尹英文 馬麗妲 王曉菡
(山東鼎安檢測技術(shù)有限公司,山東 濟(jì)南 250032)
隨著開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,原有的錨桿支護(hù)系統(tǒng)難以保證安全生產(chǎn),尤其是深井巷道支護(hù)問題日益嚴(yán)重。郭屯煤礦在四采區(qū)進(jìn)行沿空掘巷,如何確定留設(shè)煤柱寬度尺寸和巷道支護(hù)參數(shù)是沿空掘巷成功的關(guān)鍵。
郭屯煤礦主采3煤層,在四采區(qū)實(shí)施沿空掘巷,四采區(qū)煤層平均厚度為2m。偽頂為砂質(zhì)泥巖,厚度0~1.6m;直接頂為中砂巖,平均厚度6m;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度1.8m,埋深800m以上。四采區(qū)沿空掘巷順槽有2m厚巖性較差的砂質(zhì)泥巖,支護(hù)困難,沿空掘巷成型后在采空區(qū)側(cè)的煤幫變形大。
沿空掘巷是沿采空區(qū)側(cè)煤體留設(shè)窄煤柱或者不留煤柱的情況下進(jìn)行巷道掘進(jìn),由于其特殊的工作條件,在掘進(jìn)初期巷道無支護(hù),圍巖垮落較快,使用錨桿對圍巖進(jìn)行支護(hù)也不能控制圍巖變形速度和變形量。
圍巖變形主要是以底鼓為主的頂?shù)装逡平蛢蓭鸵苿?dòng)。在距離幫壁3m左右甚至更大范圍內(nèi),圍巖會(huì)發(fā)生明顯的位移。若支護(hù)不合理,當(dāng)變形程度超過支護(hù)結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)度時(shí),支護(hù)就會(huì)失效,巷道失穩(wěn)變形。
圍巖變形受應(yīng)力影響較大,若主應(yīng)力為垂直于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力,則圍巖變形量大;若主應(yīng)力為平行于巷道軸線方向的構(gòu)造應(yīng)力,則圍巖變形量小。圍巖變形受環(huán)境變化和應(yīng)力擾動(dòng)的影響較大。
掘進(jìn)前,圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài),開始掘進(jìn)后,應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)由三維改為二維狀態(tài),當(dāng)周邊應(yīng)力強(qiáng)度高于圍巖的承壓強(qiáng)度時(shí),圍巖就會(huì)破壞,主應(yīng)力最大值向上部巖層內(nèi)部轉(zhuǎn)移,應(yīng)力場重新分布,此時(shí),若保證巷道圍巖不失穩(wěn)應(yīng)進(jìn)行巷道支護(hù),若不支護(hù),可能會(huì)誘發(fā)圍巖失穩(wěn)。
① 松動(dòng)壓力作用。松動(dòng)壓力是地質(zhì)和圍巖結(jié)構(gòu)下形成的,多出現(xiàn)在巷道頂部和兩幫,主要原因是在巷道掘進(jìn)后,圍巖應(yīng)力重新分布,受到重力作用,若支護(hù)強(qiáng)度不夠就會(huì)出現(xiàn)冒落和片幫。
② 形變壓力作用。巷道掘進(jìn)后會(huì)出現(xiàn)二次應(yīng)力,受到該應(yīng)力的影響,圍巖會(huì)出現(xiàn)非彈性和粘彈性的變形,形變力的形成是受重力影響形成應(yīng)力集中,部分圍巖出現(xiàn)塑性或流變狀態(tài),當(dāng)巖層的強(qiáng)度很高,無支護(hù)的塑性區(qū)會(huì)擴(kuò)大,在到達(dá)一定數(shù)值后不再變化,在隨行區(qū)域的邊緣形成高切向力的承載環(huán)。
本文與其他同頻段文獻(xiàn)的相位噪聲對比,如表2所示。本文設(shè)計(jì)的頻率源的相位噪聲實(shí)測值可達(dá)-87.1 dBc/Hz@1 kHz,比文獻(xiàn)[11]中的車載防撞雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了24 dB,比文獻(xiàn)[12]中的24 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)頻率源的相位噪聲改善了21 dB。
圖1 巷道圍巖變形與支護(hù)特征曲線圖
圖1為圍巖變形與支護(hù)特征曲線圖。當(dāng)圍巖的變形量大于圍巖自身允許變形的最大值時(shí),圍巖就會(huì)破壞至垮落,形成的松散壓力附著在支護(hù)結(jié)構(gòu)上,支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力就會(huì)增加。將支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置在支護(hù)抗力最小的K點(diǎn),圍巖最穩(wěn)定,同時(shí)也能有效限制不利變形的擴(kuò)展。
圖2 力學(xué)模型
圖2 (1)為窄煤柱力學(xué)模型,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)煤柱α一般為4.5~5m,巷道布置在煤柱的彈性區(qū),因此留設(shè)的煤柱起到隔離采空區(qū)和沿空掘巷空間的作用,不受負(fù)載。
圖3(2)為寬煤柱力學(xué)模型,當(dāng)沿空掘巷留設(shè)寬煤柱時(shí),煤柱向內(nèi)部依次表現(xiàn)為片幫、圍巖塑性變形、應(yīng)力增大的彈性區(qū)。片幫區(qū)無法承受垂直應(yīng)力但能傳遞水平應(yīng)力,松弛區(qū)承載的載荷小于原始應(yīng)力,塑性區(qū)承受的應(yīng)力高于原始應(yīng)力。
因此沿空掘巷時(shí)巷道位置圍巖條件的影響,充分考慮煤體的彈性區(qū)、塑性區(qū)和煤體應(yīng)力的影響,沿空掘進(jìn)的順槽布置在留設(shè)4.5~5m的窄煤柱的松弛區(qū)范圍內(nèi)。
根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)和受力情況,在預(yù)應(yīng)力支護(hù)和高強(qiáng)度錨桿基礎(chǔ)上提出的巷道支護(hù)技術(shù)。其原理是使支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖體共同形成一個(gè)承載體應(yīng)對巷道的應(yīng)力與圍巖變形,使巷道圍巖保持穩(wěn)定。因此,在實(shí)施平衡支護(hù)技術(shù)時(shí),選擇的支護(hù)錨桿具備足夠強(qiáng)度,支護(hù)完成后能夠“讓壓”,在巖體釋放能量時(shí)允許產(chǎn)生一定的變形,保持巷道圍巖應(yīng)力平衡。
為達(dá)到讓壓支護(hù)的目的,錨桿強(qiáng)度應(yīng)能滿足額定預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度要求,利用讓壓錨桿為巷道巖體的變形提供空間,緩沖支護(hù)初期的預(yù)應(yīng)力。在讓壓變形后,支護(hù)體系與圍巖形成整體維持巷道的穩(wěn)定性。
巷道采用矩形斷面,寬4.5m,高3.6m。其支護(hù)斷面圖見圖3,支護(hù)參數(shù)為:
頂板支護(hù):高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2400mm,預(yù)應(yīng)力≥5t,扭矩≥240N·m,支護(hù)間排距1000×1000mm,安裝時(shí)采用阻尼螺母和沖壓球形托盤;錨索:Ф21.6×6000mm,預(yù)應(yīng)力≥6~8t,間排距1500×2000mm。
幫支護(hù):高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿Ф20×2000mm,預(yù)應(yīng)力≥5t,扭矩≥240N·m,支護(hù)間排距1000mm×1000mm,安裝時(shí)采用阻尼螺母和沖壓球形托盤。
金屬網(wǎng):Ф6100×1000mm圓鋼焊接網(wǎng)。
鋼筋梯:鋼筋梯采用Ф8mm的圓鋼焊接而成。
圖3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖
在巷道內(nèi)設(shè)立觀測站,每個(gè)觀測站內(nèi)對巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰七M(jìn)行觀測。
① 錨桿錨索應(yīng)力計(jì)。采用錨桿應(yīng)力計(jì)觀測錨桿錨索受力情況,每個(gè)觀測站將錨桿應(yīng)力計(jì)布置在錨桿排的中間位置。
② 巷道表面位移觀測。采用十字布點(diǎn)法對巷道表面位移進(jìn)行觀測,首先在頂?shù)装逯行木€垂直方向和兩幫的水平中心線布置鉆孔,放入木樁進(jìn)行測點(diǎn)標(biāo)記,進(jìn)行觀測。
表1 200#斷面變形觀測數(shù)據(jù)表
由表1中頂板錨索測點(diǎn)數(shù)據(jù)看出,錨索安裝預(yù)應(yīng)力為11.27t,觀測期間最大應(yīng)力為30MPa,即為14.7t,錨索增阻速度:0.343t/d。
由表1中頂板左旋的讓壓錨桿測點(diǎn)數(shù)據(jù)看出,頂板左旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為8.5MPa,即4.165t,錨桿的增阻速度:0.1715 t/d。
由表1中頂板右旋的預(yù)應(yīng)力錨桿測點(diǎn)數(shù)據(jù)看出,頂板右旋的錨桿初始安裝應(yīng)力為11MPa,即3.59t,錨桿的增阻速度:0.196 t/d。
根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出200#的斷面頂板錨索和頂板左右旋的增阻曲線見圖4。
圖4 觀測斷面錨桿左右旋及錨索增阻曲線
從圖4可以看出,錨索、錨桿的增速速度逐漸趨于穩(wěn)定,現(xiàn)有的頂板支護(hù)體系能夠滿足頂板支護(hù)的要求。
根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出200#斷面變形量見圖5。
由圖5分析得出,觀測10d頂板下沉速度:11mm/d,觀測42d的頂板下沉速度:4.1mm/d,頂板還未進(jìn)入穩(wěn)定期。觀測10d兩幫移近速度:13mm/d,觀測42d的兩幫移近速度:4.7mm/d,兩幫移近量較大,現(xiàn)有的支護(hù)方式不能夠有效控制兩幫。
圖5 200#觀測斷面變形量
通過留設(shè)4.5~5m窄煤柱,在松動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行沿空掘巷導(dǎo)致重新分布應(yīng)力小于原始地應(yīng)力,能夠減少煤炭損失。
通過實(shí)施錨索和讓壓錨桿支護(hù)體系,確定郭屯煤礦沿空掘巷方案,有效地控制巷道圍巖變形,實(shí)現(xiàn)了沿空掘巷的圍巖穩(wěn)定。