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        長平煤礦陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征及巷道支護(hù)技術(shù)

        2021-10-22 06:18:26金成成
        煤礦現(xiàn)代化 2021年5期
        關(guān)鍵詞:圍巖變形區(qū)域

        金成成

        (晉煤集團(tuán)長平公司,山西 高平 048400)

        0 引言

        煤巖體是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)體。與其它工程材料相比,它具有兩大特點(diǎn)[1-2]:其一是煤巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面,如節(jié)理、裂隙等,這些不連續(xù)面顯著改變了巖體的強(qiáng)度特征和變形特征,致使巖塊與巖體的強(qiáng)度相差懸殊;其二是煤巖體含有內(nèi)應(yīng)力,地應(yīng)力場的大小和方向都顯著影響著圍巖的變形和破壞。隨著現(xiàn)代礦井逐漸向深部延伸,巖體所處的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,巷道在區(qū)域地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造作用下的局部地應(yīng)力影響下,巷道圍巖條件更加復(fù)雜也能難支護(hù)。

        1 工程概述

        山西長平煤礦是晉城煤業(yè)集團(tuán)一個(gè)現(xiàn)代化礦井,目前礦井主采3號(hào)煤層。井田地層傾角平緩,褶曲幅度不大,井田范圍內(nèi)較大的斷層主要為李家河正斷層、西溝村北正斷層、安家村西正斷層,斷層落差均在10 m以上,礦井盤區(qū)設(shè)計(jì)均已考慮避讓;落差10 m以下的小型斷層、陷落柱比較發(fā)育,同時(shí)2~5 m落差斷層分布廣泛,而落差在5~10 m的斷層對(duì)煤巖體的影響范圍較大,地應(yīng)力場不僅發(fā)生變化,同時(shí)其附近常常衍生有小斷層群,給礦井采掘活動(dòng)造成了較大的影響。文章以長平礦4321工作面范圍內(nèi)揭露的陷落柱D X214、斷層為工程載體。

        2 陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征

        2.1 理論計(jì)算

        根據(jù)現(xiàn)場陷落柱圍巖破壞特征,將陷落柱截面作為圓形模型考慮,將其周邊一定區(qū)域巖體分為破碎區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)彈塑性力學(xué)相關(guān)知識(shí)可以得到如圖1所示的陷落柱周邊應(yīng)力分布特性[3-4]。

        圖1 陷落柱周邊應(yīng)力分布曲線

        長平礦3號(hào)煤覆存埋深在500 m,煤抗拉強(qiáng)度0.5 MPa,頂?shù)装鍑鷰r以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主,抗拉強(qiáng)度分別為:0.9、1.5、6.2 MPa,取上覆巖層容重為25 k N/m3,經(jīng)現(xiàn)場鉆探得陷落柱D X214半徑為50 m,由此得出陷落柱周邊最大剪切向應(yīng)力為:

        故可判定長平礦3號(hào)煤陷落柱周邊均存在一定范圍的破碎區(qū)、塑性應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。

        根據(jù)彈塑性力學(xué)可以得到塑性區(qū)半徑R:

        式中:ra為陷落柱的半徑,PO為水平應(yīng)力,q為垂直應(yīng)力,Pi為陷落柱柱體對(duì)柱體邊界的支撐力,式中ε取值為:ε=1+sin?/1-sin?。通過計(jì)算,可得出陷落柱D X214塑性區(qū)范圍為9.9 m,應(yīng)力升高區(qū)范圍為15 m。

        2.2 數(shù)值模擬

        通過F LAC3D數(shù)值模擬軟件,對(duì)陷落柱周邊應(yīng)力分布進(jìn)行驗(yàn)證模擬,給出陷落柱應(yīng)力分布4個(gè)區(qū)域。

        圖2 中,(a)、(b)云圖中同一水平線上的柱體內(nèi)應(yīng)力值均低于柱體外圍,垂直應(yīng)力柱體內(nèi)外差異較大,而水平應(yīng)力值柱體內(nèi)外差異則較??;垂直應(yīng)力從模型的頂部往下應(yīng)力值依次增大,柱體邊界由內(nèi)到外應(yīng)力逐漸增大,形成應(yīng)力升高區(qū),隨著距離的增大,柱體邊界外圍巖體應(yīng)力值趨于平緩,恢復(fù)原巖應(yīng)力。由此驗(yàn)證了陷落柱體圍巖塑形應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)的存在。

        圖2 正楔形陷落柱垂直與水平應(yīng)力云圖

        3 過陷落柱巷道支護(hù)技術(shù)

        3.1 陷落柱區(qū)域巷道破壞特征

        通過現(xiàn)場調(diào)研、實(shí)測,分析,得出陷落柱區(qū)域內(nèi)巷道破壞特征:①變形的破壞方式較多,有破碎帶巷道頂板下沉、巷幫片幫等;②巷道變形量大,巷道圍巖應(yīng)力釋放速率快[5],且處于較長時(shí)間,其主要表現(xiàn)在巷道頂?shù)装逡平俣?、巷道兩幫移近的速度,且巷道圍巖自穩(wěn)時(shí)間較長;③陷落柱構(gòu)造破碎帶圍巖變形破壞表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性,巷道圍巖的變形及破壞無對(duì)稱性,無法做出精準(zhǔn)的預(yù)測;④陷落柱松散圍巖與支護(hù)體相互作用后,破碎帶圍巖變形不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)停下來,圍巖變形表現(xiàn)出較強(qiáng)的流變性。

        3.2 陷落柱區(qū)域巷道支護(hù)技術(shù)

        以43101巷工作面穿過D X214陷落柱為例,說明巷道穿越陷落柱時(shí)的支護(hù)。

        1)注漿加固圍巖:采用的為聯(lián)邦雙液注漿材料,2種漿液混合后凝固時(shí)間為3~10 min,凝固后1~8 h內(nèi)漿液巖體強(qiáng)度可達(dá)到8~15 MPa以上,注漿的壓力選取10~15 MPa,為了能使?jié){液完全擴(kuò)散到破碎孔隙中,超前預(yù)注漿加固巷道頂板采用拱形布孔,形成拱形殼體圍巖結(jié)構(gòu),頂板、兩幫及底板鉆孔離巷道輪廓線均為0.5 m,在工作面迎頭距離頂板下0.5 m處,布置一排5個(gè)鉆孔,間距1 m,兩側(cè)孔外斜角度7°、仰角4°,中間孔仰角10°,水平布置;在工作面迎頭中部布置一排3個(gè)鉆孔,兩側(cè)孔外斜角7°,中間孔0°,水平布置無傾角;在距離工作面迎頭底板往上0.5 m處布置一排3個(gè)鉆孔,兩側(cè)孔外斜角6°、傾角-6°,中間孔0°、傾角-10°。

        注漿采用分段前進(jìn)式超前注漿施工工藝。分段前進(jìn)式深孔超前注漿是鉆、注交替作業(yè)的一種注漿方式,按照設(shè)計(jì)要求,每循環(huán)加固長度為20 m,后續(xù)注漿段均預(yù)留2 m注漿巖層,用來保障鉆孔的施工安全。鉆孔布置如圖3所示。

        圖3 超前注漿施工剖面圖

        2)巷道支護(hù)參數(shù):頂板采用2-0-2方式布置6.3 m錨索,錨桿間排距均為1.0 m;巷幫采用間距0.9 m、排距1.0 m的錨桿支護(hù),具體參數(shù)見圖4。

        圖4 43101巷原始支護(hù)參數(shù)

        4 礦壓觀測

        圖5為43101巷過陷落柱圍巖變形觀測的2個(gè)測站數(shù)據(jù),測點(diǎn)1、2巷道圍巖變形規(guī)律基本相同,支護(hù)初期巷道頂板下沉量、兩幫移進(jìn)量均較大且變形速率較快,在24 d時(shí)圍巖變形基本趨于穩(wěn)定,頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在191 mm,兩幫移近量穩(wěn)定在121 mm。表明超預(yù)注漿+錨索網(wǎng)支護(hù)+架棚支護(hù)方案能夠使巷道安全地通過陷落柱構(gòu)造帶,效果較好。

        圖5 43101過陷落柱區(qū)域巷道圍巖變形量觀測

        5 結(jié)語

        通過理論分析、數(shù)值模擬得出陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征,即應(yīng)力分布的4個(gè)區(qū),破碎區(qū)、塑性應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū),根據(jù)長平礦3號(hào)煤圍巖力學(xué)參數(shù)得出長平礦陷落柱區(qū)域巖體必然存在上述4個(gè)區(qū)域,同時(shí)給出了塑性區(qū)半徑的理論計(jì)算公式。

        通過現(xiàn)場調(diào)研,給出了長平礦巷道過陷落柱圍巖破壞特征,利用超前預(yù)注漿技術(shù),以及合理的錨網(wǎng)索支護(hù),有效提高了過陷落柱巷道圍巖穩(wěn)定,為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。

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