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        松軟煤層上山巷道破壞特征與圍巖控制方法

        2021-03-07 12:20:08
        現(xiàn)代礦業(yè) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:幫部上山錨索

        樊 帆

        (中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院)

        軟巖巷道圍巖變形和控制一直是巷道支護(hù)的難點(diǎn)之一,當(dāng)巷道布置在松軟煤層中時(shí),由于其強(qiáng)度低,與此同時(shí)受到工作面動(dòng)壓的影響,導(dǎo)致巷道幫部極易發(fā)生破壞,從而影響礦井正常生產(chǎn)[1-2]。近年來(lái),在松軟煤層控制技術(shù)方面已取得很多研究成果。李兵[3]以五一煤礦為例,利用鉆孔窺視和數(shù)值模擬分析,對(duì)多次采動(dòng)壓力下松軟煤層的變形特征及機(jī)理進(jìn)行研究,針對(duì)礦井實(shí)際條件提出合理的支護(hù)設(shè)計(jì)。溫志東[4]針對(duì)趙莊煤業(yè)13112順槽掘進(jìn)后幫部嚴(yán)重變形問(wèn)題,通過(guò)理論分析對(duì)順槽變形原因及加固機(jī)理進(jìn)行研究,認(rèn)為其變形破壞的主要原因是煤層強(qiáng)度低,高應(yīng)力環(huán)境及支護(hù)強(qiáng)度不足,并提出注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案,現(xiàn)場(chǎng)加固效果良好。程建業(yè)[5]基于新鄭煤電公司煤層巷道在高應(yīng)力條件下難以維護(hù)的問(wèn)題,提出高應(yīng)力松軟煤層巷道破壞是圍巖自承能力逐步喪失的過(guò)程,采用主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的方式可以使圍巖始終具有一定的自承能力。本項(xiàng)目針對(duì)范各莊礦3281上山松軟煤層地質(zhì)條件下巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題,利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析的方法,對(duì)松軟煤層巷道破壞特點(diǎn)及機(jī)理進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上,提出注漿錨索加固的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

        1 工程概況

        3281上山服務(wù)于8號(hào)煤層3281S、3283S、3285S工作面的開采,巷道沿東西走向布置,3281S工作面已經(jīng)開采完畢,3283S工作面正在回采中。其中3281S西部大部分區(qū)域上覆3271S采空區(qū)。3271S采空區(qū)停采線位置在3281上山北部處15 m。采掘布置如圖1所示。

        圖1 采掘布置平面(單位:m)

        3281上山巷道斷面形狀為直墻半圓拱形,巷道凈寬4.5 m,凈高2.6 m。上山巷道沿煤層底板布置,煤層厚度為1.3 m,平均抗壓強(qiáng)度為8.65 MPa,巷道頂板為粉砂巖,厚度2.95 m,平均抗壓強(qiáng)度為39 MPa,上部深灰色,質(zhì)地均一,細(xì)膩,含植物化石。下部局部發(fā)育灰白色細(xì)砂巖,塊狀,堅(jiān)硬,含炭化薄膜。底板為粉砂巖—細(xì)砂巖—粉砂巖,粉砂巖灰黑色,質(zhì)地均一,細(xì)砂巖灰白色,堅(jiān)硬,硅質(zhì)膠結(jié)。

        2 巷道圍巖破壞模式分析

        2.1 巷道表面位移觀測(cè)

        為研究3281上山巷道變形特點(diǎn),在3281S工作面回采期間,對(duì)3281上山巷道進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè),選取其中具有代表性的測(cè)點(diǎn)(圖2),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        圖2 3281上山巷道變形特征

        由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,4個(gè)測(cè)點(diǎn)中,除了2#測(cè)點(diǎn),均表現(xiàn)出底鼓量>正幫變形量>副幫變形量>頂板下沉量。具體變形特點(diǎn)如下。

        巷道底鼓表現(xiàn)最為明顯,最大底鼓量介于220~600 mm之間,其中2#測(cè)點(diǎn)底鼓量最小,4#測(cè)點(diǎn)底鼓量最大。由監(jiān)測(cè)時(shí)間來(lái)看,在0~30 d監(jiān)測(cè)初期,巷道底鼓變化迅速,3個(gè)測(cè)點(diǎn)底鼓量大于300 mm,在30~50 d監(jiān)測(cè)中期,巷道底鼓趨勢(shì)變緩,并有穩(wěn)定趨勢(shì),在監(jiān)測(cè)末期,巷道底鼓量緩慢增加,趨于穩(wěn)定。

        幫部變形相對(duì)較大,從變形量大小來(lái)看,正幫變形量大于副幫,正幫變形量介于240~360 mm,副幫變形量介于100~220 mm。對(duì)1#、2#、4#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn),監(jiān)測(cè)初期,0~17 d,正副幫變形量接近,兩者差異較小,隨著時(shí)間增加,兩者變形量差異變大,最終表現(xiàn)為正幫變形量大于副幫。

        頂板變形量最小,4個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板最大變形量均小于100 mm,造成該現(xiàn)象的主要原因是巷道頂板圍巖強(qiáng)度高,且上山巷道采用錨桿、索和架棚共同支護(hù),支護(hù)強(qiáng)度較高,導(dǎo)致頂板變形量最小。

        2.2 巷道松動(dòng)圈發(fā)育情況

        為確定幫部圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況,利用鉆孔窺視儀3281上山幫部圍巖進(jìn)行探測(cè)(圖3),鉆孔深度8 m,鉆孔直徑28 mm。根據(jù)鉆孔窺視可得:距離幫部0~1.3 m的淺部位置圍巖破碎,存在較多離層裂隙,破壞嚴(yán)重;在1.3~2.5 m之間,裂隙發(fā)育,局部存在離層裂隙,但裂隙大小明顯小于淺部;在2.5 m以深的圍巖深部,孔壁粗糙,裂隙主要表現(xiàn)為小裂隙,到3.6 m時(shí),孔壁趨于光滑,未發(fā)現(xiàn)裂隙。

        圖3 鉆孔窺視截圖

        3 巷道圍巖破壞的力學(xué)機(jī)理

        3.1 巷道力學(xué)模型

        3281軌道上山斷面形狀為直墻半圓拱形,依據(jù)等效開挖理論,可將直墻半圓拱形斷面等效為圓形巷道進(jìn)行分析,巷道模型如圖4所示。

        圖4 圓形巷道力學(xué)模型

        巖體由彈性進(jìn)入塑性平衡條件時(shí),極限平衡條件為

        (1)

        極限平衡區(qū)靜力平衡方程為

        (2)

        當(dāng)不考慮支護(hù)作用時(shí):根據(jù)彈性力學(xué)及摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可得,雙向等壓條件下圓形巷道周邊切向應(yīng)力σθ和徑向σr應(yīng)力分布如下。

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        由于圓形巷道切向方向上彈塑性邊界相同,聯(lián)立上式可得

        (7)

        (8)

        考慮支護(hù)作用時(shí),則(7)、(8)可改寫為

        (9)

        (10)

        3.2 巷道破壞機(jī)理分析

        為了研究不同因素對(duì)巷道破壞和變形的影響,分別對(duì)埋深、圍巖強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。其中選取現(xiàn)場(chǎng)煤層及頂?shù)装?種巖樣參數(shù),煤、粉砂巖和細(xì)砂巖,以此進(jìn)行理論研究,使其結(jié)果更能反映現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征。參數(shù)選取如表1。

        表1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

        為分析巷道埋深對(duì)圓形巷道破壞范圍和變形的影響,控制支護(hù)強(qiáng)度pi=0.2 MPa,分別設(shè)置埋深為200、400、600、800、1 000、1 200 m,3種巖性條件下圓形巷道塑性區(qū)范圍和位移如圖5、圖6。

        由圖5可知,3種巖性條件下,圍巖塑性區(qū)范圍均隨著埋深增加而增加,其變化趨勢(shì)均接近于直線,由此可見,巷道塑性區(qū)范圍受埋深影響較大,3種巖性中,由于煤的強(qiáng)度最低,其變化趨勢(shì)最大,其次分別為細(xì)砂巖和粉砂巖。在圖6中,3種巖性條件下,變形量并未表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)趨勢(shì),隨著埋深增加,增長(zhǎng)趨勢(shì)越來(lái)越快,其中,煤的變形量增加速度最快,埋深從200 m增加至1 200 m時(shí),變形量由5.23 m增加至292.36 mm。而粉砂巖和細(xì)砂巖位移變化趨勢(shì)較為平緩,200 m時(shí),變形量分別為1.39和1.10 mm,1 200 m時(shí),變形量?jī)H增加40.91和42.77 mm。3281上山巷道頂板為粉砂巖,底板為細(xì)砂巖,兩幫為煤,埋深約為700 m,依據(jù)以上分析,在相同條件下,3281兩幫抵抗變形能力明顯弱于頂?shù)装濉?/p>

        圖5 埋深對(duì)塑性區(qū)的影響

        圖6 埋深對(duì)巷道變形的影響

        為研究支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道破壞和變形的影響,取埋深為700 m,分別設(shè)置支護(hù)強(qiáng)度pi為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa,不同巖性條件下巷道塑性區(qū)范圍和位移如圖7、圖8。

        圖7 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)塑性區(qū)的影響

        由圖7分析可得,3種巖性條件下,巷道塑性區(qū)大小均隨著支護(hù)強(qiáng)度增加呈減小趨勢(shì),其中,當(dāng)圍巖為煤時(shí),隨著支護(hù)強(qiáng)度由0.2 MPa增加為1.0 MPa塑性區(qū)范圍減小了12.92%,而在粉砂巖和細(xì)砂巖條件下,塑性區(qū)半徑減少幅度相對(duì)較少,分別為9.41%,和9.01%。由圖8可得,支護(hù)強(qiáng)度增加,3種巖性下,其變形量均呈現(xiàn)直線減小趨勢(shì),其中,隨著支護(hù)強(qiáng)度增加,煤的位移變化趨勢(shì)最明顯,粉砂巖和細(xì)砂巖變形量基本未發(fā)生變化,可見在該地質(zhì)條件下,增加支護(hù)強(qiáng)度,對(duì)煤的變形控制效果較明顯。

        圖8 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道變形的影響

        4 巷道圍巖控制技術(shù)

        根據(jù)上述分析,3281上山主要變形區(qū)域?yàn)橄锏赖装?,其次為巷道兩幫,巷道底鼓主要由于上山巷道沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn),圍巖強(qiáng)度相對(duì)較低,未進(jìn)行支護(hù),從而使底板變形量大,幫部變形則由于煤體抗變形能力差和支護(hù)強(qiáng)度不足造成。在巷道力學(xué)模型中,相同深度下,煤體變形量明顯大于頂?shù)装鍑鷰r,且對(duì)支護(hù)強(qiáng)度更加敏感,所以應(yīng)考慮增大幫部煤體的支護(hù)強(qiáng)度來(lái)抑制巷道幫部變形。

        為了保證幫部圍巖的穩(wěn)定性,針對(duì)3281上山巷道提出使用注漿錨索的補(bǔ)強(qiáng)加固方案,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)主要考慮以下幾點(diǎn)。

        (1)保證錨索端錨強(qiáng)度可靠。由于巷道幫部為強(qiáng)度較低的煤體,破壞嚴(yán)重,使用錨索支護(hù)時(shí),若將錨索直接錨固在煤層中,可能造成錨索端錨強(qiáng)度較低,且可靠性差,為了保證錨索端部有可靠的著力點(diǎn),將錨索錨固端設(shè)置在頂?shù)装鍑鷰r中。

        (2)保證錨索長(zhǎng)度可靠。3281上山巷道受到多次采動(dòng)影響的作用,破壞范圍越來(lái)越大,為保證錨索支護(hù)范圍大于破壞范圍,綜合考慮現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件,采用6.3 m注漿錨索進(jìn)行支護(hù)。

        (3)增大支護(hù)強(qiáng)度。適當(dāng)加強(qiáng)注漿錨索的支護(hù)密度,合理配比漿液濃度,使圍巖在漿液作用下形成一個(gè)整體。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖9。

        圖9 錨注補(bǔ)強(qiáng)加固方案斷面(單位:mm)

        5 結(jié) 論

        (1)由表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,3281上山主要變形區(qū)域是底板,其次為幫部,正幫變形量大于副幫。

        (2)通過(guò)巷道力學(xué)模型分析,相同條件下,圍巖為煤時(shí),塑性區(qū)范圍和變形量都大于其他2種巖性,增大支護(hù)強(qiáng)度,對(duì)煤的變形控制效果明顯。

        (3)依據(jù)以上分析,提出注漿錨索加固的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

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