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        神角煤業(yè)斷層影響下巷道變形機(jī)理及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)研究

        2021-12-17 06:04:00郭奇才
        2021年12期
        關(guān)鍵詞:煤柱錨索斷層

        郭奇才

        (山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 神角煤業(yè)有限公司,山西 鄉(xiāng)寧 042103)

        1 工程概況

        神角煤業(yè)2107工作面位于井田北部的一采區(qū),沿傾向布置,工作面可采長度1 246 m,傾斜長度180 m。主采2號煤層,平均煤厚2.43 m,煤層傾角5~9°,煤層結(jié)構(gòu)簡單。2107運(yùn)輸巷沿2號煤層頂板掘進(jìn),頂板為粉砂巖,平均厚度4.14 m,底板為泥巖,平均厚度2.67 m。巷道原支護(hù)方案采用錨桿+錨索+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),頂板采用2.4 m長螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×1 200 mm,兩幫采用2 m長玻璃鋼錨桿,間排距1 300 mm×1 200 mm,支護(hù)斷面如圖1所示。

        圖1 運(yùn)輸巷原支護(hù)示意(mm)

        根據(jù)現(xiàn)場觀測,2107運(yùn)輸巷在1 430 m及1 449 m處揭露斷層,落差分別為1.5 m和2.8 m,在斷層影響下,煤層走高,使得巷道頂板出現(xiàn)一定厚度的頂煤并夾有泥巖,兩幫和底板為煤體或泥巖,整體強(qiáng)度較弱。巷道在斷層引起的構(gòu)造應(yīng)力和相鄰2105工作面采動應(yīng)力的雙重影響下發(fā)生了嚴(yán)重的變形破壞,部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了較大離層,原支護(hù)方案已無法保證巷道穩(wěn)定性,嚴(yán)重制約了后續(xù)正常生產(chǎn)。因此,本文以2107運(yùn)輸巷為研究對象,對斷層和采動雙重作用段巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)進(jìn)行研究。

        2 巷道變形機(jī)理分析

        2.1 斷層帶的影響

        斷層地質(zhì)構(gòu)造中分為上盤和下盤,二者受拉力或壓力作用產(chǎn)生錯位,往往蘊(yùn)藏有較大的能量,會導(dǎo)致周圍煤巖體產(chǎn)生較嚴(yán)重的塑性破壞。通過地應(yīng)力測試,2107運(yùn)輸巷垂直斷層走向穿過斷層帶,巷道與斷層主應(yīng)力關(guān)系如圖2所示。

        圖2 2107運(yùn)輸巷與斷層構(gòu)造應(yīng)力位置關(guān)系

        2107運(yùn)輸巷掘進(jìn)穿過斷層帶時,是由斷層上盤進(jìn)入下盤,最大垂直主應(yīng)力σ1作用于頂板,同時兩幫在水平集中應(yīng)力影響下,斷層首先對底板造成影響,巷道出現(xiàn)底鼓,因此需對底板進(jìn)行針對性加固;當(dāng)巷道穿過斷層破碎帶時,頂板承受較大垂直應(yīng)力,由于頂板較破碎且底板強(qiáng)度較低,巷道全斷面均產(chǎn)生較大變形,且此時頂板留有一定厚度頂煤,容易發(fā)生離層,需加強(qiáng)頂板支護(hù);巷道穿過斷層帶后,頂板為強(qiáng)度較大的粉砂巖,底板和兩幫則為強(qiáng)度較低的泥巖和煤體,此時垂直集中應(yīng)力通過頂板傳遞至底板和兩幫,使得底板和兩幫吸收能量發(fā)生較大的塑性破壞。

        通過FLAC3D模擬軟件對斷層附近垂直應(yīng)力分布和塑性破壞區(qū)進(jìn)行模擬分析(如圖3所示),斷層附近圍巖有明顯的應(yīng)力集中,同時,斷層上盤煤巖體的塑性破壞程度和范圍相對于下盤較大,將造成區(qū)段煤柱和煤柱側(cè)底板產(chǎn)生較大的變形破壞。

        2.2 工作面采動的影響

        2107運(yùn)輸巷首先受到相鄰2105工作面1次采動影響,隨著本工作面推進(jìn)受到2次采動影響,通過數(shù)值模擬分析了2105工作面回采后的支承壓力分布情況,如圖4所示,其側(cè)向支承壓力峰值為9.5 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)1.63,應(yīng)力峰值位于距采空區(qū)邊緣8 m處,且應(yīng)力增高區(qū)影響范圍為6~20 m。隨著2105工作面的回采,受采動影響,煤柱承受的支承壓力較大,加之?dāng)鄬訋У拇怪睉?yīng)力作用和塑性破壞,煤柱和煤柱側(cè)底板的變形破壞進(jìn)一步加重,因此,在2017工作面回采前必須對斷層帶影響區(qū)域巷道進(jìn)行針對性補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

        圖3 斷層附近垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況

        圖4 2105工作面回采后側(cè)向支承壓力分布曲線

        3 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案

        根據(jù)前面的分析,2107運(yùn)輸巷斷層影響帶的圍巖破壞特征主要表現(xiàn)為:頂煤破碎易離層、煤柱幫較實(shí)體煤幫變形嚴(yán)重、煤柱幫側(cè)底板底鼓量較大。需針對性地采用高強(qiáng)、高預(yù)緊力支護(hù)及非對稱性支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

        3.1 破碎圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)機(jī)理

        破碎煤巖體的承載能力將隨著應(yīng)變的增大逐漸減小,達(dá)到應(yīng)力峰值后仍具有一定的強(qiáng)度,表現(xiàn)為應(yīng)變軟化和殘余強(qiáng)度兩種特性。如不及時給予補(bǔ)強(qiáng)控制,隨著變形的增大,破碎圍巖將失去承載能力,緊靠煤巖間的摩擦力維持,極易造成巷道的冒頂和片幫。

        巷道破碎帶的煤巖體在掘進(jìn)后一直處于低圍壓狀態(tài),其殘余強(qiáng)度受圍壓影響明顯,采用高強(qiáng)度、高預(yù)緊力錨桿(索)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),可依靠其錨固的恒阻特性,適應(yīng)圍巖大變形的同時仍提供較大的支護(hù)阻力,迅速提高圍壓,從而使得破碎煤巖體的殘余強(qiáng)度保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi),從而控制巷道的變形破壞。另外,原支護(hù)方案為均勻?qū)ΨQ的形式,而斷層帶附近的破碎圍巖呈現(xiàn)出非對稱變形的特征,需加強(qiáng)對煤柱幫的非對稱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

        3.2 斷層帶巷道補(bǔ)強(qiáng)方案

        1) 斷層帶影響區(qū)域頂板為煤體時的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。由于煤層受斷層影響抬升,此時巷道頂板為一定厚度頂煤和泥巖,頂板在構(gòu)造應(yīng)力及采動應(yīng)力雙重作用下破碎程度更劇烈,需加強(qiáng)對頂板的支護(hù)。而原支護(hù)方案中,錨索的長度不足以錨固在破碎煤巖體以外的穩(wěn)定巖層上,無法充分發(fā)揮支護(hù)作用,因此提出加長錨索的主動支護(hù),并配合工字鋼架棚的被動支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)方案。

        頂板以及煤柱幫側(cè)均采用錨索梁支護(hù),頂錨索采用D17. 8 mm×7 300 mm的規(guī)格,間距2 000 mm,每排布置2根,通過2 600 mm的工字鋼梁連接,錨索梁排距為2 400 mm;煤柱幫錨索采用D17. 8 mm×5 000 mm的規(guī)格,間距1 500 mm。每排布置2根,通過2 100 mm的工字鋼梁連接,錨索梁排距為2 400 mm,補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面如圖5所示。

        圖5 頂板破碎段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面(mm)

        考慮到工字鋼架棚時施工不便,可適當(dāng)調(diào)整錨索間排距,調(diào)整范圍不超過150 mm。另外,2107工作面推進(jìn)至該段區(qū)域時,應(yīng)加快推進(jìn)速度,盡量減少二次采用應(yīng)力對圍巖的影響時間。

        2) 斷層帶影響區(qū)域頂板為粉砂巖時的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。該階段巷道圍巖的變形主要表現(xiàn)為煤柱幫壓縮變形和底鼓嚴(yán)重,需對煤柱幫和底板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),如圖6所示,在原支護(hù)煤柱幫側(cè)每排錨桿之間補(bǔ)打3根錨桿,底角錨桿向下傾斜30°,均采用D20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×1 200 mm,錨桿均加長錨固,并將預(yù)緊力提高至150 N·m。

        圖6 頂板堅硬段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案(mm)

        4 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

        為觀測分析補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對2107運(yùn)輸巷斷層附近圍巖的控制效果,在每個補(bǔ)強(qiáng)段的頂、底板及兩幫布置了觀測點(diǎn),采用“十字布點(diǎn)法”對圍巖表面的位移進(jìn)行觀測。由于斷層帶影響段巷道的主要變形破壞出現(xiàn)在煤柱幫和底板,因此主要對比分析補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前后的煤柱幫和底板的變形移近量,對比曲線如圖7所示。

        由圖7可知,采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案后,2107運(yùn)輸巷斷層附近煤柱幫的最大變形量由補(bǔ)強(qiáng)前的240 mm降低至40 mm,且變形趨于穩(wěn)定的時長由補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前的20 d左右減少至10 d左右;運(yùn)輸巷底板的最大變形量也由補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前的500 mm降低至80 mm,變形趨于穩(wěn)定的時長由25 d左右減少至13 d左右。現(xiàn)場觀測結(jié)果表明,提出的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案有效控制了斷層、采動雙重影響段巷道的變形破壞,滿足了本工作面的正常安全回采。

        圖7 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前后巷道圍巖位移對比曲線

        5 結(jié) 語

        1) 通過地質(zhì)力學(xué)及數(shù)值模擬分析了斷層構(gòu)造應(yīng)力及采動應(yīng)力影響下2107運(yùn)輸巷圍巖的變形破壞機(jī)理,相鄰2105工作面回采形成的側(cè)向支承壓力峰值高達(dá)9.5 MPa,應(yīng)力峰值系數(shù)達(dá)到了1.63,應(yīng)力增高區(qū)影響范圍大,而斷層帶附近煤巖體較為破碎,在支承壓力作用下,使得區(qū)段煤柱和煤柱側(cè)底板的變形破壞較為嚴(yán)重。

        2) 針對巷道變形破壞機(jī)理提出了非對稱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),現(xiàn)場觀測表明,采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案后,斷層帶附近巷道煤柱幫和底板的最大變形量分別由補(bǔ)強(qiáng)前的240 mm和500 mm降低至40 mm和80 mm,且圍巖穩(wěn)定時間明顯縮短,表明補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案有效改善了巷道的穩(wěn)定性,滿足了工作面安全回采需求。

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