大同礦區回采巷道覆巖穩定性分類及支護參數優化

程志斌,王祖洸,李化敏,王文強

(1.河南理工產業技術研究院有限公司,河南 焦作 454000; 2.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454000)

巷道錨桿(索)支護理論體系經過數十年的發展已經逐步成熟,如懸吊理論[1-2]、松動圈理論[3-5]、圍巖強度強化理論[6-8]、高預應力支護理論[9-11]等,為大同礦區錨網索支護技術發展奠定了必要的理論和技術基礎。由于大同礦區特厚煤層和覆巖堅硬巖層較多,在錨網索支護應用過程中仍存在如下問題:①支護設計單純考慮懸吊理論,對錨桿錨索對圍巖強度加強作用和錨桿錨索協同支護等復合承載結構等的認知不足,導致一段時間以來,錨索設計長度一味加長;②支護設計缺乏理論依據,存在簡單的工程類比現象,造成支護參數不合理、支護成本偏高;③設計錨固力和預緊力偏低,導致高強度錨桿材質性能不能充分發揮作用;④支護材料強度選配不合理等。如何選擇合理有效的錨網索支護參數對煤礦安全高效生產有著重要意義。

針對大同礦區煤層厚度大、覆巖堅硬頂板多的地質特征,為規范和優化大同礦區回采巷道錨網索支護設計,在分析該地區煤層覆巖結構特征的基礎上,對回采巷道頂板穩定性進行分類,結合錨桿和錨索聯合支護機理,對大同礦區回采巷道進行有針對性的支護設計,同時在同煤礦區進行現場應用。

1 大同礦區覆巖結構分析及覆巖穩定性分類

回采巷道區域上覆巖層大結構特征決定了該區域巷道大的應力環境,并能反映工作面采動后巷道圍巖應力變化的大趨勢。當大結構下位采掘工程小于結構體失穩臨界跨距時,組成上覆大結構的每一層關鍵巖層,除能夠自穩以外,還具有承受一定的上部荷載,保持下位采掘巷道穩定的能力?；蛘哒f,向下位巷道傳導自身巖層重量或上部一定范圍的松軟巖層重量的傳導性很弱,即能成為下位巷道的保護巖層,采掘工程所受的力僅為巷道頂板上的最近的上位關鍵層下的巖層重量,使巷道上覆的載荷大大降低[12-15]。覆巖大結構一般包括可以形成鉸接結構的基本頂、關鍵層及其上覆巖層。

主采煤層上覆小范圍的巖層結構,即覆巖小結構包括巷道錨桿組合支護與錨固體20 m左右范圍的巖體,該部分巖體的特征或完整性決定了巷道圍巖的穩定條件及可錨性和穩定性的一般性規律[12-13,16]。掌握覆巖大小結構特征,對于從宏觀上了解和把握巷道圍巖的受力大小、確定巷道支護強度具有十分重要的意義。

1.1 大同礦區覆巖特征

大同礦區為侏羅、石炭雙系賦存,可采煤層多達26層[17]。侏羅系含煤地層總厚74～264 m,平均厚210 m,可采煤層21層,單層最大厚度7.81 m。石炭系煤層主采3～5號和8號煤層,埋深大(H>350 m)、厚度大(h>14 m)、結構復雜、頂底板堅硬。3～5號煤層直接頂主要為高嶺質泥巖、炭質泥巖、砂質泥巖,部分為煌斑巖互層,局部直接位于煤層之上;底板多為炭質泥巖、泥巖及高嶺巖,少量粉、細砂巖。

通過對大同礦區80個典型礦井地質鉆孔柱狀圖進行分析,礦區主采煤層上覆巖層以砂巖為主,并廣泛分布著細砂巖、中砂巖、含礫砂巖等堅硬巖層。堅硬砂巖層占比大于60%,局部區域可達80%以上。其中,在上覆100 m范圍內占比達62%,上覆50 m范圍內占比達50%,并在上覆20 m巖層以上普遍存在單層厚度大于5 m堅硬巖層。并且煤層頂板巖體層理、節理裂隙不發育,在覆巖大結構保護下,巷道自穩定能力強,因此無需高強度支護。

1.2 覆巖大、小結構特征表征參數——覆巖結構指數

大同礦區主采煤層上覆多層堅硬砂巖,能自穩并能承受上部一定范圍松散巖層荷載,該特點對巷道支護設計有著重要影響?；谏鲜龃笸V區80個典型礦井地質鉆孔獲得的覆巖分布及結構特征,提出反映巷道上覆巖大結構承載能力和小結構穩定性的重要特征參數——覆巖結構指數。其計算方法為:根據巷道附近鉆孔柱狀圖,分別將巷道頂板上覆全部地層、上覆50 m范圍內單層厚度大于5 m的堅硬巖層比例,以及上覆20 m范圍內單層厚度大于3 m的堅硬巖層比例,在現場經驗和理論分析的基礎上,確定各指標的權重并進行加權求和。經統計分析,大同礦區巷道覆巖結構指數計算公式如下:

(1)

式中:k為覆巖結構指數;h1為巷道頂板20 m范圍內單層厚度大于3 m的堅硬巖層總厚度,m;h2為巷道頂板50 m范圍內單層厚度大于5 m的堅硬巖層總厚度,m;h3為巷道頂板上覆巖層單層厚度大于5 m的堅硬巖層總厚度,m;H為巷道頂板到地表的覆巖總厚度,m。

1.3 巷道覆巖穩定性分類

根據大同礦區回采巷道圍巖條件,以巷道覆巖結構指數為主要指標,以穩定巖層與巷道頂板的距離和巷道松動圈范圍為參考指標,結合巷道埋深、煤厚、采動影響等特征,將大同礦區回采巷道頂板穩定性分為5類,見表1。

表1 大同礦區回采巷道頂板穩定性分類

2 錨網索初始支護參數設計

錨網索支護是指利用錨桿、錨索及護表材料構成的圍巖加固系統,是一種控制巷道圍巖穩定性的技術。其作用機理是通過主動施加預緊力[18-20],改善錨固圍巖力學性能與應力狀態,提高圍巖體強度和自穩能力,使錨固區內的巖體受到擠壓形成梁、層、拱、殼等承載結構,從而保證圍巖自身的穩定,并能承受來自外部的動靜荷載。

2.1 錨桿、錨索設計參數對支護效果的影響

針對大同礦區錨網索支護應用存在的誤區,采用FLAC3D數值模擬的方法對錨桿、錨索支護參數及其協同作用對支護效果的影響進行分析。

2.1.1 錨桿(索)長度對其預應力在圍巖中擴散的影響

錨桿長度分別為1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0 m條件下,施加90 kN預緊力時預應力及0.1 MPa壓應力擴散范圍如圖1所示;錨索長度分別為6.3、7.3、8.3、9.3 m條件下,施加300 kN預緊力時預應力及0.1 MPa壓應力擴散范圍如圖2所示。

圖1 預緊力90 kN的不同長度錨桿壓應力擴散范圍

圖2 預緊力300 kN的不同長度錨索壓應力擴散范圍

由圖1～2可知,在預緊力一定條件下,錨桿(索)的預應力擴散范圍是有限的,隨著錨桿(索)長度的增加,自由端和錨固端壓應力逐漸分離,且分離后自由端的壓應力場范圍隨長度增加幾乎不再變化。表明在預緊力一定和錨固端保持穩定的條件下,過長的錨桿(索)無法起到增強支護的作用,因此,在進行巷道支護設計時應合理選取錨桿(索)的長度,使其可以發揮最大的效用。

2.1.2 預緊力對其預應力在圍巖中擴散的影響

錨桿長度2.4 m、間距1.0 m,分別施加30、60、90、120 kN的預緊力時壓應力擴散范圍如圖3所示。

由圖3可知,隨著預緊力的增大,錨桿自由端和錨固端壓應力場強度和范圍也相應增大,并由分離狀態逐漸疊加到一起,形成連續的壓應力區。當預緊力達到90 kN后,錨桿間已經形成連續的壓應力區,表明預緊力是影響錨桿壓應力場強度和擴散范圍的關鍵因素。因此,在進行巷道支護設計時,在錨桿錨索拉應力允許的范圍內,應盡可能提高其預緊力,使其錨固有效范圍擴大,以形成連續的錨固結構。

2.1.3 錨桿、錨索協同控制作用

錨桿、錨索不是簡單的懸吊作用,錨桿對表面破碎巖體起到強化作用,錨索利用深部巖體的完整性,在錨固端形成三向應力穩定狀態,與錨桿的表面強化作用共同形成深部和淺部應力場的組合疊加,起到協同控制作用。錨桿群的壓應力場與錨索錨固端的壓應力場相互疊加,形成連續的壓應力區,起到大范圍疊加強化協同控制效應[21-24]。在錨桿預緊力90 kN、錨索預緊力300 kN,不同錨索長度和錨索間距條件下壓應力場分布特征如圖4～5所示(其中錨桿長度2.4 m,間距1.0 m)。

圖4 不同錨索長度條件下的壓應力場特征

由圖4可知,在錨索長度由6.3 m增加至9.3 m過程中,錨桿群的壓應力區范圍和強度無明顯變化。由圖5可知,錨索間距由2.0 m減小至1.5 m后,錨桿錨索整體壓應力場強度由0.2 MPa增大至0.3 MPa。在錨桿、錨索協同作用時,應合理選取錨桿、錨索的長度及間排距,施加高預緊力,使錨桿錨索間形成連續、穩定的預應力。

圖5 不同錨索間距條件下的壓應力場特征

2.2 支護參數初始設計

錨網索支護設計應采用動態信息反饋設計法,在覆巖穩定性分類的基礎上,通過“地質力學評估—初始設計—監測與信息反饋—修改設計”4個步驟,得到最終巷道設計方案。其中,錨網索支護初始設計采用理論分析和工程類比法相結合進行。根據不同圍巖類別,分別采用大—小結構穩定性理論、懸吊理論、高預應力強力支護理論、錨桿錨索協同支護理論和數值模擬等進行錨網索支護初始設計。不同覆巖穩定程度對應的初始支護設計參數見表2。

表2 巷道頂板初始支護設計參數

3 工程應用

以覆巖結構指數為主要指標的巷道頂板穩定性分類結果及相應初始設計參數在大同礦區推廣應用后,有力地促進了大同礦區各主要礦井的錨網索支護優化工作,對提高巷道掘進效率,降低巷道支護成本,達到明顯效果。以燕子山礦回采巷道支護參數優化為例進行說明。

燕子山礦4#層302盤區2210巷,煤厚平均7.95 m,埋深363～454 m,傾角1°～3°,頂板覆巖條件與2212巷相似,沿底板掘進。直接頂為粗、中、粉砂巖,厚度5.83 m;基本頂為粗、中、粉砂巖,厚度28.03 m,無偽頂。直接底為粉砂巖、高嶺巖,厚度6.2 m。2210巷和2212巷布置如圖6所示。

圖6 2210巷和2212巷布置示意圖

3.1 支護設計

1)優化前支護設計。2212巷掘進期間兩側為實體煤,巷道斷面寬×高為5.2 m×3.5 m。頂幫錨桿規格均為?20 mm×2 400 mm,頂錨桿8排,間排距900 mm×900 mm,配W鋼帶4 800 mm×220 mm×3 mm;幫錨桿4排,間排距900×900 mm,配短鋼帶450 mm×220 mm×3 mm。頂錨索2排,規格?17.8 mm×7 000 mm,間排距2 000 mm×3 000 mm。支護參數如圖7(a)所示。

(a)優化前

(b)優化后

2)優化后支護設計。經采用覆巖結構指數對巷道頂板穩定性進行分類后,2210巷支護按照Ⅲ類中等穩定頂板進行支護優化。優化后頂錨桿規格不變,布置6排,間排距1 000 mm×1 000 mm;幫錨桿規格調整為?18 mm×1 700 mm,布置3排,間排距1 000 mm×1 000 mm。頂錨索長度調整為6 300 mm,其余參數不變。支護參數如圖7(b)所示。

3.2 巷道支護優化效果及效益

1)經長期礦壓觀測,2210巷與2212巷掘進期間頂板均無明顯變化,僅在回采期間2210巷超前10 m范圍頂底板移近量比2212巷相對增大50～100 mm,但整體頂板完整,其余段均也無變化。

2)經計算,2210巷優化后可節約錨桿4.6根/m,錨索0.5 m/m,根據回采巷道年掘進量12 000 m估算,可節約錨桿55 200根/a,錨索6 000 m/a,直接經濟價值約430萬元。

3)2210巷經支護優化后,每循環支護時間節約25～30 min,掘進效率提高約20%,單進水平由日推進8 m提升至9～10 m。

4 結束語

1)覆巖結構和巖層強度是決定巷道圍巖壓力大小的重要因素,基于覆巖大、小結構特征建立巷道頂板穩定性分類表征參數——覆巖結構指數,并根據大同礦區煤層覆巖分布特征將該地區回采巷道頂板穩定性劃分為5種類型。

2)針對大同礦區傳統巷道支護存在的誤區,通過數值模擬分析了錨固長度、預緊力,以及錨桿、錨索聯合作用對巷道支護的影響,得到:①在預緊力一定和錨固端保持穩定的前提下,加長錨桿、錨索長度起不到增強支護的作用;②錨索支護不是單一的懸吊作用,合理改變預緊力使錨桿、錨索預應力場大范圍疊加,起到協同控制巷道圍巖變形作用。

3)在燕子山礦4#層302盤區2210巷采用基于巷道穩定性分類的支護優化方法,應用優化后的支護方式與原支護方式相比,巷道得到良好的支護,同時大大節約了支護成本,加快了巷道掘進速度,為企業帶來了明顯的經濟效益,同時對其他類似礦井起到了示范作用。