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        東保衛(wèi)煤礦回采巷道圍巖松動(dòng)的特征與支護(hù)優(yōu)化

        2021-02-22 02:39:24張國(guó)華李子波周文俊鄒軍鵬
        關(guān)鍵詞:平巷采區(qū)錨桿

        張國(guó)華,王 磊,李子波,周文俊,周 慧,鄒軍鵬

        (1.黑龍江科技大學(xué), 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

        0 引 言

        巷道進(jìn)行開挖后,煤巖體所處的應(yīng)力平衡被打破,為達(dá)到新的平衡,應(yīng)力進(jìn)行重新分布。當(dāng)巷道所處的應(yīng)力環(huán)境突破煤巖體的承載極限時(shí),巷道周邊一定區(qū)域內(nèi)的煤巖體將發(fā)生破壞,應(yīng)力釋放產(chǎn)生松動(dòng)圈[1-2]。松動(dòng)圈范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)的變形破壞特征稱為圍巖松動(dòng)特征。有效的支護(hù)是進(jìn)行圍巖控制的手段,因此專家學(xué)者對(duì)圍巖松動(dòng)特征開展了大量研究??导t普[3]研究了圍巖強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)等地質(zhì)力學(xué)參數(shù),探究了巷道支護(hù)與圍巖變形、破壞等松動(dòng)特征之間的關(guān)系。張琪[4]通過分析巷道圍巖松動(dòng)特征,探尋錦界煤礦回采巷道圍巖變形特點(diǎn),優(yōu)化了巷道支護(hù)參數(shù)。何滿潮等[5-6]針對(duì)普通錨桿不能適應(yīng)巷道圍巖大變形破壞的特點(diǎn),基于深部軟巖圍巖變形破壞特征,研發(fā)了恒阻大變形錨桿。王連國(guó)等[7]結(jié)合錨桿、錨索與注漿各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),提出了錨注一體化聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。張百紅等[8]通過相似模擬實(shí)驗(yàn),得出不同支護(hù)條件下的圍巖體變形松動(dòng)特征,豐富了巷道圍巖的支護(hù)理論。

        隨著煤礦開采深度的增加,東保衛(wèi)煤礦回采巷道圍巖松動(dòng)特征日漸復(fù)雜,采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行支護(hù),取得了一定的支護(hù)效果,但巷道的部分區(qū)域變形破壞嚴(yán)重,二次返修概率大,維護(hù)成本較高。筆者通過在東保衛(wèi)煤礦41號(hào)層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷布置多點(diǎn)位移計(jì),對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),探究巷道圍巖松動(dòng)特征,分析了原有支護(hù)方案存在的問題,結(jié)合現(xiàn)有施工條件,提出了優(yōu)化支護(hù)方案,通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)試,驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

        1 工程背景及圍巖控制現(xiàn)狀

        東保衛(wèi)煤礦位于雙鴨山煤田,隸屬于龍煤集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司。礦井核定生產(chǎn)能力1.05 Mt/a,41號(hào)煤層三采區(qū)為主要的生產(chǎn)區(qū)域,煤層平均傾角約為24°,平均煤厚1.65 m。三采區(qū)右-660運(yùn)輸巷道為半煤巖巷,斷面形狀為梯形,平均埋深700 m,左幫高度1 867 mm,右?guī)透叨? 732 mm,巷道支護(hù)方式采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。頂板支護(hù)螺紋鋼錨桿直徑為18.0 mm,長(zhǎng)度為2.9 m,間排距為1 000 mm×1 000 mm,藥卷為快速凝結(jié)型樹脂。錨索直徑為17.6 mm,長(zhǎng)度為5.3 m。兩幫支護(hù)錨桿直徑為18.0 mm,長(zhǎng)度為2.5 m,間排距為1 000 mm×1 000 mm。支護(hù)斷面如圖1所示。

        圖1 三采區(qū)41號(hào)層右-660運(yùn)輸巷道支護(hù)斷面Fig. 1 Supporting section of right-660 haulage roadway in No.41 seam of No.3 mining area

        2 巷道圍巖松動(dòng)范圍特征

        巷道掘進(jìn)后,巷道圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)[9]。為了達(dá)到新的應(yīng)力平衡,圍巖發(fā)生破裂,高應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移,巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的松動(dòng)變形特征。通過深孔多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道頂板和兩幫變形的監(jiān)測(cè),可以初步獲得巷道圍巖的松動(dòng)變形特征,為支護(hù)方案的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

        2.1 測(cè)試方案

        (1)東保衛(wèi)煤礦41號(hào)煤層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷掘進(jìn)后,在工作面后方布置4個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)之間相隔30 m,巷道的頂板和兩幫的中心處布置3個(gè)多點(diǎn)深孔位移計(jì)。根據(jù)施工反饋,圍巖松動(dòng)區(qū)范圍在0.5~3.0 m之間。為全面監(jiān)測(cè)圍巖的松動(dòng)范圍,在4、2、1 m的位置分別埋設(shè)1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)固定器。(2)測(cè)區(qū)布置在掘進(jìn)頭10 m以外,以免施工對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成影響。(3)每?jī)商爝M(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)與分析,布置方案詳見圖2。

        2.2 測(cè)試結(jié)果

        測(cè)區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性,鑒于篇幅,僅列出一個(gè)測(cè)區(qū)的觀測(cè)結(jié)果,進(jìn)行重點(diǎn)分析。

        圍巖的松動(dòng)變形會(huì)引起巷道的面積變化,在常規(guī)監(jiān)測(cè)頂板下沉量h和兩幫移近量l的基礎(chǔ)上,引入巷道面積減少量參數(shù),簡(jiǎn)稱面積縮量。東保衛(wèi)煤礦41號(hào)層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷的變形在橫向上表現(xiàn)為兩幫移近,縱向上表現(xiàn)為頂板下沉,積分所得面積即為面積縮量S。它能將一維的巷道變形數(shù)據(jù)直觀展現(xiàn)在二維的平面上。

        圖2 多點(diǎn)位移計(jì)布置示意Fig. 2 Schematic diagram of multi-point displacement meter layout

        巷道掘進(jìn)后,經(jīng)歷了急劇變形、緩慢變形和穩(wěn)定變形3個(gè)階段。0~4 d為急劇變形階段。此時(shí),巷道的變形速率最大,頂板下沉量、兩幫移近量及巷道面積減少量S1的變化速率為20 mm/d、8.9 mm/d和355 mm2/d,掘進(jìn)作業(yè)初期,應(yīng)力進(jìn)行重新分布,產(chǎn)生了塑性變形破壞,支護(hù)無法阻止其發(fā)生和擴(kuò)展[1]。巷道內(nèi)部形成臨空區(qū),圍巖松動(dòng)范圍極不穩(wěn)定,應(yīng)力迅速臨空釋放或向巖體深部轉(zhuǎn)移,造成巷道周邊巖體變形速率較大,頂板下沉速率大于兩幫移近速率。5~40 d為三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷緩慢變形階段,巷道的變形速度明顯低于前一階段。圍巖由“塑變破壞”進(jìn)入碎脹變形。碎脹變形是由于巖體的殘余應(yīng)力引起的[1],有效的支護(hù)能夠控制破裂圍巖繼續(xù)劣化,此階段可以用來檢驗(yàn)支護(hù)效果。頂板下沉速率、兩幫移近速率和巷道面積減少量的變化速率依次為1.2 mm/d、2.4 mm/d和5.55 mm2/d。兩幫變形速率是頂板變形速率的二倍,現(xiàn)有支護(hù)下觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。圖3a中出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),這與前一階段頂板變形速率較大相悖,在兩幫區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)效果不明顯,且施工難度大??拷锏栏浇闹ёo(hù)承壓范圍內(nèi),頂板變形較小,兩幫變形速率較快,初步分析頂板支護(hù)與兩幫支護(hù)不協(xié)同,頂板存在支護(hù)過剩。40 d后進(jìn)入穩(wěn)定變形階段,此過程巷道圍巖變形保持穩(wěn)定,變形量不再隨時(shí)間發(fā)生變化,面積縮量達(dá)到最大值1 619 mm2,頂板基本完整,兩幫出現(xiàn)裂紋、輕微片幫等松動(dòng)特征。以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均來自2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn),只有在所監(jiān)測(cè)的巖層產(chǎn)生離層松動(dòng)時(shí),固定器所在的測(cè)尺鋼線會(huì)與基準(zhǔn)面出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)度變化,由此推測(cè)出頂板及兩幫的松動(dòng)范圍為1.0~1.5 m。

        圖3 三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷現(xiàn)有支護(hù)觀測(cè)結(jié)果Fig. 3 Existing support observation results of right-660 haulage roadway in No.3 mining area

        2.3 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷圍巖松動(dòng)范圍為1.0~1.5 m,圍巖性質(zhì)為中松動(dòng)圈Ⅲ類一般圍巖,可采用錨桿懸吊支護(hù)理論[1]對(duì)原有支護(hù)方案校核并進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        經(jīng)懸吊理論計(jì)算[10],錨桿長(zhǎng)度L=2.05 m,直徑D=17.4 mm,間、排距a=0.98 m,錨索長(zhǎng)度La=4.2 m,可以滿足當(dāng)前支護(hù)需求。原支護(hù)的外露端為0.3 m,錨固端長(zhǎng)度為1.1 m,懸吊理論一般取0.3~0.4 m[10],可知頂板存在支護(hù)過剩。

        相關(guān)研究指出[11],減小錨固端長(zhǎng)度,可以使頂板圍巖存在較大的變形,有效釋放能量。優(yōu)化方案如下:頂板支護(hù)采用的螺紋鋼錨桿直徑為18.0 mm,錨桿整體長(zhǎng)度為2.5 m,其中,錨固端長(zhǎng)度為0.7 m,間排距為1 000 mm×1 000 mm,藥卷與原支護(hù)相同,采用快速凝結(jié)型樹脂藥卷。采用的錨索直徑為17.6 mm,長(zhǎng)度為4.5 m,兩幫支護(hù)采用的錨桿直徑為18.0 mm,長(zhǎng)度為2.5 m,間排距為1 000 mm×1 000 mm。

        2.4 數(shù)值模擬優(yōu)化分析

        在東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)41號(hào)層右-660運(yùn)輸巷進(jìn)行原位取樣。依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)(ISRM)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到其頂板、煤和底板的物理力學(xué)參數(shù),如表1所示。

        表1 數(shù)值模擬巷道圍巖參數(shù)

        通過FLAC3D模擬無支護(hù)、現(xiàn)有支護(hù)及優(yōu)化支護(hù)的3種工況下巷道變形情況如圖4所示。

        圖4 三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)Fig. 4 Stress field of surrounding rock of right-660 haulage drift in No.3 mining area

        該運(yùn)輸巷掘進(jìn)后,在巷道和頂板及兩幫區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中,見圖4a。這是因?yàn)閼?yīng)力進(jìn)行重新適配,三向應(yīng)力作用逐漸衰減,兩向應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo),此時(shí)應(yīng)力分布主要取決于側(cè)壓系數(shù)[12-13]。無支護(hù)下,側(cè)壓力系數(shù)近似為0,產(chǎn)生了高拉應(yīng)力。由于巖石這種抗壓不抗拉的特性,巷道自身的承載極限不能抵抗高拉應(yīng)力的影響,巷道周邊的塑性變形破壞大,圍巖松動(dòng)特征十分明顯。現(xiàn)有支護(hù)下,錨固范圍內(nèi)的巖層相互擠壓摩擦形成承壓層,在一定程度上增加了自承能力,高拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力,有利于巷道抵抗塑性破壞。但應(yīng)力在承壓層內(nèi)出現(xiàn)了不均衡的表像,巷道右?guī)偷啄_處出現(xiàn)了應(yīng)力集中,見圖4b。這是由于頂板巖層膨脹所積聚的能量未能及時(shí)釋放,造成兩幫能量積累過剩,與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果一致,右?guī)偷啄_處變形較大。支護(hù)優(yōu)化后,應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)明顯的變化,驗(yàn)證了頂板和兩幫支護(hù)不協(xié)同的猜想,優(yōu)化后的方案減輕了在支護(hù)承壓范圍內(nèi)對(duì)頂板的過度控制,積聚的能量能夠及時(shí)耗散,使圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化狀態(tài),充分發(fā)揮圍巖的承載能力,改善應(yīng)力水平,提高了支護(hù)效果,見圖4c。

        3 工業(yè)試驗(yàn)

        按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的支護(hù)方案進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。原有支護(hù)下的頂板和兩幫發(fā)生離層,部分支護(hù)構(gòu)件已經(jīng)失效,圍巖松動(dòng)特征明顯,見圖5a。優(yōu)化后的支護(hù)效果較好,頂板和兩幫較完整,見圖5b。

        圖5 三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)Fig. 5 Field measurement of right-660 transport roadway in No.3 mining area

        在緩慢變形階段,優(yōu)化支護(hù)下頂板下沉速率、兩幫移近速率及巷道面積變化速率分別為1.6 mm2/d、1.4 mm2/d和5.17 mm2/d,兩幫收斂速率明顯下降。頂板下沉與兩幫移近的速率大體一致,拐點(diǎn)消失,整個(gè)曲線變化平滑,支護(hù)耦合效果較好,見圖6。由于減少了頂板的過度支護(hù),頂板下沉量略有上升,達(dá)到129 mm,但兩幫移近量下降為67 mm,減少53 mm,巷道面積縮量S減少為1 044 mm2,減少了575 mm2, 降幅達(dá)36%。優(yōu)化后的支護(hù)提升了頂板及兩幫的協(xié)同支護(hù)效果,減少了圍巖的松動(dòng)變形,提升了圍巖的自穩(wěn)能力,穩(wěn)定變形階段用時(shí)縮短了4 d,優(yōu)化后的支護(hù)方案減少錨索長(zhǎng)度0.8 m,減少錨桿長(zhǎng)度0.4 m,降低了支護(hù)成本,通過提升整體支護(hù)效果來對(duì)抗巷道局部變形是可行的。

        圖6 優(yōu)化支護(hù)觀測(cè)結(jié)果Fig. 6 Observation results of optimized support

        4 結(jié) 論

        (1)東保衛(wèi)煤礦41號(hào)層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷掘進(jìn)后,經(jīng)歷了急劇變形、緩慢變形和平穩(wěn)變形階段。支護(hù)承壓范圍內(nèi),原支護(hù)的頂板下沉和兩幫移近變化速率存在較大差異,頂板支護(hù)過剩,導(dǎo)致整體支護(hù)作用不協(xié)同。

        (2)深孔多點(diǎn)位移計(jì)對(duì)巷道離層的觀測(cè)可知,圍巖松動(dòng)范圍為1.0~1.5 m,屬于中松動(dòng)圈Ⅲ類一般圍巖。

        (3)優(yōu)化方案能夠使東保衛(wèi)煤礦41號(hào)層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷頂板積聚的能量及時(shí)耗散,使圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化狀態(tài),充分發(fā)揮圍巖的承載能力,改善應(yīng)力水平。

        (4)優(yōu)化的支護(hù)方案,使東保衛(wèi)煤礦41號(hào)層三采區(qū)右-660運(yùn)輸平巷頂板下沉量略有上升,但兩幫移近量明顯下降,巷道面積縮量降幅達(dá)36%,減少了圍巖的松動(dòng)變形,提高了巷道圍巖承載能力,巷道穩(wěn)定變形階段用時(shí)縮短了4 d,達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。

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