江成玉,劉 勇,韓連昌,王 沉
(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.盤江精煤股份有限公司 金佳礦,貴州 六盤水 553000)
隨著經(jīng)濟發(fā)展,煤炭資源的需求日益增加,淺部的煤炭資源越來越少,逐漸向深部開采。然而深部巖體處于“三高一擾動”的惡劣環(huán)境[1],使得深部高應(yīng)力軟巖巷道呈現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)強烈、圍巖大變形且持續(xù)時間長、巷道底鼓嚴(yán)重、強流變性等一系列工程問題[2-4]。針對煤礦深部高應(yīng)力軟巖巷道難支護問題,不少研究學(xué)者從理論到實踐進(jìn)行了大量的研究,并取得了豐碩的研究成果。韓連昌等[5]對某礦141211高應(yīng)力軟巖巷道難支護問題進(jìn)行研究,揭示了巷道變形破壞機制,提出了鋼管混凝土支架支護方案并進(jìn)行工業(yè)試驗取得良好效果;冷光海[6]以貴州盤江礦區(qū)土城礦131運煤上山為工程背景,分析了圍巖變形特征以及巷道失穩(wěn)破壞原因,提出了“錨桿(索)+灌漿+雙U型鋼”的聯(lián)合支護方案;學(xué)者們也對深部高應(yīng)力軟巖巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,圍巖流變和應(yīng)力場演變,變形特征和支護參數(shù)及巷道底鼓進(jìn)行了研究并取得了一定成果[7-11];其他學(xué)者也分析了高應(yīng)力軟巖巷道破壞的機理并提出了合適的巷道支護方案[12-14]。
但地質(zhì)條件不同,巷道采取得支護方式也不同。貴州煤礦構(gòu)造發(fā)育,造成深部高應(yīng)力且應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松散破碎、軟巖遇水膨脹應(yīng)力大,支護效果不理想。因此以貴州土城煤礦141713運輸巷為工程背景,通過現(xiàn)場調(diào)查、實驗研究、理論分析總結(jié)該巷道破壞的原因,并提出“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護方案。通過理論分析、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測驗證,實驗結(jié)果表明設(shè)計方案支護效果良好,為該類條件下的巷道支護提供一定借鑒。
貴州土城煤礦141713運輸巷埋深970m,垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖多以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主,成分中以黏土礦物居多,黏土礦物中又以蒙脫石為主要成分,使得巷道圍巖的吸水性和膨脹性增強,屬于典型的高應(yīng)力工程軟巖巷道。
巷道原斷面為半圓拱型,采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+U型鋼棚”聯(lián)合支護方案,如圖1所示,采用?20mm×2400mm的高強螺紋鋼錨桿,其間排距700mm×700mm;?21.6mm×6000mm的預(yù)應(yīng)力錨索,其間排距1600mm×1600mm;鋼筋網(wǎng)采用?6mm鋼筋焊接,規(guī)格為1800mm×700mm,網(wǎng)格為120mm×120mm,支架是29#U型支架。
采取巖樣在室內(nèi)進(jìn)行圍巖成分分析,用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀,分析結(jié)果見表1。通過分析可知,圍巖成分中黏土礦物含量居多,黏土礦物中親水性最強的蒙脫石含量占45%,使得圍巖膨脹性和吸水性顯著。
表1 巖石礦物成分與含量
井下巷道變形實拍如圖2所示,可得在高應(yīng)力軟巖條件下的回采巷道出現(xiàn)了巷道斷面變形大、兩幫收縮、托盤彎曲、錨索松脫、支架變形、網(wǎng)兜破裂等礦壓顯現(xiàn),造成了巷道的嚴(yán)重變形和破壞。
圖2 井下巷道失穩(wěn)破壞實拍圖
巷道失穩(wěn)破壞的影響因素頗多,經(jīng)現(xiàn)場勘察和查閱相關(guān)地質(zhì)資料分析,主要包括以下原因:
1)地質(zhì)條件。埋深970m,屬于深部開采,垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖巖石成分中以黏土礦物為主,所含黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量73%,遇水易產(chǎn)生較大的膨脹壓力,從而導(dǎo)致圍巖松散破碎,在高應(yīng)力作用下,圍巖塑性變形和流變特性顯著,巷道變形大易失穩(wěn),這是巷道變形破壞的內(nèi)在原因。
2)支護方式。該巷道支護方式為傳統(tǒng)巷道支護,由圖2可知,井下巷道支護構(gòu)件發(fā)生了嚴(yán)重的破壞與失效,說明了該支護方式在應(yīng)力高、圍巖變形大的條件不適應(yīng)。
3)采動影響。在工作面推進(jìn)的過程中,巷道受到采動的重復(fù)疊加影響,使得圍巖的完整性降低。增加了圍巖與礦井水的接觸面。
4)圍巖滲水。巷道圍巖表面滲水嚴(yán)重,圍巖巖性為親水性的黏土型礦物吸收后,形成了較大膨脹力,使得圍巖的破碎程度加劇,從而使得圍巖的承載能力大大降低。
根據(jù)巷道變形破壞的特征及原因,有針對性的對巷道進(jìn)行合理支護,提出了“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護,如圖3所示。采用?25mm×3000mm的高強注漿錨桿,其間排距800mm×800mm;采用?29mm×7000mm的高強注漿錨索,其間排距1600mm×1600mm;支架采用型號為36的U性可縮性支架,棚距為800mm×800mm;注漿的水泥砂漿配合比為水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4,速凝劑的比列為水泥用量的3%~5%[5],并添加ACZ系列注漿改良劑,采用高壓力注漿,先注錨桿,壓力不低于7MPa,后注錨索,壓力不低于10MPa。
圖3 優(yōu)化支護方案(mm)
此次方案根據(jù)巷道圍巖實際情況調(diào)整了錨桿索及支架規(guī)格和間排距,通過注漿對破碎圍巖進(jìn)行填充,增加巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性以及減少巷道圍巖與水接觸面,防止巷道圍巖遇水產(chǎn)生的膨脹力,提高了圍巖的力學(xué)性質(zhì),讓錨桿索支護構(gòu)件不會因為圍巖破碎而失去支護效果,大大的發(fā)揮了錨桿錨索支護作用。
根據(jù)懸吊理論,錨桿長度L可由式(1)計算:
L=L1+L2+L3
(1)
式中,L1為錨桿外露長度,取0.1m;L2為錨桿有效長度,m;L3為錨桿錨固長度,取0.5m。其中L2用普式自然平衡拱理論確定:
式中,f為普氏巖石堅固性系數(shù);B為巷道寬度,m;h為巷道掘進(jìn)高度,m;φ為巖體內(nèi)摩擦角,(°)。
根據(jù)現(xiàn)行實測和實驗結(jié)果可得:f=2;B=5.2m;h=3.2m;φ=24°。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)中可得L2=2.3m。再將L2=2.3m代入式(1)中可得L=2.9m??蛇x用長度為3.0m中空注漿錨桿。
根據(jù)每根錨桿懸吊的巖重,計算錨桿的間排距S1、S2,按錨桿等距排列:
式中,Q為錨桿設(shè)計錨固力,取80kN/根;K為錨桿安全系數(shù),取2;γ為巖石體積力,取27kN/m3;L2為錨桿有效長度,取2.3m。將以上數(shù)據(jù)代入式(3)中計算可得S1=S2=0.8m,則設(shè)計支護的錨桿間排距為0.8m。
根據(jù)錨桿截面積計算公式:
式中,A為錨桿截面積,mm2;K為安全系數(shù),取2;S為錨桿間排距,取0.8m;L為錨桿長度,取3m;γ為承載巖體容重,取27kN/m3;σs為錨桿抗拉強度,取0.5GPa;將以上數(shù)據(jù)代入式(4)中計算可得錨桿截面積為207mm2,直徑為25mm高強中空注漿錨桿壁厚為7mm,桿體截面為400mm2,滿足要求。
錨索長度應(yīng)滿足下式:
L≥L1+L2+L3+L4
(5)
式中,L為錨索全長,m;L1為錨固長度,m;L2為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度,取3.0m;L3為托盤及錨具厚度,取0.15m,L4為錨索外露長度,取0.5m,式中L1≥Kdafa/(4fc),其中K為安全系數(shù),取2;da為錨索直徑為29mm;fa為錨索抗拉強度,取1780MPa;fc為錨索與錨固劑的粘合強度,取10N/mm2??汕蟮肔1=2.58m。代入式(5)可得L=5.78m。采用7m錨索滿足要求[15]。
根據(jù)塑性芬納(Fenner)公式[16],可以計算出所支護反力Pi為:
式中,p0為原巖應(yīng)力,取20MPa;φ為圍巖內(nèi)摩擦角,取24°;c為圍巖黏聚力,取0.36MPa;ra為巷道半徑,取2600mm;Rp為圍巖塑性區(qū)半徑,取4300mm。將數(shù)據(jù)代入式(7)中計算得Pi=3.0MPa。
根據(jù)庫倫準(zhǔn)則:
|τ|=c+σtanφ
(7)
式中,τ為圍巖剪切強度,MPa;c為圍巖黏聚力,MPa;σ為剪切面上的正應(yīng)力,MPa;φ為圍巖內(nèi)摩擦角,(°)。可以用莫爾極限應(yīng)力圓直觀的表示庫倫準(zhǔn)則,如圖4所示。
圖4 錨注前后圍巖強度變化
由圖4可知,錨注后圍巖強度明顯大于錨注前的圍巖強度。因為錨注后增加了圍巖粘聚力和內(nèi)摩擦角,從而增大了圍巖的剪切強度,提高了圍巖穩(wěn)定性。
運用Flac3D數(shù)值模擬軟件對回采巷道支護方案進(jìn)行模擬對比,模型尺寸為80m×30m×68m。頂部施加20MPa的局部應(yīng)力,考慮巷道開挖后引起的邊界效應(yīng),外部邊界取巷道半徑的8倍以上。模擬中錨桿和錨索采用Cable結(jié)構(gòu)單元、支架采用Beam結(jié)構(gòu)單元。煤巖層力學(xué)參數(shù)見表2,錨桿索的支護參數(shù)見表3,支架的支護參數(shù)見表4。
表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)
表3 錨桿索參數(shù)
表4 支架參數(shù)
由圖5中原支護和設(shè)計支護所對應(yīng)的位移、應(yīng)力云圖對比分析可知,應(yīng)用設(shè)計支護方案后巷道頂板最大位移量從160mm下降至45mm,巷道最大底鼓量從60mm下降至40mm;巷道兩幫最大移進(jìn)量從60mm下降至14mm;最大主應(yīng)力由24MPa增加到28MPa。注漿改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì),提高圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角;增強了破碎圍巖的完整性,減少了圍巖與水的接觸面,降低了因圍巖內(nèi)所含的黏土礦物遇水膨脹所產(chǎn)生的膨脹力。
圖5 兩支護方案數(shù)值模型結(jié)果
為驗證支護方案現(xiàn)場效果,采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監(jiān)測儀在141713運輸巷80m的范圍內(nèi)監(jiān)測斷面共有6個測點,每10m一個測點。并進(jìn)行了60天的現(xiàn)場監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測時期的前、中、后,在監(jiān)測數(shù)據(jù)中,選取了監(jiān)測前期、監(jiān)測中期、監(jiān)測后期3組頗具代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,巷道斷面監(jiān)測結(jié)果對比如圖6所示。
圖6 巷道斷面監(jiān)測結(jié)果對比
從圖6中的巷道斷面監(jiān)測結(jié)果可知在巷道支護完成后20d斷面收斂率為2.92%;40d斷面收斂率為6.43%;60d的收斂率為9.87%,總的來說,巷道平均收斂率為6.41%,巷道圍巖總體變形量不大,不影響實際的生產(chǎn)。
1)貴州土城煤礦141713運輸巷屬于高應(yīng)力工程軟巖巷道,地質(zhì)條件差、圍巖強度低,圍巖黏土礦物占比大、支護方式不適應(yīng)、采動影響、高應(yīng)力和圍巖滲水是該巷道變形破壞的主要原因。
2)根據(jù)巷道破壞特征及破壞原因,提出“錨桿/索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護,改善了圍巖的力學(xué)條件,合理了支護方式。并在現(xiàn)場實際中取得較好支護效果。
3)采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監(jiān)測儀對支護后的巷道不同時期斷面進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果表明支護后巷道最大斷面收斂率為9.87%,巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi),支護效果明顯。