深部構(gòu)造應(yīng)力作用下的巷道穩(wěn)定控制技術(shù)

袁秋新

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.山東新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦,山東省泰安市,271221)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

深部構(gòu)造應(yīng)力作用下的巷道穩(wěn)定控制技術(shù)

袁秋新1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116; 2.山東新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦,山東省泰安市,271221)

AbstractThis article analyses the mechanism of deformation and failure of the surrounding strata of the track dip-roadway of No.2 mining section at-850m in a certain coal mine.The article points out that bulking deformation and long-term rheological properties of the surrounding rock under the action of strong tectonic stress are the main causes leading to such roadway’s deformation,destruction and difficulty in its support.Hence the paper puts forward the technique of high strength and high pre-tightening force bolt-net supporting and the grouting reinforcement as a control technology.Field practice indicates that once the above-mentioned control technology is applied,not only the bulking deformation of surrounding rock is checked,but also the long-term rheological changes are controlled,thus the long-term stability of such roadway is ensured.

Key wordsdeep coal seam,roadway stability,roadway support,bolt support,tectonic stress,grouting reinforcement

近年來隨著礦井開采深度的增加,越來越多的巷道掘進(jìn)工程面臨著復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境,以往對此類巷道的支護(hù)設(shè)計多參考淺部巷道的成功支護(hù)經(jīng)驗,支護(hù)方案的選取和確定不夠科學(xué)、合理,巷道常常出現(xiàn)前掘后修、多次翻修、甚至冒頂、片幫的被動局面,給深部礦井的安全開采帶來巨大威脅,因而對深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下巷道的支護(hù)研究具有重要的意義。

1 工程概況

某礦開采煤系地層屬石炭二疊系,-850 m二采區(qū)軌道下山埋深998～1065 m,依次揭露中砂巖、砂質(zhì)頁巖、細(xì)砂巖,層位結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,采用應(yīng)力解除法對該區(qū)域地應(yīng)力進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見表1。該區(qū)域水平最大主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力,水平最大主應(yīng)力達(dá)到39.77 MPa,比垂直應(yīng)力高出約40%,最小水平應(yīng)力也達(dá)到了20.64 MPa,顯然該區(qū)域存在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力。在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下, -850 m二采區(qū)軌道下山按以前正常的掘進(jìn)支護(hù) (錨網(wǎng)噴),巷道變形嚴(yán)重,圍巖運(yùn)動比較劇烈,錨桿破斷現(xiàn)象嚴(yán)重,大量噴層開裂,底板破裂鼓起,巷道變形長時間不能穩(wěn)定,嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)。

表1 地應(yīng)力測量值

2 構(gòu)造應(yīng)力作用下巷道圍巖變形破壞機(jī)理分析

2.1 圍巖的碎脹性

-850 m二采區(qū)軌道下山依次揭露中砂巖、砂質(zhì)頁巖、細(xì)砂巖,這類圍巖的試塊在單軸壓縮破壞之前所達(dá)到的極限變形量很小,一般為1/1000應(yīng)變量級,如果巷道出現(xiàn)幾毫米的位移就表明巷道周邊圍巖已開始進(jìn)入破壞狀態(tài)。進(jìn)入破壞狀態(tài)的巖體在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力的作用下,巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)展匯集,引起破碎巖體沿破裂面張開、轉(zhuǎn)動、滑移等,從而形成非連續(xù)的碎脹變形。

相關(guān)研究表明,在巷道圍巖收斂變形中由圍巖破裂和破裂巖塊滑移引起的變形占到85%～95%之多,尤其在-850 m二采區(qū)軌道下山這樣的強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力條件下,巷道圍巖不但破裂范圍大,而且圍巖的碎脹性在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下表現(xiàn)得更為顯著,造成巷道掘出后初期變形十分劇烈。如果采用及時有效的初次支護(hù),碎脹變形一定程度上是可控的,但這種控制的程度非常有限。由于現(xiàn)有地下工程支護(hù)的施工方法,一般不能在巷道開挖后立即形成有效的支護(hù),雖然錨噴被認(rèn)為是較為及時與密貼的支護(hù)方式,但也有一段滯后支護(hù)時間,所以,對于-850 m二采區(qū)軌道下山的初期劇烈變形,巷道支護(hù)控制的對象就是圍巖進(jìn)入峰后破裂狀態(tài)時的碎脹大變形。

2.2 圍巖的長期流變性

-850 m二采區(qū)軌道下山經(jīng)過開挖初期的劇烈變形后,圍巖會在長時間內(nèi)以一定的變形速度持續(xù)變形,若圍巖的這種持續(xù)變形得不到有效控制,圍巖變形破壞程度將會加劇,導(dǎo)致支護(hù)體失效,進(jìn)而誘發(fā)巷道垮冒失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。圍巖持續(xù)變形的能力主要與其流變特性有關(guān),流變特性的顯現(xiàn)規(guī)律取決于圍巖應(yīng)力環(huán)境和圍巖自身的流變性能,應(yīng)力水平越高、力學(xué)性質(zhì)越弱,圍巖的流變特性越明顯。由于-850 m二采區(qū)軌道下山破裂范圍大,破裂范圍內(nèi)圍巖的力學(xué)性能大幅降低,在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下,該區(qū)域內(nèi)圍巖表現(xiàn)出明顯的流變特性,導(dǎo)致巷道持續(xù)變形不能穩(wěn)定。

3 巷道穩(wěn)定控制原理與技術(shù)

3.1 高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿支護(hù)原理

高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)克服了普通高強(qiáng)錨桿使用中存在的主要缺陷。該技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下三方面。

(1)高預(yù)緊力保證了支護(hù)系統(tǒng)初期支護(hù)需要的剛度和強(qiáng)度。支護(hù)初期,圍巖主要以破碎巖體沿破裂面張開、轉(zhuǎn)動、滑移等非連續(xù)碎脹變形為主,通過實施高預(yù)緊力支護(hù)可以及時有效控制圍巖的這種非連續(xù)變形與破壞,使圍巖處于受壓狀態(tài),最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的完整性,有效控制圍巖后續(xù)的碎脹變形。

(2)高強(qiáng)高延伸率桿體保證了支護(hù)系統(tǒng)具有足夠的延伸率,能夠適應(yīng)圍巖的碎脹大變形,實現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)在高支護(hù)阻力狀態(tài)下的讓壓功能,可以有效控制圍巖的后續(xù)碎脹變形。

(3)提高錨桿護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度,通過高強(qiáng)度護(hù)表構(gòu)件的傳遞作用,提高錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖的連續(xù)性,充分發(fā)揮高強(qiáng)高延伸率錨桿整體支護(hù)的作用。

3.2 注漿加固原理

注漿加固圍巖主要是利用漿液充填巖體內(nèi)的裂隙、將破碎的巖體固結(jié)起來,裂隙的強(qiáng)度及力學(xué)性能可以得到改善,破裂圍巖的持續(xù)變形破壞不再由原來強(qiáng)度較低的裂隙控制,而是轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓮?qiáng)度較高的圍巖控制,從而可以有效降低破裂圍巖的長期流變。

4 工程應(yīng)用

4.1 圍巖支護(hù)參數(shù)設(shè)計

通過上述對-850 m二采區(qū)軌道下山圍巖穩(wěn)定控制機(jī)理的分析,巷道支護(hù)應(yīng)采用高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù),以最大限度地保持圍巖的完整性,并限制圍巖強(qiáng)度的降低。但由于該類巷道初期變形比較劇烈,錨桿桿體要具有較大的延伸率,才能避免桿體破斷出現(xiàn)一次支護(hù)失效的問題。因此,巷道支護(hù)選用延伸率較大的20MnSi全螺紋鋼高強(qiáng)錨桿,桿體直徑為22 mm,其屈服載荷不小于141 kN,極限載荷不小于171 kN,延伸率不小于23.3%。錨桿間排距為800 mm×700 mm,13根/排,錨桿長度2.4 m;拱基線以上樹脂藥卷為雙速2360和Z2360各一支,雙速在孔底,錨固長度1.3 m,拱基線以下樹脂藥卷為CK2335和Z2360各一支,錨固長度1.0 m。錨桿支護(hù)24 h內(nèi)噴混凝土,厚度50 mm。

為滿足預(yù)緊力要求,現(xiàn)場施工中的預(yù)緊力扭矩應(yīng)不小于400 Nm。施工中采用MQT-120型錨桿鉆機(jī)打眼及安裝、緊固頂板錨桿,緊固幫錨桿螺母時則采用2600型氣動扳手,預(yù)緊力矩能達(dá)到400 Nm,巷道錨桿支護(hù)布置見圖1。

圖1 巷道錨桿支護(hù)布置圖

錨桿支護(hù)和噴混凝土工序結(jié)束后進(jìn)行注漿加固,注漿材料采用高水速凝材料,水灰質(zhì)量比為1.5∶1;為保證漿液的滲透范圍較大,確定注漿壓力為2.0～2.5 MPa,最大不超過3.0 MPa,圍巖極其破碎時注漿壓力小于2 MPa;注入的漿液應(yīng)盡量保證巷道圍巖裂隙被充填密實,原則上注到不吸漿為止;注漿孔深度2.5 m,直徑42 mm,排距2 m,每排6個孔;注漿管為鋼管,外徑20 mm,長1.5 m,注漿孔布置見圖2。

圖2 注漿孔布置圖

4.2 支護(hù)效果分析

為檢測巷道參數(shù)的合理性,掌握整個服務(wù)期間巷道圍巖變形規(guī)律,對巷道支護(hù)后進(jìn)行了觀測,巷道表面位移變形曲線見圖3。從圖3觀測結(jié)果來看,雖然巷道支護(hù)初期圍巖變形比較明顯,但巷道變形速度衰減較快,2個月后圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定,巷道穩(wěn)定后頂?shù)缀蛢蓭臀灰苾H為150 mm和120 mm左右,相比原支護(hù)方案圍巖變形大為降低。說明-850 m二采區(qū)軌道下山采用高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)和注漿加固支護(hù)方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩(wěn)定。

圖3 巷道表面位移變形曲線

5 結(jié)論

(1)針對某礦-850 m二采區(qū)軌道下山的強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力條件,研究并分析了深部巷道圍巖的變形破壞特征,認(rèn)為圍巖的碎脹性和長期流變特性是導(dǎo)致深部巷道初期變形劇烈和持續(xù)變形的主要原因。

(2)結(jié)合強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下巷道的變形破壞原因,探討了高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)體系和注漿加固控制深部巷道圍巖穩(wěn)定的作用機(jī)理。高強(qiáng)、高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)通過及時施加高預(yù)拉力可以有效阻止巷道初期的碎脹大變形,并通過高支護(hù)阻力限制錨固區(qū)內(nèi)圍巖強(qiáng)度的衰減,提高錨固區(qū)內(nèi)破裂圍巖的承載能力,控制破裂圍巖后續(xù)的碎脹變形;注漿加固利用漿液充填破裂圍巖內(nèi)的裂隙,提高裂隙面的強(qiáng)度和力學(xué)性能,減小破裂圍巖內(nèi)部裂隙繼續(xù)擴(kuò)展或沿原裂隙繼續(xù)轉(zhuǎn)動、滑移等造成的持續(xù)流變現(xiàn)象。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用表明,-850 m二采區(qū)軌道下山采用高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)和注漿加固支護(hù)方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩(wěn)定,對同類巷道支護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義和借鑒作用。

[1]柏建彪,王襄禹,賈明魁,侯朝炯.深部軟巖巷道支護(hù)原理及應(yīng)用 [J].巖土工程學(xué)報,2008(5)

[2]柏建彪,侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006(2)

[3]劉文濤,何滿潮,齊干等.深部全煤巷道錨網(wǎng)耦合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究 [J].采礦與安全工程學(xué)報,2006(3)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Roadway stability control technology for application under tectonic stress in deep strata

分析了某礦-850 m二采區(qū)軌道下山圍巖變形破壞機(jī)理,指出圍巖在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下的碎脹性和長期流變特性是導(dǎo)致該類巷道變形破壞、難支護(hù)的主要原因。提出了高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)和注漿加固的控制技術(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明,-850 m二采區(qū)軌道下山采用高強(qiáng)、高預(yù)緊力錨桿支護(hù)和注漿加固支護(hù)方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩(wěn)定。

深部煤層 巷道穩(wěn)定 巷道支護(hù) 錨桿支護(hù) 構(gòu)造應(yīng)力 注漿加固

Yuan Qiuxin1,2
(1.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu province 221116,China; 2.Xiezhuang Coal Mine,Shandong Xinwen Mining Group, Tai’an,Shandong province 271221,China)

TD322.4

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袁秋新 (1962-),男,漢族,高級工程師,現(xiàn)任新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊煤礦礦長。2006年榮獲中國煤炭工業(yè)優(yōu)秀礦長、2009年榮獲全國煤炭工業(yè)雙十佳礦長榮譽(yù)稱號,有多部專著。