富水軟巖異形巷道支護(hù)技術(shù)

楊吉平,姜 光,王益品,朱守頌

(1.神華寧煤集團(tuán)金能煤業(yè)公司,寧夏石嘴山 753000;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

富水軟巖異形巷道支護(hù)技術(shù)

楊吉平1,姜 光2,王益品2,朱守頌2

(1.神華寧煤集團(tuán)金能煤業(yè)公司,寧夏石嘴山 753000;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

以某礦 10022工作面回采巷道為例,針對富水軟巖巷道難支護(hù)的實際情況,通過RFPA數(shù)值模擬軟件對原支護(hù)方案進(jìn)行模擬,分析了不同載荷下巷道圍巖應(yīng)力以及滲流的變化情況,總結(jié)出巷道圍巖變形的規(guī)律,并據(jù)此提出了加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方式,在現(xiàn)場進(jìn)行了成功應(yīng)用,取得了良好的效應(yīng)。

富水;軟巖;RFPA數(shù)值模擬;桁架

Supporting Technology of Roadway with HighWater-content and Soft Rock

近二十年來我國煤礦采深不斷加大,整體開采條件趨于艱難,部分礦井的新掘巷道破壞嚴(yán)重,陷入多次修復(fù)、重復(fù)投資的困境[1],其中大部分屬于軟巖問題。因此,合理解析軟巖巷道圍巖控制機(jī)理,確定經(jīng)濟(jì)可靠的支護(hù)方式成為亟待解決的技術(shù)課題。

針對某礦 10022工作面回采巷道變形嚴(yán)重,掘后一段時期頂板部分地段潮解、滴水進(jìn)而發(fā)展到淋水的現(xiàn)象,從控制圍巖應(yīng)力與導(dǎo)水裂隙發(fā)育的角度出發(fā),提出了富水條件下軟巖巷道加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方式[2-5],即在巷道原支護(hù)方案下,于低幫肩角處加錨索桁架用以控制導(dǎo)水裂隙發(fā)育。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某礦 10022工作面回采巷道位于復(fù)雜巖層結(jié)構(gòu)中,機(jī)巷長 2614m,標(biāo)高 -580～-540m,風(fēng)巷長2638m,標(biāo)高 -530～ -500m,兩巷方位角 339°,開切眼斜長 198m,平距 192m。10號煤層平均傾角 17°,走向 NW,傾向 NE;平均厚 0.89～3.59m,煤質(zhì)松軟。機(jī)巷斷面為異形,斷面：寬 ×高 =4.2m×2.8m。直接頂以灰黑色泥巖為主,平均厚約 2.17m,局部為深灰色粉砂巖和偽頂泥巖,厚約 0～1m,據(jù)現(xiàn)場觀測,淋水處巖石手搓可碎,呈碎粒狀;基本頂為泥巖或粉砂巖,平均厚 7.6m。隨掘進(jìn)揭露,該巷道層位交錯,層理結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2 原支護(hù)方案

頂板采用 φ22mm×M24×2400mm的錨桿,幫采用 φ20mm×M22×2200mm的錨桿,間排距均為800mm ×800mm。錨索為 φ15.24mm ×6300mm,間排距為 1800mm×3200mm,每排 2根,頂板錨桿配合 KT M3型鋼帶進(jìn)行支護(hù),鋼帶梁長 4000mm;幫部采用M60鋼帶,實體煤幫梁長 2600mm,煤柱幫為2200mm。

由于支護(hù)參數(shù)的選擇以及水對圍巖的影響,在掘進(jìn)期間,頂板圍巖表面破碎,風(fēng)化和泥化現(xiàn)象嚴(yán)重,且頂板局部下沉量較大,煤幫存在片幫,底角內(nèi)擠,特別是低幫肩角處淋水較大,錨桿主動支護(hù)作用并未得到充分發(fā)揮。

2 計算機(jī)模擬

2.1 RFPA系統(tǒng)[6-7]

RFPA是Realistic(Rock)Failure ProcessAnalysis的簡稱。是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破裂過程分析數(shù)值計算軟件,是能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗工具。用該系統(tǒng)數(shù)值模擬時,其模型應(yīng)力狀態(tài)通過模型破壞過程圖片上的灰度值反映,灰度越亮表示壓應(yīng)力越大,灰度越暗表示拉應(yīng)力越大。滲流分析采用流固耦合模擬巖體破裂過程中的滲透性演化和水力梯度、流速等變化規(guī)律。

2.2 建立模型

計算機(jī)模擬以掘進(jìn)巷道實際地質(zhì)條件為原始依據(jù),以地應(yīng)力測量確定區(qū)域主應(yīng)力大小和方向,作為模型加載的邊界條件。提取頂?shù)装鍘r樣和煤樣做力學(xué)試驗,得出其單軸抗拉壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量、黏聚力等力學(xué)性質(zhì)參數(shù),為計算機(jī)模擬提供真實依據(jù)。其圍巖力學(xué)性質(zhì)見表 1。

表1 圍巖力學(xué)性質(zhì)

鑒于 RFPA系統(tǒng)軟件是二維模擬,為便于觀測,只模擬巷道斷面取原支護(hù)參數(shù)下的變形情況,并得出其圍巖變形規(guī)律。巷道模型為 200×200個單元,模型高 20m,寬 20m,巷道高 2.8m,寬4.2m,單元尺寸為 200mm×200mm,模型與實體比例為 1∶100。

2.3 模擬分析

2.3.1 巷道圍巖應(yīng)力分析

模擬開挖巷道初始圍巖應(yīng)力分布如圖 1(a)所示。采用原支護(hù)方案下,其圍巖應(yīng)力分布為肩角及兩幫處壓應(yīng)力集中,頂板圍巖應(yīng)力稍小。由于頂板為富水軟巖,其錨桿 +錨索組合的支護(hù)方式從圖1(b)中得出頂板組合梁雖然作用明顯,但在巷道載荷至 8.1MPa時圍巖發(fā)育至較大范圍的彈 -塑變形,并伴有微裂隙。巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移趨于偏離,由于錨桿和錨索的懸吊加固作用減少了直接頂離層的產(chǎn)生,使其還保持在一個相對穩(wěn)定狀態(tài)。此為控制富水軟巖巷道圍巖變形及滲水的關(guān)鍵,進(jìn)行合理的控制巷道煤柱幫非對稱變形趨勢,可更好控制導(dǎo)水裂縫帶的產(chǎn)生,使其不能形成暢通的水力通道進(jìn)而影響采掘施工。

圖1 原支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力 -滲流模擬

2.3.2 巷道圍巖滲流分析

圍巖裂隙受采動和載荷加大影響逐漸產(chǎn)生并動態(tài)發(fā)育[5],當(dāng)外部圍巖存在充足的補(bǔ)給水源時,此裂隙會形成水力通道直達(dá)巷道,形成支護(hù)難題。因此,控制導(dǎo)水側(cè)圍巖泥化流變變形成為防 (堵、隔)水關(guān)鍵。如圖 1(a)右部圖所示,巷道開挖初期,巷道淺部圍巖破裂,原生裂隙受采動逐漸壓密,此時深層富水巖層和巷道頂板松軟泥巖并未貫通,只有個別地段淺部含水巖層釋放。當(dāng)巷道載荷變大,淺部圍巖破碎使塑性變形往深部調(diào)整,如圖1(b)右部圖所示。在此狀態(tài)下由于應(yīng)力場與滲流場的耦合作用,巷道淺部頂板巖層納水性開始增強(qiáng),以充實塑性變形中留下的微裂隙,如控制不當(dāng),圍巖裂隙發(fā)育將經(jīng)歷了由小到大的過程,最終形成暢通的導(dǎo)水帶,頂板潮解、滴水進(jìn)而發(fā)展到淋水。可見,富水軟巖巷道控制頂板水的關(guān)鍵在于強(qiáng)化低幫頂板及肩角的深部巖層控制,防止外圍水對巖體力學(xué)性質(zhì)劣化。

分析得出原支護(hù)方式在復(fù)雜的富水軟巖巷道中,難以阻擋巷道圍巖發(fā)展進(jìn)入泥化流變變形階段。加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方案,如圖 2所示。圍巖應(yīng)力分布與原支護(hù)時相似,但圍巖變形明顯要小,這是由于錨桿 (索)桁架支護(hù)中肩角處錨索 (桁架)更好地控制了深部巖層裂隙發(fā)育所致,頂幫及肩角的錨桿承載效果更加明顯。巷道頂板變形情況明顯優(yōu)于原支護(hù)方式。圍巖的抗變形能力隨承載力的加強(qiáng)而升高,穩(wěn)定的圍巖應(yīng)力和較小的變形,有效地阻止了地下水滲入巖體導(dǎo)致其泥化和塑化。

圖2 錨索桁架支護(hù)方案

3 工程效果

圖3 表面變形速率曲線

實驗巷道兩幫和頂?shù)装逡平侩S時間的變形速率曲線如圖 3所示,由圖得出,表面變形量在初期變化較為明顯,掘后二周左右基本趨于穩(wěn)定。數(shù)值模擬中的頂?shù)装遄冃瘟壳€比實測要平緩,這是由于現(xiàn)場實際來壓方式與模擬存在一定誤差造成的,但其總體變形趨勢基本一致。據(jù)現(xiàn)場跟蹤觀測,采用錨桿 (索)桁架加強(qiáng)支護(hù)方式在巷道掘進(jìn) 2個月后,圍巖保持了良好的穩(wěn)定性,頂板圍巖礦壓顯現(xiàn)比原支護(hù)方案時明顯得到改善?？梢娫诟凰泿r異形巷道進(jìn)行錨桿 (索)桁架加強(qiáng)支護(hù)方式有效地控制了圍巖變形和導(dǎo)水裂隙,達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

(1)通過 RFPA對富水條件下異形軟巖巷道進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同載荷下巷道圍巖應(yīng)力及滲流情況,據(jù)此提出加強(qiáng)錨桿 (索)桁架支護(hù)方式。

(2)富水軟巖異形巷道頂板圍巖破壞先從低幫開始,逐步發(fā)展到整個頂板的離層和破碎,導(dǎo)水裂隙發(fā)育基本與頂板破壞一致,控制頂板水的主要方法就是控制頂板巖石的完整性。采用加強(qiáng)錨桿(索)桁架支護(hù)方式可更好的均布頂板及肩角處圍巖應(yīng)力,取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

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TD353

B

1006-6225(2010)01-0068-03

2009-08-13

楊吉平 (1971-),男,寧夏中寧人,高級工程師,現(xiàn)任神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金能煤業(yè)公司經(jīng)理。

王興庫]