復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制研究＊

趙國貞馬占國馬繼剛潘銀光蘭 天

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院,江蘇省徐州市,221008)

復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制研究＊

趙國貞1,2馬占國1,2馬繼剛1,2潘銀光1,2蘭 天1,2

(1.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008;2.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院,江蘇省徐州市,221008)

針對小煤柱動壓巷道圍巖的力學環(huán)境和支護特點,在分析巷道上覆巖層結構和巷道圍巖結構穩(wěn)定性的基礎上,建立沿空巷道圍巖穩(wěn)定性分析模型,通過相似試驗、數(shù)值計算和工業(yè)性試驗,研究了復雜條件下小煤柱動壓巷道的圍巖變形規(guī)律。結果表明,對小煤柱分階段注漿加固,可增強煤柱的承載能力,從而達到減小巷道變形、增強巷道圍巖穩(wěn)定性的目的。工業(yè)性試驗效果顯著,巷道圍巖變形得到明顯控制。

動壓巷道 圍巖變形 小煤柱 巷道支護 注漿加固

目前,煤礦井下高應力區(qū)、采動影響下巷道支護方式、支護參數(shù)的確定是一個世界性難題,尤其在既是高應力區(qū)又是小煤柱的掘進巷道支護難度更大。現(xiàn)在國內外普遍采用加大支護密度、錨架聯(lián)合支護、卸壓等方式來控制小煤柱動壓巷道變形,力求減少巷道使用過程中的破壞變形量,但效果不是很理想,在巷道服務年限內仍需要多次翻修。雖然近年來隨著錨網(wǎng)索支護技術的推廣,在支護強度上有了很大的提高,支護效果顯著改善,但仍未徹底解決此問題。為此,提出采用注漿材料和注漿錨桿支護方式加固巷道圍巖,增加圍巖自身承載能力,此技術在支護理論上是先進的,在材料、設備供應、施工工藝上已有成功的先例。本文結合煤礦的具體條件,采用注漿錨桿支護技術對復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制技術做進一步研究,探求巷道圍巖變形規(guī)律,為巷道圍巖控制奠定基礎。

1 工程概況

潞安礦業(yè)集團王莊煤礦6204工作面東側是6202未采工作面,西側是6206工作面、太長高速公路煤柱,北接62運輸下山、軌道下山,南面是劉家畛斷層。該工作面所采3#煤層賦存于二疊系山西組地層中下部,為陸相湖泊型沉積。煤層厚度穩(wěn)定,平均厚度6.5 m,平均采深320 m;直接頂厚度1.1～13.1 m,平均厚度7.1 m,主要為黑色泥巖,含植物化石,局部地段為砂質泥巖;老頂厚度2.0～5.8 m,平均厚度3.9 m,為灰色、細粒砂巖,主要成分石英、長石,鈣質膠結,含云母片;直接底厚度1.5～4.8 m,平均厚度3.15 m,為黑色泥巖,質均致密,含植物化石,局部砂巖;老底厚度0.8～4.0 m,平均厚度2.4 m,主要為灰色、細粒砂巖,成分為長石、石英,含云母片,局部泥巖。3#煤層上覆巖層主要由砂巖、泥巖、砂質泥巖和第四紀黃土層組成,工作面上部新生界松散層厚為54.70～156.20 m,北薄南厚。

6204工作面整體是一背斜構造,軸向近東西,軸在工作面中部偏里面,兩翼煤層傾角2～3°,工作面風巷掘進過程中,分別遇到 F263、F259、F273、F263、F265段層,其中F265為逆斷層,其它為正斷層。為了實現(xiàn)高效集約化生產,6204回風巷沿6206綜采工作面采空區(qū)掘進,保護煤柱寬為5 m。巷道為矩形斷面,斷面尺寸(寬×高)4.5 m×3.2 m,沿煤層底板掘進,如圖1所示。

圖1 工程概況模擬圖

2 巷道變形規(guī)律分析

2.1 相似條件、材料及試驗臺

模擬試驗臺采用中國礦業(yè)大學自主設計的長×高×寬=1.0 m×1.0 m×0.2 m的真三軸巷道平面模型試驗臺,模擬自煤層底板—煤層—頂板總厚50 m的7個巖層。模擬巷道斷面為矩形,寬4.5 m,高3.2m,斷面面積為14.4 m2,按圖1所示模擬。巷道支護形式為錨網(wǎng)索注漿錨桿支護。模型中的錨桿、錨索分別用?1.9mm、?2.2mm的保險絲來制作,錨固劑用聚醋酸乙酰乳液加石膏和水調和而成,用10mm×10mm×0.5mm的薄鐵片模擬錨桿托盤,在錨桿端頭托盤處添加一定長度的壓簧,模擬錨桿預緊力。

根據(jù)模型幾何尺寸及模擬巷道尺寸,確定相似比和相似材料。線比為1/50,容重比為17/25,強度比為17/1250,時間比為1/。骨料為普通河砂,粒徑小于1.5mm;膠結材料為石膏、石灰;分層材料為云母粉(模擬層理結構)。

2.2 巷道圍巖變形特征

在相似材料模型干燥7 d后,依次對模型進行預壓實、開挖巷道、巷內支護、小煤柱注漿等模擬操作,在注漿3 d,注漿體強度達到指標后,將6206工作面的煤層采出,然后組裝模型并進行加載。當加載值達到原巖狀態(tài),測量好相應的壓力盒讀數(shù)和巷道位移量后,打開模型前面的鋼板,這時頂板破壞已經(jīng)完成。從6206工作面采空區(qū)側的頂板破壞情況及巷道圍巖變形情況看,有以下特點。

(1)采空區(qū)側直接頂冒落,冒落帶上方的裂隙帶明顯,巖層有較明顯的開裂裂隙,裂隙帶厚約為3倍采高;老頂無明顯斷裂,但有較大彎曲下沉。

(2)小煤柱注漿切落采空區(qū)側頂板,沿注漿體采空區(qū)幫緊靠注漿體切落,首先切落的是側幫煤體,說明小煤柱注漿的支撐起到了切落直接頂板的作用,同時,小煤柱注漿切頂不是一次切落整個直接頂板的所有巖層,而是分層切落,頂板巖層的冒落角約為25°。

(3)巷道上方巖層的下沉量,小煤柱采空區(qū)側明顯大于小煤柱巷道側,曲率最大位置在巷道側,即巷道的破裂區(qū)與塑性區(qū)交界處。

2.3 小煤柱動壓巷道圍巖變形規(guī)律

隨著對模型的加載,可以通過鋪設在煤柱中部及采空區(qū)底板的壓力傳感器,監(jiān)測出煤柱和采空區(qū)底板的應力集中系數(shù)隨荷載系數(shù)的變化規(guī)律曲線,見圖2。

由圖2煤柱變化曲線可以看出,當荷載系數(shù)為1.15時,小煤柱內應力出現(xiàn)陡然增大,應力集中系數(shù)為0.11,隨后應力集中狀態(tài)趨于平穩(wěn);當荷載系數(shù)為2時,小煤柱內應力又出現(xiàn)了一次階躍,應力集中系數(shù)為0.22,隨后隨著荷載系數(shù)的逐漸增加而增大,但從總體上看小煤柱內應力集中程度較小。

圖2 小煤柱和采空區(qū)底板應力集中系數(shù)變化規(guī)律

由圖2采空區(qū)底板應力變化曲線可以看出,在模型加載值為原巖應力時,采空區(qū)底板無應力集中現(xiàn)象,說明采空區(qū)直接頂板還未冒落;當荷載系數(shù)為1.12時,采空區(qū)的應力集中系數(shù)發(fā)生突變,說明此時采空區(qū)直接頂已經(jīng)冒落,此后隨著荷載系數(shù)的增加采空區(qū)底板應力集中系數(shù)無明顯變化。

根據(jù)模型中設置的位移測定裝置,測得的小煤柱動壓巷道的頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ平?見圖3。

圖3 巷道頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平孔兓€

由圖3可以看出,當荷載系數(shù)為1.0時,即相當于原型的實際情況時,巷道的頂?shù)装逑鄬σ平繛?.6mm,兩幫相對移近量為2.8mm;當荷載系數(shù)為1.4時,巷道的頂?shù)准皟蓭拖鄬σ平糠謩e為25.2mm和22.4mm;當荷載系數(shù)為2.4時,巷道的頂?shù)准皟蓭拖鄬σ平堪l(fā)生突變,其值分別為51.2mm和41.2mm,隨后巷道頂?shù)准皟蓭臀灰齐S荷載系數(shù)的增大而增加,其巷道頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾禐?8.8mm,兩幫相對移近量最大值為54mm。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

在上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫捅竟ぷ髅娉安蓜又С袎毫ΟB加作用下,沿空巷道的圍巖易發(fā)生變形,采用非連續(xù)介質模型的離散元數(shù)值計算軟件UDEC 3.0進行數(shù)值模擬計算,分析頂板斷裂的位置對沿空巷道圍巖穩(wěn)定性的作用。

根據(jù)王莊煤礦6204綜放工作面生產地質條件,模擬綜放工作面沿空巷道圍巖穩(wěn)定性。模擬煤層厚度為6.5 m,其中采高3.2 m,放煤3.3 m。整個模型尺寸(長×寬)為140 m×53 m,上部載荷按采深350 m計算,直接頂厚度為6 m,斷裂步距16 m。將巷道附近煤體網(wǎng)格細化為0.2 m×0.2 m的塊體,巷道右側實體煤劃分為1.0 m×1.0 m的塊體。計算模型見圖4。

圖4 巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算模型

頂板斷裂的位置對于小煤柱動壓巷道圍巖的穩(wěn)定性有著至關重要的作用,在確定預留煤柱5 m的情況下,模擬沿6204工作面向6206采空區(qū)方向,距離巷道6204工作面幫分別為3 m、5 m、7 m和9 m處的頂板斷裂情況,考察頂板斷裂的位置對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,4種模擬情況下沿空巷道圍巖的垂直位移云圖和水平位移云圖見圖5和圖6,由圖5和圖6可以看出如下3個方面規(guī)律。

(1)老頂在模擬的4種不同位置斷裂,巷道底板垂直位移有相似的規(guī)律,都是在巷道中部下沉量最大;隨著老頂斷裂位置向采空區(qū)側轉移,巷道底板平均垂直位移先增大后減小,但總體相差不大。

(2)隨著老頂斷裂位置向采空區(qū)轉移,煤柱平均水平位移總體呈減小趨勢;老頂斷裂線位于小煤柱采空區(qū)側邊緣時,巷道圍巖變形最小。

(3)在模擬的4種不同斷裂位置下,巷道小煤柱幫水平變形特征為巷道小煤柱幫接頂部位煤壁略向采空區(qū)側凹陷,接底部位煤壁向巷道內凸出,小煤柱幫中部位置水平變形最為劇烈,鼓包現(xiàn)象明顯。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

4.1 施工技術關鍵

以王莊煤礦6204風巷為試驗地點,煤層厚度穩(wěn)定,平均厚度6.5 m,采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落綜合機械化采煤法,采高3.2 m,跨落3.3 m。為達到設計要求,需對煤柱進行注漿加固,其注漿主要關鍵技術如下。

(1)巷道內煤柱幫噴漿。為防止注漿漿液沿著錨桿孔、煤層裂隙向外流,漿液難以深入破碎圍巖深部,在注漿前需要對煤柱幫噴不小于50mm厚的混凝土,形成止?jié){層,保證注漿效果,同時封閉圍巖。

(2)注漿設備與材料。注漿材料主要采用425號普通硅酸鹽水泥,并摻入一定量的40Be水玻璃附加劑,水泥漿的水灰比0.8︰1～1︰1,水泥漿與水玻璃的重量比為1︰0.03～1︰0.05。注漿泵為2ZBQ-11.5/3氣動注漿泵。注漿管采用直徑20mm鋼管制作,管總長2.4 m,在注漿管一端1.2 m范圍內,每間隔200mm分別打直徑6mm的孔,在注漿管另一端加工長30mm螺紋,注漿管注漿后可作錨桿使用。

(3)注漿參數(shù)。經(jīng)計算確定最優(yōu)注漿壓力為1.5～2.0 MPa;孔注漿量為30～50 kg漿液;注漿時間為20min。

(4)注漿工藝。對6204風巷小煤柱實施兩次注漿加固。首先,在6206采煤工作面推進前方,對6206采煤工作面?zhèn)刃∶褐M行錨網(wǎng)混凝土噴護和超前錨桿注漿第一次注漿加固;其次,在6206采煤工作面推進過程中,對小煤柱實體煤側煤體進行追隨沿空掘巷,與此同時,在滯后6206采煤工作面5～10 m范圍內,對沿空巷道側小煤柱進行第二次注漿加固支護,以保證小煤柱的強度達到設計要求。

4.2 礦壓監(jiān)測分析

為研究注漿支護參數(shù)的合理性,及時掌握在煤柱注漿加固支護條件下沿空巷道圍巖的變形和破壞規(guī)律,考察巷道圍巖變形的控制效果,在巷道內設置相應的測站,對圍巖表面位移進行了觀測。6204風巷巷道頂?shù)装濉蓭偷南鄬σ平糠謩e如圖7所示。

圖7 回采期間巷道圍巖變形

由圖7可知,6204風巷受采動影響,巷道頂?shù)装逑鄬σ平繛?25mm,兩幫相對移近量為110mm;當巷道圍巖變形穩(wěn)定后,圍巖變形趨于平緩,表明注漿加固支護方案及加固支護參數(shù)能有效控制圍巖變形。

5 結論

通過對復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制技術的研究,基于相似模擬試驗,建立了沿空巷道圍巖變形數(shù)值計算模型,并通過工業(yè)性試驗得出以下結論。

(1)隨著相似模擬試驗中荷載系數(shù)的逐漸增加,小煤柱內應力亦隨之增加,表現(xiàn)出明顯的階躍性,但從總體上看小煤柱內應力集中程度較小。

(2)UDEC數(shù)值模擬結果表明,頂板在不同的位置斷裂,巷道頂板下沉呈現(xiàn)相似規(guī)律,均為巷道中部下沉量最大,靠近煤柱側比靠近實體煤側下沉量大;同時,隨著頂板斷裂位置向采空區(qū)側轉移,巷道頂板平均下沉量先增大后減小,總體呈減小趨勢。

(3)工業(yè)性試驗表明,通過對小煤柱分階段二次注漿加固,可增強煤柱的承載能力,從而達到減小巷道變形、增強巷道圍巖穩(wěn)定性的目的,回采期間巷道圍巖變形得到了有效控制。

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(責任編輯 張毅玲)

Research on the deformation control of surrounding rock of dynamic pressurized roadway with small coal pillar along gob

Zhao Guozhen1,2,Ma Zhanguo1,2,Ma Jigang1,2,Pan Yinguang1,2,Lan Tian1,2
(1.State Key Laboratory for Geomechanics&Deep Underground Engineer,China University of Mining&Technology,Jiangsu,Xuzhou 221008,China;2.School of Mechanics&Civil Engineering,China University of Mining&Technology,Jiangsu,Xuzhou 221008,China)

According to characteristics of small pillar dynamic pressure roadway’s mechanical environment and supporting,Similarity test model of along goaf roadway surrounding rock is established based on the analysis of strata structure above surrounding roadway and stability of roadway surrounding rock.By numerical simulation with UDEC software,it opens out the mechanical deformation of the small pillar dynamic pressure roadway under complex conditions.Results shows that grouting reinforcement to the small pillar by stages can enhance the carrying capacity of pillar and decreasing deformation of roadway,the stability of surrounding rock is also enhanced.Industrial tests show that roadway surrounding rock deformation decreased remarkably by using the reinforcement parameters of this paper.

dynamic pressure roadway,surrounding rock deformation,small pillar,roadway support,grouting reinforcement

TD353

A

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-08-0837);國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2007CB209400);國家自然科學基金重點項目(50834005,50834004);國家自然科學基金項目(51074163);江蘇省自然科學基金(BK2009092);江蘇省“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師計劃;國土資源部公益性項目(200811050);深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室專項基金。

趙國貞(1985-),男,山東省泰安市人,就職于中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室、中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院,主要從事采動巖體力學方面的研究工作。