留頂煤大斷面巷道圍巖失穩機理及支護對策研究

張晨曦 臧傳偉 張 強 周立超 謝 帥 席俊輝

(山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266590)

留頂煤大斷面巷道圍巖失穩機理及支護對策研究

張晨曦 臧傳偉 張 強 周立超 謝 帥 席俊輝

(山東科技大學礦業與安全工程學院,山東省青島市,266590)

針對余吾煤業S1203留頂煤沿底掘進大斷面巷道圍巖控制困難的問題,運用FLAC3D數值模擬軟件對巷道圍巖塑性區和主應力分布特征進行分析,得到了留頂煤大斷面巷道圍巖失穩機理。在此基礎上提出了留頂煤大斷面巷道支護原則,根據該原則,決定采用機載高阻力臨時支護和高預緊力錨桿錨索支護對策,并應用于工程實踐。數值模擬和現場實測均表明,該方案支護效果良好,可有效保持巷道穩定。

留頂煤 大斷面巷道 失穩機理 數值模擬 支護對策

余吾煤業S1203沿底掘進留頂煤大斷面巷道開挖后早期難以控制,頂煤及淺部巖層所組成的復合頂板極易發生離層,使圍巖承載能力大大降低,支護-圍巖關系惡化,嚴重影響巷道圍巖穩定性。現場工程實踐表明,松軟頂煤易發生冒頂,兩幫易片幫。如不采用及時有效的支護方式,巷道圍巖很容易失穩。因此,需要從分析留頂煤大斷面巷道圍巖失穩機理入手,提出合理有效的巷道支護對策,提高成巷質量和速度,為同類地質和開采條件下巷道支護提供依據。

1 工程概況

S1203運輸巷平均埋深450 m,所屬3#煤層平均厚度6.65 m,煤質松軟,普氏系數f＝0.7～1.3。巷道沿煤層底板掘進,留頂煤。斷面為矩形,寬5.2 m,高3.8 m,斷面面積為19.76 m2,屬于典型的留頂煤大斷面巷道。現場采用掘錨一體機掘進巷道。工作面頂底板巖性特征見表1。

表1 工作面頂底板巖性特征

2 留頂煤大斷面巷道圍巖失穩機理分析

以S1203運輸巷為模擬對象,運用FLAC3D數值模擬軟件對留頂煤大斷面巷道圍巖應力及塑性區進行分析,從而得到其圍巖失穩機理。

根據S1203運輸巷的地質條件建立數值模型。模型尺寸為50 m×30 m×40.5 m(長×寬×高),模型共122340個單元,130882個節點。固定模型底部,四周固定水平運動,上部邊界按巖層自重施加均布載荷。計算采用莫爾-庫侖本構模型。煤巖體物理力學參數見表2。

表2 煤巖層物理力學參數

對巷道塑性區、最大主應力及最小主應力進行模擬,模擬結果如圖1所示,分析得到留頂煤大斷面巷道的圍巖失穩機理。

圖1 留頂煤大斷面巷道圍巖塑性區及應力分布

(1)頂板易發生離層和彎曲破壞。從圖1(a)中可以看到,頂板在較大范圍內都發生了剪切破壞,這種剪切破壞會導致頂煤和淺部巖層組成的復合頂板發生離層和彎曲。由于留頂煤大斷面巷道頂煤和直接頂板之間較小的粘結力,使得頂板容易離層。而頂板跨度與頂板的離層有關,頂板會在較大的自重應力下彎曲下沉。進行支護時,支護體會約束各分層的變形和移動,使得頂板向約束端彎曲和擠出,此時碎脹變形應力較大,在其作用下,強度低的分層會首先發生拉斷破壞,從而失去對其上分層的有效支撐。

(2)頂板易發生拉斷破壞。由于留頂煤大斷面巷道兩幫和頂板都是強度較低的煤層,加之較大的巷道跨度,頂板中部一般會出現水平拉應力。在煤層抗拉強度小于拉應力的條件下,巷道頂板將發生拉斷破壞。從圖1(b)中可以看到,頂板在淺部一定范圍內發生了拉斷破壞,其最大拉應力出現在頂板中部,為0.1139 MPa。頂板的拉斷破壞與離層破壞同時存在,相互影響。拉斷破壞將會使頂板的彎曲下沉量增大,導致頂板離層破壞的加劇。

(3)巷道頂角處壓剪破壞易引起頂板整體切落。由于大斷面煤巷頂板巖層強度較低,加之巷道跨度大,造成巷道頂底角處壓應力增大,巷道開挖后,在應力重新分布過程中,容易在巷道四角處首先發生剪切破壞。從圖1(a)中可以看到,巷道頂角處發生明顯的剪切破壞,并且具有較大的壓應力。如果頂板巖層出現離層或存在一層理面,頂角處發生的剪切破壞會向上發育并與之相交,從而造成離層面或層理面下方的頂板出現整體切落。另外,從圖1(b)中也可以看到兩幫也形成了較大的應力集中。頂板切落前,巷道兩幫煤體承擔上覆頂板載荷增加,在此載荷作用下,兩幫煤體出現應力集中,首先在兩幫中部發生破壞引起片幫,片幫會進一步增大巷道的跨度,對大斷面煤巷的穩定極為不利。

3 支護對策研究及效果分析

3.1 留頂煤大斷面巷道支護原則

巷道支護應根據特定的地質和開采條件,結合圍巖失穩機理,選擇支護方式及確定支護參數。因此,在S1203留頂煤大斷面巷道的條件下,提出以下支護原則：

(1)及時支護原則。S1203運輸巷煤質松軟,巷道開挖初期頂板較為破碎,頂板易離層和彎曲。因此,需要及時有效地對其進行支護。實踐表明,在巷道開挖后盡快進行支護,如果在已經離層破壞的圍巖中進行支護,效果將得不到有力的保證。

(2)一次支護原則。煤巷支護應盡量一次完成,避免二次支護及巷道維修。S1203運輸巷屬于回采巷道,應在使用期限內保持穩定,以實現采煤工作面的快速推進。

(3)高預緊力和預緊力擴散原則。S1203運輸巷巷道斷面大,控制困難。而預緊力是錨桿支護中的關鍵因素,較高的預緊力可以使錨桿支護系統充分發揮作用。可以采取措施增大錨桿的預應力,另外,使用托板、鋼帶等構件將預應力擴散,預緊力的作用范圍可以擴大,從而提高錨固體的整體剛度和完整性。

(4)三高一低原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。提高支護強度和剛度,保證支護系統的可靠性,在此基礎上,降低支護密度,提高掘進速度和成巷效率。

(5)相互匹配原則。托板、螺母等參數與力學性能應相互匹配,以最大限度地發揮系統的整體支護作用。

3.2 支護對策

由模擬結果及分析可知,控制頂板早期離層、中部頂底板的拉斷破壞以及頂角和兩幫的壓剪破壞是控制留頂煤大斷面巷道穩定性的關鍵所在。一旦這些部位出現破壞,巷道極易失穩。根據上述支護原則,提出采用高阻力臨時支護和高預緊力錨桿錨索支護的對策。高阻力臨時支護能夠及時支護頂板,給予圍巖表面提供一定支護強度,可有效防止掘進工作面發生松脫型垮冒,并且可以減小頂板的早期變形,控制由于頂板彎曲下沉導致的離層,使永久支護后的錨桿和圍巖同步承載。而高預緊力錨桿錨索支護可以增大巷道表面圍壓,改善和提高圍巖的受力狀態和承載能力,使錨桿、錨索和破碎區圍巖形成共同承載結構,大大減小圍巖的變形,使巷道處于穩定狀態。巷道支護示意圖如圖2所示。有關支護參數見圖2。

圖2 S1203運輸巷支護示意圖

(1)高阻力臨時支護。S1203運輸巷使用的12CM30掘進機具有前配套臨時支護系統,該臨時支護系統采用4個液壓缸體支撐,工作壓力7 MPa,每根臨時撐柱可承載力300 kN,臨時支護系統可提供對頂板600 kN的承載力,安全可靠。

(2)頂板支護。頂板支護選用4根?22 mm× 2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,樹脂加長錨固,錨固長度1200 mm,間排距1400 mm×900 mm,采用強力錨桿扭矩螺母,配合高強度托板調心球墊和尼龍墊圈及高強度拱型托板,鋼材屈服強度不低于235 MPa,托板承載能力不低于300 kN。每根錨桿采用W鋼護板加固,W鋼護板規格為280mm×5 mm×450 mm。同時采用鋼筋托梁將每排的4根錨桿連成一個整體。鋼筋托梁采用4根?16 mm鋼筋焊接而成,規格為220 mm×4900 mm,金屬網網片規格5600 mm×1200 mm,網孔規格40 mm×40 mm。為了實現高預緊力,錨桿預緊扭矩要達到400 Nm。錨索選用?22 mm×5300 mm高強度低松弛預應力鋼絞線錨索,每排打投3根,距巷幫1200 mm,間排距1400 mm×900 mm,垂直頂板巖面。配套高強度蝶形托板及高強度可調心球墊、鎖具,托板承載能力不低于550 kN。錨索預緊力250 kN,初始張拉至300 kN,真正實現了高預緊力支護。

(3)巷幫支護。錨桿及配件規格同頂板支護,間排距1000 mm×900 mm,每幫4根。

(4)防靜電網支護。巷道在掘進過程中,每間隔50 m,頂、幫使用一排塑料網進行支護,頂板雙層塑料網片規格為5600 mm×1000 mm,兩幫雙層塑料網規格為3800 mm×1000 mm。

3.3 支護效果分析

繼續采用FLAC3D軟件對巷道開挖未支護時和支護后的情況分別進行模擬,計算結果如圖3～5所示。

圖3 支護前后垂直位移圖

圖4 支護前后水平位移圖

圖5 支護后塑性區分布

從圖3中可以看到,巷道開挖未支護時,頂板最大下沉量為92 mm,進行支護后,頂板最大下沉量為33 mm,減少了64.1%;由圖4看到,巷道開挖未支護時,兩幫最大移近量為173 mm。兩幫最大移近量為108 mm,減少了37.6%。圖5顯示,進行支護后,圍巖塑性區范圍大大減小。該支護方案對頂板和兩幫的整體控制效果明顯。

4 現場應用

在S1203運輸巷采用了上述支護方案。為了檢驗巷道支護效果,在巷道掘進200 m位置對巷道表面位移、頂板離層進行了監測,表面位移結果如圖6所示。

圖6 圍巖變形量

從圖6可以看出,巷道的變形隨著開挖時間逐漸增大,初期增加幅度較大,隨著遠離掘進工作面增幅逐漸減少,并趨于穩定。巷道頂板的最大下沉量為26 mm,工作面側幫(左幫)最大移近量18 mm,外側幫(右幫)最大移近量為13 mm。巷道開挖初期,兩幫和頂板變形量稍大,主要是由于巷道初期受掘進影響,加之巷道沿煤層底板掘進,留有頂煤,巷道開挖后,由于風化作用,頂煤破碎、剝落。但增幅都非常小,且整體變形量較小,巷道整體穩定。充分發揮了高阻力臨時支護和高預緊力錨桿錨索強力支護系統的作用,巷道頂板及兩幫得到了及時有效的控制。

頂板5 m深范圍內離層數據顯示,頂板離層量變化趨勢與巷道頂底板移近量變化趨勢基本一致。巷道頂板淺部最大離層為23 mm,深部幾乎沒有離層,可見巷道頂板離層主要以淺部離層為主。主要是巷道本身頂板留有煤層,在巷道掘進動壓作用下,巷道施工初期頂煤破碎易形成網兜,隨著淺部離層并逐漸發展到了深部,錨索也隨之達到了較大拉力,阻止了離層的進一步擴展,使巷道變形最終趨于穩定,錨固區內外沒有出現大的離層現象。

現場工程實踐充分證明該支護方案可以對留頂煤大斷面巷道圍巖控制產生良好的效果。

5 結論

(1)阻止留頂煤大斷面巷道復合頂板早期發生彎曲離層、頂板中部出現拉破壞以及巷道頂角和兩幫出現壓剪破壞對保持巷道的穩定起著關鍵作用,一旦這些部位出現破壞,巷道極易失穩。

(2)為了有效地控制巷道圍巖變形,提高圍巖的穩定性,根據留頂煤大斷面巷道的圍巖失穩機理,提出了留頂煤大斷面巷道支護原則,并采用高阻力機載臨時支護加高預緊力錨桿錨索的支護對策。數值模擬效果較理想,錨桿支護參數較合理,保證了巷道的穩定和安全。

(3)現場工程實踐表明,對于余吾煤業S1203留頂煤大斷面巷道,采用高阻力臨時支護加高預緊力錨桿錨索支護可以有效控制圍巖變形,保持巷道穩定,取得良好的支護效果,并且提高了掘進速度。該支護對策可以在類似地質和工程條件巷道推廣使用。

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(責任編輯 張毅玲)

Study on instability mechanism and supporting measures of surrounding rock of large section roadway with top coal

Zhang Chenxi,Zang Chuanwei,Zhang Qiang,Zhou Lichao,Xie Shuai,Xi Junhui
(College of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao,Shandong 266590,China)

In view of the difficulty of controlling the surrounding rock of large section roadway along the bottom of the S1203 face,the FLAC3D numerical simulation software was used to analyze the distribution characteristics of the plastic zone and the principal stress of the surrounding rock,and the instability mechanism of the surrounding rock in the large section roadway was obtained.On this basis,the principle of supporting the roadway with roof coal was put forward. According to this principle,the combined supporting measures of onboard temporary support with high resistance and bolt-cable anchor with high pre-tightening were adopted and applied to engineering practice.Both numerical simulation and field measurement showed that the proposed method was effective and could maintain the stability of the roadway.

coal roof,large section roadway,instability mechanism,numerical simulation, supporting measure

TD353

A

張晨曦(1991-),男,山西晉城人,碩士研究生,研究方向為礦山壓力與巖層控制。