松軟煤層上山巷道破壞特征與圍巖控制方法

樊 帆

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院)

軟巖巷道圍巖變形和控制一直是巷道支護(hù)的難點(diǎn)之一，當(dāng)巷道布置在松軟煤層中時(shí)，由于其強(qiáng)度低，與此同時(shí)受到工作面動(dòng)壓的影響，導(dǎo)致巷道幫部極易發(fā)生破壞，從而影響礦井正常生產(chǎn)[1-2]。近年來(lái)，在松軟煤層控制技術(shù)方面已取得很多研究成果。李兵[3]以五一煤礦為例，利用鉆孔窺視和數(shù)值模擬分析，對(duì)多次采動(dòng)壓力下松軟煤層的變形特征及機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)礦井實(shí)際條件提出合理的支護(hù)設(shè)計(jì)。溫志東[4]針對(duì)趙莊煤業(yè)13112順槽掘進(jìn)后幫部嚴(yán)重變形問(wèn)題，通過(guò)理論分析對(duì)順槽變形原因及加固機(jī)理進(jìn)行研究，認(rèn)為其變形破壞的主要原因是煤層強(qiáng)度低，高應(yīng)力環(huán)境及支護(hù)強(qiáng)度不足，并提出注漿錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)加固效果良好。程建業(yè)[5]基于新鄭煤電公司煤層巷道在高應(yīng)力條件下難以維護(hù)的問(wèn)題，提出高應(yīng)力松軟煤層巷道破壞是圍巖自承能力逐步喪失的過(guò)程，采用主動(dòng)支護(hù)與被動(dòng)支護(hù)相結(jié)合的方式可以使圍巖始終具有一定的自承能力。本項(xiàng)目針對(duì)范各莊礦3281上山松軟煤層地質(zhì)條件下巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析的方法，對(duì)松軟煤層巷道破壞特點(diǎn)及機(jī)理進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，提出注漿錨索加固的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

1 工程概況

3281上山服務(wù)于8號(hào)煤層3281S、3283S、3285S工作面的開(kāi)采，巷道沿東西走向布置，3281S工作面已經(jīng)開(kāi)采完畢，3283S工作面正在回采中。其中3281S西部大部分區(qū)域上覆3271S采空區(qū)。3271S采空區(qū)停采線位置在3281上山北部處15 m。采掘布置如圖1所示。

圖1 采掘布置平面(單位：m)

3281上山巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，巷道凈寬4.5 m，凈高2.6 m。上山巷道沿煤層底板布置，煤層厚度為1.3 m，平均抗壓強(qiáng)度為8.65 MPa，巷道頂板為粉砂巖，厚度2.95 m，平均抗壓強(qiáng)度為39 MPa，上部深灰色，質(zhì)地均一，細(xì)膩，含植物化石。下部局部發(fā)育灰白色細(xì)砂巖，塊狀，堅(jiān)硬，含炭化薄膜。底板為粉砂巖—細(xì)砂巖—粉砂巖，粉砂巖灰黑色，質(zhì)地均一，細(xì)砂巖灰白色，堅(jiān)硬，硅質(zhì)膠結(jié)。

2 巷道圍巖破壞模式分析

2.1 巷道表面位移觀測(cè)

為研究3281上山巷道變形特點(diǎn)，在3281S工作面回采期間，對(duì)3281上山巷道進(jìn)行巷道表面位移觀測(cè)，選取其中具有代表性的測(cè)點(diǎn)(圖2)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 3281上山巷道變形特征

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，4個(gè)測(cè)點(diǎn)中，除了2#測(cè)點(diǎn)，均表現(xiàn)出底鼓量>正幫變形量>副幫變形量>頂板下沉量。具體變形特點(diǎn)如下。

巷道底鼓表現(xiàn)最為明顯，最大底鼓量介于220～600 mm之間，其中2#測(cè)點(diǎn)底鼓量最小，4#測(cè)點(diǎn)底鼓量最大。由監(jiān)測(cè)時(shí)間來(lái)看，在0～30 d監(jiān)測(cè)初期，巷道底鼓變化迅速，3個(gè)測(cè)點(diǎn)底鼓量大于300 mm，在30～50 d監(jiān)測(cè)中期，巷道底鼓趨勢(shì)變緩，并有穩(wěn)定趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)末期，巷道底鼓量緩慢增加，趨于穩(wěn)定。

幫部變形相對(duì)較大，從變形量大小來(lái)看，正幫變形量大于副幫，正幫變形量介于240～360 mm，副幫變形量介于100～220 mm。對(duì)1#、2#、4#測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)初期，0～17 d，正副幫變形量接近，兩者差異較小，隨著時(shí)間增加，兩者變形量差異變大，最終表現(xiàn)為正幫變形量大于副幫。

頂板變形量最小，4個(gè)測(cè)點(diǎn)頂板最大變形量均小于100 mm，造成該現(xiàn)象的主要原因是巷道頂板圍巖強(qiáng)度高，且上山巷道采用錨桿、索和架棚共同支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度較高，導(dǎo)致頂板變形量最小。

2.2 巷道松動(dòng)圈發(fā)育情況

為確定幫部圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況，利用鉆孔窺視儀3281上山幫部圍巖進(jìn)行探測(cè)(圖3)，鉆孔深度8 m，鉆孔直徑28 mm。根據(jù)鉆孔窺視可得：距離幫部0～1.3 m的淺部位置圍巖破碎，存在較多離層裂隙，破壞嚴(yán)重；在1.3～2.5 m之間，裂隙發(fā)育，局部存在離層裂隙，但裂隙大小明顯小于淺部；在2.5 m以深的圍巖深部，孔壁粗糙，裂隙主要表現(xiàn)為小裂隙，到3.6 m時(shí)，孔壁趨于光滑，未發(fā)現(xiàn)裂隙。

圖3 鉆孔窺視截圖

3 巷道圍巖破壞的力學(xué)機(jī)理

3.1 巷道力學(xué)模型

3281軌道上山斷面形狀為直墻半圓拱形，依據(jù)等效開(kāi)挖理論，可將直墻半圓拱形斷面等效為圓形巷道進(jìn)行分析，巷道模型如圖4所示。

圖4 圓形巷道力學(xué)模型

巖體由彈性進(jìn)入塑性平衡條件時(shí)，極限平衡條件為

(1)

極限平衡區(qū)靜力平衡方程為

(2)

當(dāng)不考慮支護(hù)作用時(shí)：根據(jù)彈性力學(xué)及摩爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則可得，雙向等壓條件下圓形巷道周邊切向應(yīng)力σθ和徑向σr應(yīng)力分布如下。

(3)

(4)

(5)

(6)

由于圓形巷道切向方向上彈塑性邊界相同，聯(lián)立上式可得

(7)

(8)

考慮支護(hù)作用時(shí)，則(7)、(8)可改寫(xiě)為

(9)

(10)

3.2 巷道破壞機(jī)理分析

為了研究不同因素對(duì)巷道破壞和變形的影響，分別對(duì)埋深、圍巖強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。其中選取現(xiàn)場(chǎng)煤層及頂?shù)装?種巖樣參數(shù)，煤、粉砂巖和細(xì)砂巖，以此進(jìn)行理論研究，使其結(jié)果更能反映現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征。參數(shù)選取如表1。

表1 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)

為分析巷道埋深對(duì)圓形巷道破壞范圍和變形的影響，控制支護(hù)強(qiáng)度pi=0.2 MPa,分別設(shè)置埋深為200、400、600、800、1 000、1 200 m，3種巖性條件下圓形巷道塑性區(qū)范圍和位移如圖5、圖6。

由圖5可知，3種巖性條件下，圍巖塑性區(qū)范圍均隨著埋深增加而增加，其變化趨勢(shì)均接近于直線，由此可見(jiàn)，巷道塑性區(qū)范圍受埋深影響較大，3種巖性中，由于煤的強(qiáng)度最低，其變化趨勢(shì)最大，其次分別為細(xì)砂巖和粉砂巖。在圖6中，3種巖性條件下，變形量并未表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨著埋深增加，增長(zhǎng)趨勢(shì)越來(lái)越快，其中，煤的變形量增加速度最快，埋深從200 m增加至1 200 m時(shí)，變形量由5.23 m增加至292.36 mm。而粉砂巖和細(xì)砂巖位移變化趨勢(shì)較為平緩，200 m時(shí)，變形量分別為1.39和1.10 mm，1 200 m時(shí)，變形量?jī)H增加40.91和42.77 mm。3281上山巷道頂板為粉砂巖，底板為細(xì)砂巖，兩幫為煤，埋深約為700 m，依據(jù)以上分析，在相同條件下，3281兩幫抵抗變形能力明顯弱于頂?shù)装濉?/p>

圖5 埋深對(duì)塑性區(qū)的影響

圖6 埋深對(duì)巷道變形的影響

為研究支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道破壞和變形的影響，取埋深為700 m，分別設(shè)置支護(hù)強(qiáng)度pi為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa，不同巖性條件下巷道塑性區(qū)范圍和位移如圖7、圖8。

圖7 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)塑性區(qū)的影響

由圖7分析可得，3種巖性條件下，巷道塑性區(qū)大小均隨著支護(hù)強(qiáng)度增加呈減小趨勢(shì)，其中，當(dāng)圍巖為煤時(shí)，隨著支護(hù)強(qiáng)度由0.2 MPa增加為1.0 MPa塑性區(qū)范圍減小了12.92%，而在粉砂巖和細(xì)砂巖條件下，塑性區(qū)半徑減少幅度相對(duì)較少，分別為9.41%，和9.01%。由圖8可得，支護(hù)強(qiáng)度增加，3種巖性下，其變形量均呈現(xiàn)直線減小趨勢(shì)，其中，隨著支護(hù)強(qiáng)度增加，煤的位移變化趨勢(shì)最明顯，粉砂巖和細(xì)砂巖變形量基本未發(fā)生變化，可見(jiàn)在該地質(zhì)條件下，增加支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)煤的變形控制效果較明顯。

圖8 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道變形的影響

4 巷道圍巖控制技術(shù)

根據(jù)上述分析，3281上山主要變形區(qū)域?yàn)橄锏赖装?，其次為巷道兩幫，巷道底鼓主要由于上山巷道沿煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，圍巖強(qiáng)度相對(duì)較低，未進(jìn)行支護(hù)，從而使底板變形量大，幫部變形則由于煤體抗變形能力差和支護(hù)強(qiáng)度不足造成。在巷道力學(xué)模型中，相同深度下，煤體變形量明顯大于頂?shù)装鍑鷰r，且對(duì)支護(hù)強(qiáng)度更加敏感，所以應(yīng)考慮增大幫部煤體的支護(hù)強(qiáng)度來(lái)抑制巷道幫部變形。

為了保證幫部圍巖的穩(wěn)定性，針對(duì)3281上山巷道提出使用注漿錨索的補(bǔ)強(qiáng)加固方案，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)主要考慮以下幾點(diǎn)。

(1)保證錨索端錨強(qiáng)度可靠。由于巷道幫部為強(qiáng)度較低的煤體，破壞嚴(yán)重，使用錨索支護(hù)時(shí)，若將錨索直接錨固在煤層中，可能造成錨索端錨強(qiáng)度較低，且可靠性差，為了保證錨索端部有可靠的著力點(diǎn)，將錨索錨固端設(shè)置在頂?shù)装鍑鷰r中。

(2)保證錨索長(zhǎng)度可靠。3281上山巷道受到多次采動(dòng)影響的作用，破壞范圍越來(lái)越大，為保證錨索支護(hù)范圍大于破壞范圍，綜合考慮現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件，采用6.3 m注漿錨索進(jìn)行支護(hù)。

(3)增大支護(hù)強(qiáng)度。適當(dāng)加強(qiáng)注漿錨索的支護(hù)密度，合理配比漿液濃度，使圍巖在漿液作用下形成一個(gè)整體。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案如圖9。

圖9 錨注補(bǔ)強(qiáng)加固方案斷面(單位：mm)

5 結(jié) 論

(1)由表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，3281上山主要變形區(qū)域是底板，其次為幫部，正幫變形量大于副幫。

(2)通過(guò)巷道力學(xué)模型分析，相同條件下，圍巖為煤時(shí)，塑性區(qū)范圍和變形量都大于其他2種巖性，增大支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)煤的變形控制效果明顯。

(3)依據(jù)以上分析，提出注漿錨索加固的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。