高應(yīng)力巷道支護(hù)失效機(jī)理及控制技術(shù)

李 森，魏 霞，孫 峰

(1.潞安化工集團(tuán) 高河煤礦， 山西 長治 046000；2.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程系， 山西 長治 046011；3.國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)柳塔礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

近年來，隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采逐漸轉(zhuǎn)向深部，在“三高一擾動(dòng)”的條件下，巷道圍巖破壞特征逐漸呈現(xiàn)與淺部不同的規(guī)律，圍巖錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致錨索破斷現(xiàn)象普遍，破斷后彈射傷人事件時(shí)有發(fā)生，為保障生產(chǎn)安全，應(yīng)對(duì)深部巷道錨索破斷原因進(jìn)行研究。

山東某礦在原巖應(yīng)力高達(dá)68 MPa的條件下，進(jìn)行實(shí)體煤巷道掘進(jìn)，掘進(jìn)期間僅受巷道掘進(jìn)影響，出現(xiàn)大面積錨索破斷現(xiàn)象，本文利用FLAC3D數(shù)值模擬，分析了巷道圍巖應(yīng)力調(diào)整規(guī)律，闡述了錨索破斷的原因，并提出控制技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件及錨固失效情況

1.1 工程地質(zhì)條件

巷道埋深1 200 m，沿底板掘進(jìn)，掘進(jìn)速度為5 m/d，頂板留有4.8 m頂煤，頂煤上方為1.5 m泥巖和11.3 m粉砂巖，底板下方為1.2 m泥巖及2.4 m粉砂巖(具體煤巖體特征見表1). 該巷為探巷，距采空區(qū)較遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響較小，斷面為直墻圓弧拱形，凈寬4 300 mm，墻高3 000 mm，拱高700 mm，經(jīng)地應(yīng)力測(cè)試，最大主應(yīng)力約68 MPa，為水平方向，方位角約156°，與該探巷夾角約30°，巷道布置示意圖見圖1.

圖1 巷道布置示意圖

表1 煤巖體特征表

1.2 錨固失效情況

對(duì)錨桿(索)失效情況經(jīng)過一個(gè)月統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)錨桿(索)失效現(xiàn)象主要集中在距離掘進(jìn)迎頭10～30 m，此范圍內(nèi)共計(jì)34例錨索失效現(xiàn)象，其中正拱頂處有15例，右頂處有12例，左頂處有7例；30 m以外共計(jì)9例錨索失效現(xiàn)象，失效位置在正拱頂、左頂、右頂分別為6例、2例、1例。發(fā)生失效的形式多為錨索破斷，破斷端口集中于2.0～3.5 m，根據(jù)錨索斷口形式初步判斷為剪切破壞，錨索破斷情況見圖2.

圖2 錨索破斷情況圖

2 支護(hù)失效原因分析

2.1 巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力演化規(guī)律分析

根據(jù)分析可知，實(shí)體煤巷道掘進(jìn)期間，距掘進(jìn)迎頭30 m范圍內(nèi)頻繁發(fā)生錨索破斷現(xiàn)象，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，利用FLAC3D建立數(shù)值模型，模型尺寸為50 m×30 m×47.5 m，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，將具有方向性的最大水平應(yīng)力分解為相互垂直的應(yīng)力用以模擬現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力環(huán)境，根據(jù)巷道實(shí)際尺寸建立巷道模型，具體煤巖體力學(xué)參數(shù)見表2，模型見圖3.

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

圖3 模型圖

巷道掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為3 m，在巷道拱頂處布置垂直的10 m監(jiān)測(cè)線，分別監(jiān)測(cè)巷道掘進(jìn)3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m時(shí)巷道頂板圍巖xx方向、yy方向及垂直應(yīng)力演變情況。圖4為巷道頂板不同層位距掘進(jìn)迎頭不同距離下圍巖應(yīng)力演變情況。

由圖4顯示可知，隨著巷道向前掘進(jìn)，xx方向及yy方向的水平應(yīng)力峰值在往深部轉(zhuǎn)移，峰值均處于巷道頂板上方3～4 m，xx方向水平應(yīng)力峰值隨著巷道掘進(jìn)有所增大，yy方向水平應(yīng)力峰值隨著巷道掘進(jìn)有所減小，垂直應(yīng)力隨著巷道掘進(jìn)有所減小。

圖4 巷道頂板距迎頭圍巖應(yīng)力演變情況圖

2.2 支護(hù)失效原因分析

以頂板上方3 m處為例，巷道圍巖應(yīng)力變化情況見表3. 由表3可知，受巷道掘進(jìn)影響，巷道頂板上方3 m處圍巖由三向受壓，轉(zhuǎn)變?yōu)閤x方向受壓，yy方向、垂直方向應(yīng)力大幅下降，yy方向降幅較大，為17.6 MPa，垂直方向下降6.2 MPa.

表3 距迎頭不同距離下頂板上方3 m處圍巖應(yīng)力變化情況表

應(yīng)力調(diào)整示意圖見圖5，由于煤體圍壓值下降、卸壓速率較大導(dǎo)致煤體破壞強(qiáng)度大幅下降，處于高地應(yīng)力的環(huán)境下，煤體破壞后會(huì)瞬間向卸壓方向位移錯(cuò)動(dòng)，且由于圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，淺部圍巖破碎區(qū)增大，錨桿未錨固到深部圍巖承載區(qū)，失去作用點(diǎn)，淺部圍巖與深部圍巖不能產(chǎn)生耦合聯(lián)系，圍巖自承載能力下降，錨索懸吊重量增大，導(dǎo)致錨索破斷失效，整體支護(hù)效果下降[1-2].

圖5 應(yīng)力調(diào)整示意圖

3 加固工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)

隨著巷道掘進(jìn)，應(yīng)力不斷向深部轉(zhuǎn)移，圍巖破碎區(qū)不斷擴(kuò)展，錨桿支護(hù)與圍巖耦合支護(hù)作用下降，錨索承載載荷不斷增大，深部圍巖瞬間卸載，圍巖三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為單向受力，圍巖破碎錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致錨索破斷，可先打設(shè)注漿孔，預(yù)先卸壓，隨后注漿加固。

采用分層次耦合注漿方法，注漿材料采用水泥基漿液，封閉層采用C20的水泥，封閉層厚度60 mm，水灰比0.5；淺部注漿壓力為1 MPa，深部為1.5 MPa，淺孔和深孔間排距均為1 300 mm×1 300 mm. 臨時(shí)支護(hù)采用錨桿支護(hù)，永久支護(hù)方案保持不變，巷道頂板采用5根恒阻錨索、6根高強(qiáng)螺紋鋼錨桿及“T”型鋼帶支護(hù)，錨索d22 mm，長度為8 m，間排距800 mm×800 mm；錨桿d22 mm，長度2.4 m，間排距800 mm×800 mm. 巷道幫部采用5根高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，1根恒阻錨索。恒阻錨索型號(hào)H-MS-500-08，其恒阻力350 kN，允許變形量300～500 mm. 支護(hù)斷面圖見圖6，注漿孔布置示意圖見圖7.

圖6 支護(hù)斷面圖

圖7 注漿孔布置示意圖

施工流程：掘進(jìn)進(jìn)尺→鋪設(shè)金屬網(wǎng)、臨時(shí)支護(hù)→噴封閉層→永久支護(hù)→打設(shè)注漿孔預(yù)先卸壓→分層次注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

為驗(yàn)證加固方案的可行性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，并對(duì)巷道表面位移及錨索破斷情況進(jìn)行檢測(cè)。在距離巷道迎頭3 m處布置第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，之后巷道每向前掘進(jìn)20 m布置下一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)距巷道迎頭相同位置的表面位移值取平均值計(jì)入最終數(shù)值。當(dāng)距迎頭20 m左右，巷道表面位移開始收斂，頂?shù)装逦灰品€(wěn)定在97 mm左右，兩幫位移穩(wěn)定在53 mm左右。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖8.

由圖8可知，當(dāng)距迎頭20 m左右，巷道表面位移開始穩(wěn)定，兩幫位移約為53 mm，頂?shù)装逦灰萍s為97 mm，巷道變形在可控范圍內(nèi)。后期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)1個(gè)月，未發(fā)現(xiàn)錨索破斷現(xiàn)象，加固方案取得良好效果。

圖8 巷道表面位移監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié) 論

1) 隨著高應(yīng)力實(shí)體煤巷道向前掘進(jìn)，巷道頂板圍巖應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，xx方向應(yīng)力峰值有所增加，yy方向應(yīng)力峰值有所降低，垂直應(yīng)力峰值有所降低；巷道頂板上方3 m處，xx方向應(yīng)力值上升了6.3 MPa，yy方向水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力分別下降了17.6 MPa、6.2 MPa.

2) 在高應(yīng)力條件下，由掘巷引起的應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致煤巖體破壞強(qiáng)度降低使圍巖橫向錯(cuò)動(dòng)，是錨索破斷的重要原因之一。

3) 工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，利用恒阻錨索配合注漿加固可以有效減小高應(yīng)力條件下實(shí)體煤巷道掘進(jìn)過程中錨索破斷率，將巷道表面位移控制在100 mm范圍內(nèi)，提高施工安全性。