shù)值模擬 支護(hù)對策

余吾煤業(yè)S1203沿底掘進(jìn)留頂煤大斷面巷道開挖后早期難以控制,頂煤及淺部巖層所組成的復(fù)合頂板極易發(fā)生離層,使圍巖承載能力大大降低,支護(hù)-圍巖關(guān)系惡化,嚴(yán)重影響巷道圍巖穩(wěn)定性?，F(xiàn)場工程實(shí)踐表明,松軟頂煤易發(fā)生冒頂,兩幫易片幫。如不采用及時(shí)有效的支護(hù)方式,巷道圍巖很容易失穩(wěn)。因此,需要從分析留頂煤大斷面巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理入手,提出合理有效的巷道支護(hù)對策,提高成巷質(zhì)量和速度,為同類地質(zhì)和開采條件下巷道支護(hù)提供依據(jù)。

1 工程概況

S1203運(yùn)輸巷平均埋深450 m,所屬3#煤層平均厚度6.65 m,煤質(zhì)松軟,普氏系數(shù)f＝0.7～1.3。巷道沿煤層底板掘進(jìn),留頂煤。斷面為矩形,寬5.2 m,高3.8 m,斷面面積為19.76 m2,屬于典型的留頂煤大斷面巷道?，F(xiàn)場采用掘錨一體機(jī)掘進(jìn)巷道。工作面頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性特征

2 留頂煤大斷面巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理分析

以S1203運(yùn)輸巷為模擬對象,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對留頂煤大斷面巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)進(jìn)行分析,從而得到其圍巖失穩(wěn)機(jī)理。

根據(jù)S1203運(yùn)輸巷的地質(zhì)條件建立數(shù)值模型。模型尺寸為50 m×30 m×40.5 m(長×寬×高),模型共122340個(gè)單元,130882個(gè)節(jié)點(diǎn)。固定模型底部,四周固定水平運(yùn)動,上部邊界按巖層自重施加均布載荷。計(jì)算采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

對巷道塑性區(qū)、最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖1所示,分析得到留頂煤大斷面巷道的圍巖失穩(wěn)機(jī)理。

圖1 留頂煤大斷面巷道圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力分布

(1)頂板易發(fā)生離層和彎曲破壞。從圖1(a)中可以看到,頂板在較大范圍內(nèi)都發(fā)生了剪切破壞,這種剪切破壞會導(dǎo)致頂煤和淺部巖層組成的復(fù)合頂板發(fā)生離層和彎曲。由于留頂煤大斷面巷道頂煤和直接頂板之間較小的粘結(jié)力,使得頂板容易離層。而頂板跨度與頂板的離層有關(guān),頂板會在較大的自重應(yīng)力下彎曲下沉。進(jìn)行支護(hù)時(shí),支護(hù)體會約束各分層的變形和移動,使得頂板向約束端彎曲和擠出,此時(shí)碎脹變形應(yīng)力較大,在其作用下,強(qiáng)度低的分層會首先發(fā)生拉斷破壞,從而失去對其上分層的有效支撐。

(2)頂板易發(fā)生拉斷破壞。由于留頂煤大斷面巷道兩幫和頂板都是強(qiáng)度較低的煤層,加之較大的巷道跨度,頂板中部一般會出現(xiàn)水平拉應(yīng)力。在煤層抗拉強(qiáng)度小于拉應(yīng)力的條件下,巷道頂板將發(fā)生拉斷破壞。從圖1(b)中可以看到,頂板在淺部一定范圍內(nèi)發(fā)生了拉斷破壞,其最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂板中部,為0.1139 MPa。頂板的拉斷破壞與離層破壞同時(shí)存在,相互影響。拉斷破壞將會使頂板的彎曲下沉量增大,導(dǎo)致頂板離層破壞的加劇。

(3)巷道頂角處壓剪破壞易引起頂板整體切落。由于大斷面煤巷頂板巖層強(qiáng)度較低,加之巷道跨度大,造成巷道頂?shù)捉翘帀簯?yīng)力增大,巷道開挖后,在應(yīng)力重新分布過程中,容易在巷道四角處首先發(fā)生剪切破壞。從圖1(a)中可以看到,巷道頂角處發(fā)生明顯的剪切破壞,并且具有較大的壓應(yīng)力。如果頂板巖層出現(xiàn)離層或存在一層理面,頂角處發(fā)生的剪切破壞會向上發(fā)育并與之相交,從而造成離層面或?qū)永砻嫦路降捻敯宄霈F(xiàn)整體切落。另外,從圖1(b)中也可以看到兩幫也形成了較大的應(yīng)力集中。頂板切落前,巷道兩幫煤體承擔(dān)上覆頂板載荷增加,在此載荷作用下,兩幫煤體出現(xiàn)應(yīng)力集中,首先在兩幫中部發(fā)生破壞引起片幫,片幫會進(jìn)一步增大巷道的跨度,對大斷面煤巷的穩(wěn)定極為不利。

3 支護(hù)對策研究及效果分析

3.1 留頂煤大斷面巷道支護(hù)原則

巷道支護(hù)應(yīng)根據(jù)特定的地質(zhì)和開采條件,結(jié)合圍巖失穩(wěn)機(jī)理,選擇支護(hù)方式及確定支護(hù)參數(shù)。因此,在S1203留頂煤大斷面巷道的條件下,提出以下支護(hù)原則：

(1)及時(shí)支護(hù)原則。S1203運(yùn)輸巷煤質(zhì)松軟,巷道開挖初期頂板較為破碎,頂板易離層和彎曲。因此,需要及時(shí)有效地對其進(jìn)行支護(hù)。實(shí)踐表明,在巷道開挖后盡快進(jìn)行支護(hù),如果在已經(jīng)離層破壞的圍巖中進(jìn)行支護(hù),效果將得不到有力的保證。

(2)一次支護(hù)原則。煤巷支護(hù)應(yīng)盡量一次完成,避免二次支護(hù)及巷道維修。S1203運(yùn)輸巷屬于回采巷道,應(yīng)在使用期限內(nèi)保持穩(wěn)定,以實(shí)現(xiàn)采煤工作面的快速推進(jìn)。

(3)高預(yù)緊力和預(yù)緊力擴(kuò)散原則。S1203運(yùn)輸巷巷道斷面大,控制困難。而預(yù)緊力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素,較高的預(yù)緊力可以使錨桿支護(hù)系統(tǒng)充分發(fā)揮作用?？梢圆扇〈胧┰龃箦^桿的預(yù)應(yīng)力,另外,使用托板、鋼帶等構(gòu)件將預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散,預(yù)緊力的作用范圍可以擴(kuò)大,從而提高錨固體的整體剛度和完整性。

(4)三高一低原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度,保證支護(hù)系統(tǒng)的可靠性,在此基礎(chǔ)上,降低支護(hù)密度,提高掘進(jìn)速度和成巷效率。

(5)相互匹配原則。托板、螺母等參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配,以最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的整體支護(hù)作用。

3.2 支護(hù)對策

由模擬結(jié)果及分析可知,控制頂板早期離層、中部頂?shù)装宓睦瓟嗥茐囊约绊斀呛蛢蓭偷膲杭羝茐氖强刂屏繇斆捍髷嗝嫦锏婪€(wěn)定性的關(guān)鍵所在。一旦這些部位出現(xiàn)破壞,巷道極易失穩(wěn)。根據(jù)上述支護(hù)原則,提出采用高阻力臨時(shí)支護(hù)和高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)的對策。高阻力臨時(shí)支護(hù)能夠及時(shí)支護(hù)頂板,給予圍巖表面提供一定支護(hù)強(qiáng)度,可有效防止掘進(jìn)工作面發(fā)生松脫型垮冒,并且可以減小頂板的早期變形,控制由于頂板彎曲下沉導(dǎo)致的離層,使永久支護(hù)后的錨桿和圍巖同步承載。而高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)可以增大巷道表面圍壓,改善和提高圍巖的受力狀態(tài)和承載能力,使錨桿、錨索和破碎區(qū)圍巖形成共同承載結(jié)構(gòu),大大減小圍巖的變形,使巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道支護(hù)示意圖如圖2所示。有關(guān)支護(hù)參數(shù)見圖2。

圖2 S1203運(yùn)輸巷支護(hù)示意圖

(1)高阻力臨時(shí)支護(hù)。S1203運(yùn)輸巷使用的12CM30掘進(jìn)機(jī)具有前配套臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng),該臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)采用4個(gè)液壓缸體支撐,工作壓力7 MPa,每根臨時(shí)撐柱可承載力300 kN,臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)可提供對頂板600 kN的承載力,安全可靠。

(2)頂板支護(hù)。頂板支護(hù)選用4根?22 mm× 2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,樹脂加長錨固,錨固長度1200 mm,間排距1400 mm×900 mm,采用強(qiáng)力錨桿扭矩螺母,配合高強(qiáng)度托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈及高強(qiáng)度拱型托板,鋼材屈服強(qiáng)度不低于235 MPa,托板承載能力不低于300 kN。每根錨桿采用W鋼護(hù)板加固,W鋼護(hù)板規(guī)格為280mm×5 mm×450 mm。同時(shí)采用鋼筋托梁將每排的4根錨桿連成一個(gè)整體。鋼筋托梁采用4根?16 mm鋼筋焊接而成,規(guī)格為220 mm×4900 mm,金屬網(wǎng)網(wǎng)片規(guī)格5600 mm×1200 mm,網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm。為了實(shí)現(xiàn)高預(yù)緊力,錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400 Nm。錨索選用?22 mm×5300 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,每排打投3根,距巷幫1200 mm,間排距1400 mm×900 mm,垂直頂板巖面。配套高強(qiáng)度蝶形托板及高強(qiáng)度可調(diào)心球墊、鎖具,托板承載能力不低于550 kN。錨索預(yù)緊力250 kN,初始張拉至300 kN,真正實(shí)現(xiàn)了高預(yù)緊力支護(hù)。

(3)巷幫支護(hù)。錨桿及配件規(guī)格同頂板支護(hù),間排距1000 mm×900 mm,每幫4根。

(4)防靜電網(wǎng)支護(hù)。巷道在掘進(jìn)過程中,每間隔50 m,頂、幫使用一排塑料網(wǎng)進(jìn)行支護(hù),頂板雙層塑料網(wǎng)片規(guī)格為5600 mm×1000 mm,兩幫雙層塑料網(wǎng)規(guī)格為3800 mm×1000 mm。

3.3 支護(hù)效果分析

繼續(xù)采用FLAC3D軟件對巷道開挖未支護(hù)時(shí)和支護(hù)后的情況分別進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 支護(hù)前后垂直位移圖

圖4 支護(hù)前后水平位移圖

圖5 支護(hù)后塑性區(qū)分布

從圖3中可以看到,巷道開挖未支護(hù)時(shí),頂板最大下沉量為92 mm,進(jìn)行支護(hù)后,頂板最大下沉量為33 mm,減少了64.1%;由圖4看到,巷道開挖未支護(hù)時(shí),兩幫最大移近量為173 mm。兩幫最大移近量為108 mm,減少了37.6%。圖5顯示,進(jìn)行支護(hù)后,圍巖塑性區(qū)范圍大大減小。該支護(hù)方案對頂板和兩幫的整體控制效果明顯。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在S1203運(yùn)輸巷采用了上述支護(hù)方案。為了檢驗(yàn)巷道支護(hù)效果,在巷道掘進(jìn)200 m位置對巷道表面位移、頂板離層進(jìn)行了監(jiān)測,表面位移結(jié)果如圖6所示。

圖6 圍巖變形量

從圖6可以看出,巷道的變形隨著開挖時(shí)間逐漸增大,初期增加幅度較大,隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)工作面增幅逐漸減少,并趨于穩(wěn)定。巷道頂板的最大下沉量為26 mm,工作面?zhèn)葞?左幫)最大移近量18 mm,外側(cè)幫(右?guī)?最大移近量為13 mm。巷道開挖初期,兩幫和頂板變形量稍大,主要是由于巷道初期受掘進(jìn)影響,加之巷道沿煤層底板掘進(jìn),留有頂煤,巷道開挖后,由于風(fēng)化作用,頂煤破碎、剝落。但增幅都非常小,且整體變形量較小,巷道整體穩(wěn)定。充分發(fā)揮了高阻力臨時(shí)支護(hù)和高預(yù)緊力錨桿錨索強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)的作用,巷道頂板及兩幫得到了及時(shí)有效的控制。

頂板5 m深范圍內(nèi)離層數(shù)據(jù)顯示,頂板離層量變化趨勢與巷道頂?shù)装逡平孔兓厔莼疽恢?。巷道頂板淺部最大離層為23 mm,深部幾乎沒有離層,可見巷道頂板離層主要以淺部離層為主。主要是巷道本身頂板留有煤層,在巷道掘進(jìn)動壓作用下,巷道施工初期頂煤破碎易形成網(wǎng)兜,隨著淺部離層并逐漸發(fā)展到了深部,錨索也隨之達(dá)到了較大拉力,阻止了離層的進(jìn)一步擴(kuò)展,使巷道變形最終趨于穩(wěn)定,錨固區(qū)內(nèi)外沒有出現(xiàn)大的離層現(xiàn)象。

現(xiàn)場工程實(shí)踐充分證明該支護(hù)方案可以對留頂煤大斷面巷道圍巖控制產(chǎn)生良好的效果。

5 結(jié)論

(1)阻止留頂煤大斷面巷道復(fù)合頂板早期發(fā)生彎曲離層、頂板中部出現(xiàn)拉破壞以及巷道頂角和兩幫出現(xiàn)壓剪破壞對保持巷道的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用,一旦這些部位出現(xiàn)破壞,巷道極易失穩(wěn)。

(2)為了有效地控制巷道圍巖變形,提高圍巖的穩(wěn)定性,根據(jù)留頂煤大斷面巷道的圍巖失穩(wěn)機(jī)理,提出了留頂煤大斷面巷道支護(hù)原則,并采用高阻力機(jī)載臨時(shí)支護(hù)加高預(yù)緊力錨桿錨索的支護(hù)對策。數(shù)值模擬效果較理想,錨桿支護(hù)參數(shù)較合理,保證了巷道的穩(wěn)定和安全。

(3)現(xiàn)場工程實(shí)踐表明,對于余吾煤業(yè)S1203留頂煤大斷面巷道,采用高阻力臨時(shí)支護(hù)加高預(yù)緊力錨桿錨索支護(hù)可以有效控制圍巖變形,保持巷道穩(wěn)定,取得良好的支護(hù)效果,并且提高了掘進(jìn)速度。該支護(hù)對策可以在類似地質(zhì)和工程條件巷道推廣使用。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on instability mechanism and supporting measures of surrounding rock of large section roadway with top coal

Zhang Chenxi,Zang Chuanwei,Zhang Qiang,Zhou Lichao,Xie Shuai,Xi Junhui
(College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

In view of the difficulty of controlling the surrounding rock of large section roadway along the bottom of the S1203 face,the FLAC3D numerical simulation software was used to analyze the distribution characteristics of the plastic zone and the principal stress of the surrounding rock,and the instability mechanism of the surrounding rock in the large section roadway was obtained.On this basis,the principle of supporting the roadway with roof coal was put forward. According to this principle,the combined supporting measures of onboard temporary support with high resistance and bolt-cable anchor with high pre-tightening were adopted and applied to engineering practice.Both numerical simulation and field measurement showed that the proposed method was effective and could maintain the stability of the roadway.

coal roof,large section roadway,instability mechanism,numerical simulation, supporting measure

TD353

A

張晨曦(1991-),男,山西晉城人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。