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        多次采動(dòng)影響下高應(yīng)力煤巷圍巖控制技術(shù)

        2021-08-17 10:25:32齊紅霞許志軍楊舜超
        煤炭工程 2021年8期
        關(guān)鍵詞:采動(dòng)強(qiáng)力桁架

        齊紅霞,許志軍,楊舜超,葉 蘭

        (1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 3.應(yīng)急管理部信息研究院,北京 100029)

        近年來隨著我國煤礦開采范圍和強(qiáng)度的不斷增大,復(fù)雜困難煤巷數(shù)量也相應(yīng)不斷增多,包括多次采動(dòng)[1,2]、軟弱頂板[3,4]、特大斷面等[5]類型,直接影響礦井的采掘銜接和安全生產(chǎn)等,成為現(xiàn)場亟需解決的問題之一,本文主要針對多次采動(dòng)應(yīng)力影響下煤巷圍巖穩(wěn)定性控制開展研究。圍繞采動(dòng)煤巷圍巖控制方面,喬元棟等[6]針對小紀(jì)汗煤礦11215 回風(fēng)巷在二次采動(dòng)影響下全斷面劇烈收斂問題,提出差異化巷道圍巖支護(hù)技術(shù),采用“長錨索、高預(yù)應(yīng)力錨索+鋼帶”聯(lián)合差異化控制;何滿潮等[7]提出采用恒阻大變形錨桿控制技術(shù);Wang等[8]、劉國磊等[9]針對深部高應(yīng)力動(dòng)壓巷道,提出采用方鋼(鋼管)混凝土支架進(jìn)行支護(hù);余偉健等[10]提出預(yù)應(yīng)力錨索、錨噴網(wǎng)和注漿綜合控制技術(shù);何宗禮[11]等提出采用預(yù)應(yīng)力協(xié)同支護(hù)技術(shù);袁超[12]提出采用以可接長錨桿、剛性長螺紋鋼錨桿、錨網(wǎng)、W 鋼帶、噴射混凝土為主體,可接長錨桿強(qiáng)化頂板的綜合控制技術(shù);于洋等[13]在巷道圍巖鉆孔卸壓的基礎(chǔ)上,提出圍巖分區(qū)支護(hù);龍景奎[14]針對深部高應(yīng)力軟巖巷道高圍壓、大變形和難控制問題,提出協(xié)同錨護(hù)支護(hù)體系。上述研究學(xué)者針對高應(yīng)力或采動(dòng)巷道變形特征提出了不同的控制技術(shù),但對于多次采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)域條件下掘進(jìn)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制研究較少。

        中興煤礦1209材料巷掘進(jìn)前所在區(qū)域先后經(jīng)歷上覆10209工作面回采影響,鄰側(cè)1411工作面回采影響,屬于典型的多次采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)域煤巷,調(diào)研發(fā)現(xiàn)在該巷道掘進(jìn)過程中圍巖呈現(xiàn)全斷面變形現(xiàn)象,支護(hù)系統(tǒng)受到較嚴(yán)重破壞。

        1 工程概況

        1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

        中興煤礦1209工作面位于一采區(qū)北翼,走向長1252m,傾向長1段163m、2段151m,北面為安則村保安煤柱線,南面為一采回風(fēng)巷、一采東軌道大巷、東運(yùn)輸巷,東面為1207工作面,西面為1411采空區(qū)。1411采空區(qū)正上方為1211采空區(qū),1209工作面布置如圖1所示。

        圖1 1209工作面布置

        1209綜采工作面布置在4#煤層,4#煤位于山西組下部,平均煤厚2.35m,煤層結(jié)構(gòu)較簡單,含夾矸1~2層,直接頂為頁巖、砂質(zhì)頁巖互層,直接底為0.5m炭質(zhì)泥巖,基本底為淺灰色細(xì)粒砂巖,厚度為1~3.5m;煤質(zhì)屬中灰、低中硫的瘦煤、焦煤,煤層平均傾角7°。

        1209材料巷原支護(hù)參數(shù)如下:頂錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,規(guī)格?22mm×2400mm,每孔使用樹脂錨固劑K2335和Z2360各一根,間排距975mm×1000mm,每排5根錨桿;頂板錨索采用?21.6mm×7300mm鋼絞線,間排距2000mm×1600mm。巷幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,規(guī)格?20mm×2200mm,錨桿布置3根/排,間排距900mm×800mm,每孔使用1根Z2335樹脂錨固劑。

        1.2 巷道異常礦壓顯現(xiàn)特征

        1209材料巷掘進(jìn)過程中巷道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞嚴(yán)重,出現(xiàn)“前掘后修”的被動(dòng)局面,在1209工作面回采前累計(jì)返修達(dá)4~5次。選擇在1209材料巷距巷道開口275m處巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖2所示,由圖2可得:巷道在掘進(jìn)過程中圍巖呈全斷面變形,頂?shù)装逡平砍^1.8m,兩幫回縮量達(dá)1.1m;采取增加錨索數(shù)量、安裝工字鋼、挖底等返修措施,控制效果均不明顯;巷道在前6個(gè)月時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷多次挖底,其中單次挖底最大深度為300mm,但巷道仍變形劇烈,在返修后一段時(shí)間巷道再次出現(xiàn)整體變形。另外,巷道圍巖階段性變形特征明顯,頂?shù)装咫S時(shí)間呈不穩(wěn)定變化狀態(tài)。

        圖2 1209材料巷典型測點(diǎn)圍巖變形量

        2 多次采動(dòng)下煤巷圍巖應(yīng)力變化特征

        中興煤礦煤巷圍巖強(qiáng)度較低,尤其在受多次采動(dòng)的影響下,圍巖變形量和破壞范圍更大。巷道開挖前,巖體受到三向壓應(yīng)力處于受力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。巷道開挖后,應(yīng)力重新分布,利用FLAC3D軟件模擬分析1209材料巷在1211、1411和10209工作面開采后的垂直應(yīng)力變化特征。

        2.1 數(shù)值模擬模型的建立

        結(jié)合工作面現(xiàn)場鉆孔資料和多次采動(dòng)的背景條件,建立三維數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=500m×400m×290m,模型主要由位移邊界和應(yīng)力邊界組成,兩邊固定水平位移,底邊固定垂直位移,模型頂部施加等效于上覆巖層自重的均布載荷7.82MPa;模型的尺寸和邊界條件設(shè)置如圖3所示。該模型選取摩爾庫倫模型,數(shù)值模擬的巖層參數(shù)見表1。

        圖3 數(shù)值模型尺寸及邊界設(shè)置

        表1 計(jì)算模型中煤巖層力學(xué)參數(shù)

        2.2 模擬結(jié)果分析

        模型先進(jìn)行1211工作面的開挖,開挖后進(jìn)行計(jì)算至平衡;再對10209和1411工作面開采,開采高度分別為2#和4#煤層的高度為1.3m和2.4m,設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測線,提取其應(yīng)力值進(jìn)行分析。

        模擬計(jì)算得到1211、1411、10209工作面回采后垂直應(yīng)力分布云圖,如圖4所示。由圖4(a)可得1211工作面開采后在工作面兩側(cè)形成應(yīng)力增高區(qū),但對1209材料巷圍巖應(yīng)力影響相對較小;由圖4(b)得出1411工作面和10209工作面開采后,在兩個(gè)工作面煤柱側(cè)應(yīng)力急劇增高形成應(yīng)力增高區(qū)。

        圖4 不同工作面開采后垂直應(yīng)力分布

        煤柱內(nèi)不同水平距離時(shí)垂直應(yīng)力變化特征如圖5所示,由圖5可得,1211、 1411和10209工作面開采后,隨著1209材料巷煤柱側(cè)煤幫中點(diǎn)與1411采空區(qū)距離增加,垂直應(yīng)力呈先增高后降低變化過程,垂直應(yīng)力峰值達(dá)29.9MPa,距1411采空區(qū)煤柱側(cè)18m;1209材料巷所處區(qū)域距1411采空區(qū)煤柱側(cè)27m,垂直應(yīng)力達(dá)到23.6MPa。

        圖5 煤柱內(nèi)不同水平距離時(shí)垂直應(yīng)力變化特征

        3 多次采動(dòng)影響煤巷控制技術(shù)

        針對多次采動(dòng)下應(yīng)力疊加致1209材料巷圍巖處于高應(yīng)力區(qū)域的復(fù)雜條件,提出以頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)為核心的控制方案。該方案采用頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)維護(hù)巷道,形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中,頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,具體包括三種小結(jié)構(gòu),即結(jié)構(gòu)I:由直徑為21.6mm的大直徑長錨索和特制聯(lián)接器構(gòu)成;結(jié)構(gòu)Ⅱ:主要由直徑為21.6mm的大直徑短錨索、槽鋼和錨索鎖具構(gòu)成;結(jié)構(gòu)Ⅲ:主要由頂板大直徑長錨索和巷道兩幫上部大直徑短錨索構(gòu)成;結(jié)構(gòu)Ⅳ:主要由巷道兩幫下部大直徑短錨索構(gòu)成。

        圖6 頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)

        頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)控制巷道機(jī)理可簡要概括為“雙向施力、長軟抗剪、線型承載、錨固點(diǎn)穩(wěn)、變形閉鎖”五條準(zhǔn)則[15,16]。頂板強(qiáng)力錨索桁架支護(hù)系統(tǒng)是將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),采用高預(yù)拉力對拉并鎖緊兩根大直徑鋼絞線,直接作用于頂板淺部的圍巖,提供水平預(yù)應(yīng)力改善頂板的應(yīng)力狀態(tài),強(qiáng)化低位巖體的力學(xué)性能和提高其抗變形性能,控制層狀頂板的不協(xié)調(diào)變形;幫強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)控制作用類似,通過頂幫雙錨索桁架系統(tǒng)的協(xié)同作用,有效控制高應(yīng)力巷道圍巖的整體變形。

        4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

        4.1 支護(hù)方案和參數(shù)

        1209材料巷斷面為矩形布置,巷道斷面寬×高=4.2m×2.8m,綜合理論分析、數(shù)值模擬、工程類比及現(xiàn)場觀測等方法,確定了頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)支護(hù)于一體的組合支護(hù)方案具體參數(shù),如圖7所示。

        圖7 1209材料巷頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架支護(hù)布置(mm)

        1)頂板支護(hù)。頂板的錨索支護(hù)為強(qiáng)力錨索桁架和單體強(qiáng)力錨索聯(lián)合支護(hù),強(qiáng)力錨索桁架結(jié)構(gòu)中錨索的排距為1.6m,在每兩排強(qiáng)力錨索桁架結(jié)構(gòu)之間打一排單體錨索,單體錨索排距為1.6m。單體錨索采用?21.6mm的1×7絲高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨索眼深8m,錨索長度8.3m,鉆孔直徑28mm,樹脂加長錨固,錨固藥卷采用四支?23mm×550mm的中速樹脂藥卷,錨固長度為2250mm,錨索的預(yù)緊力不得低于200kN。錨索排距為800mm,每排布置2根錨索,間距為800mm。強(qiáng)力錨索桁架采用?21.6mm的1×7絲高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨索長度為9.4m,錨索眼深8m,鉆孔直徑28mm,采用四支?23mm×550mm的中速樹脂藥卷,錨固長度為2250mm。強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)的底部跨度為2.1m,錨索孔口距煤幫1050mm,錨索鉆孔與鉛垂線的夾角為20°,預(yù)緊力不得低于200kN。

        2)巷幫支護(hù)。巷道兩幫采用錨桿(索)、金屬網(wǎng)、鋼帶(槽鋼)組合支護(hù)。采用?21.6mm的1×19絲高強(qiáng)度高延伸率預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨索長度為5.3m,錨索眼深5.0m,鉆孔直徑28mm,錨固長度為2250mm。幫錨索排距為1600mm,每排兩根單體錨索用槽鋼連接。兩根幫錨索孔口距離為1.2m,上位錨索孔口距頂板1.0m。

        4.2 支護(hù)效果監(jiān)測

        為了分析1209材料巷掘進(jìn)過程礦壓顯現(xiàn)以及檢驗(yàn)頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)的控制效果,需要對試驗(yàn)段巷道圍巖開展礦壓觀測。

        1)巷道圍巖表面位移曲線如圖8所示,由圖8可以得出,在觀測的兩個(gè)月中,1209材料巷試驗(yàn)區(qū)域斷面收斂率很小,頂板下沉量小于79mm,兩幫移近量小于191mm,對多次采動(dòng)影響下巷道的變形控制起到了顯著成效。

        2)從現(xiàn)場支護(hù)效果來看,觀測的兩個(gè)月中巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,現(xiàn)場未挖底,未增加錨索等加強(qiáng)支護(hù)以及其他類似返修加強(qiáng)支護(hù)工作,大幅節(jié)約了返修成本,減小了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,有效保障了1209綜采工作面安全高效開采。

        圖8 巷道圍巖表面位移曲線

        5 結(jié) 論

        1)多次采動(dòng)條件下高應(yīng)力煤巷變形特征表現(xiàn)為:呈全斷面變形、階段性變形特征顯著、傳統(tǒng)挖底擴(kuò)幫加固后巷道穩(wěn)定時(shí)間相對較短,仍呈現(xiàn)大變形過程。

        2)數(shù)值模擬分析得出多次采動(dòng)后1209材料巷位置為高應(yīng)力區(qū)域,垂直應(yīng)力達(dá)23.6MPa。

        3)提出多次采動(dòng)條件下掘進(jìn)煤巷1209材料巷的控制方案,即:頂幫雙強(qiáng)力錨索桁架系統(tǒng)-單體錨桿(索)-頂板(幫)鋼帶-槽鋼-金屬網(wǎng)組合支護(hù)系統(tǒng)。

        4)現(xiàn)場試驗(yàn)得出巷道典型監(jiān)測點(diǎn)頂板和兩幫最大變形量分別為79mm和191mm,巷道變形量較小,有效保障了多次采動(dòng)條件下高應(yīng)力煤巷圍巖的穩(wěn)定。

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