采動影響巷道破碎圍巖支護技術(shù)研究

劉進陽

(山西煤炭運銷集團 陽城侯甲煤業(yè)有限公司，山西　晉城　048105)

·試驗研究·

采動影響巷道破碎圍巖支護技術(shù)研究

劉進陽

(山西煤炭運銷集團 陽城侯甲煤業(yè)有限公司，山西晉城048105)

摘要某礦-150泵房受附近26采區(qū)和28采區(qū)工作面回采過程中的多次動壓影響，巷道變形嚴重，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了采動影響巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：巷道應(yīng)力分布與工作面的相對空間位置有很大的關(guān)聯(lián)性，靠近工作面?zhèn)葢?yīng)力降低區(qū)范圍較大，破壞更嚴重。提出了二次錨網(wǎng)索(注漿)支護，現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果表明：巷道圍巖變形小，圍巖控制效果良好。

關(guān)鍵詞動壓；數(shù)值模擬；圍巖應(yīng)力；二次錨網(wǎng)索

某礦-150泵房是26采區(qū)和28采區(qū)正常安全生產(chǎn)的核心巷道，后期煤柱回收過程中也同樣承擔著排水的重要任務(wù)，其服務(wù)能力決定著后期26煤柱和28煤柱安全回收工作能否正常開展。長期以來，-150泵房受附近26采區(qū)和28采區(qū)工作面回采過程中的多次動壓影響，及工作面停采后永久煤柱的高支承壓力作用，變形嚴重，經(jīng)過多次翻修和加固，仍然出現(xiàn)失穩(wěn)變形。隨著26、28煤柱工作面的推進，勢必會對泵房產(chǎn)生更強烈的動壓影響，嚴重威脅到正常的安全生產(chǎn)。

1工程概況

該礦目前主采煤層為二1煤層，-150泵房鄰近工作面位置關(guān)系圖見圖1. 附近二1煤層平均厚度3.5 m，直接頂主要為泥巖和砂巖，直接底主要為砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r。-150泵房二1煤層底板20～30 m，埋深約410 m，從其布置層位得知，主巷道圍巖主要為砂巖和砂質(zhì)泥巖。26煤柱和28煤柱工作面附近基本上為采空區(qū)，且采空區(qū)距泵房最近距離為213 m.28煤柱工作面設(shè)計停采線距離泵房水平距離為40 m，26煤柱工作面停采線距離泵房水平距離為30 m.

泵房掘出后受構(gòu)造應(yīng)力和周圍巷道掘進、擴修影響，先后進行過多次擴修、加固，目前巷道變形嚴重，主要表現(xiàn)為巷道全斷面收縮，巷道圍巖表面大面積開裂，頂部及兩幫局部鼓起擠壓水管；底鼓嚴重，泵基礎(chǔ)發(fā)生一定角度的傾斜，影響到泵機的安全運行；行人道已經(jīng)過多次臥底，加深了對底板圍巖的擾動；泵房圍巖破碎，巷道內(nèi)大量淋水，導(dǎo)致工作環(huán)境惡劣，并存在嚴重安全隱患。此時，泵房已經(jīng)不能保證26、28煤柱工作面回采期間的正常使用。

圖1　-150泵房與鄰近工作面位置關(guān)系圖

2采動影響巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

泵房會先后受到28、26煤柱工作面采動影響，兩工作面分別布置在泵房兩側(cè)，28、26煤柱工作面設(shè)計停采線距泵房水平距離為30 m、40 m.兩工作面回采時間有一定間隔，28煤柱回采結(jié)束采空區(qū)上覆巖層垮落下沉穩(wěn)定后，26煤柱工作面采動影響范圍才覆蓋到泵房，為研究工作面動壓過程中，巷道圍巖破壞過程及其變形機理，建立FLAC3D數(shù)值模型進行數(shù)值模擬分析，數(shù)值模型尺寸為(長×寬×高)為：320 m×80 m×67 m.分15層巖層，劃分為72 090個單元。模型的水平邊界及底邊界采用零位移約束，上邊界為應(yīng)力邊界，數(shù)值模擬中，取28煤柱工作面距泵房水平距離80 m、28煤柱工作面距泵房水平距離30 m(28煤柱工作面回采結(jié)束)、26煤柱工作面距泵房水平距離90 m、26煤柱工作面距泵房水平距離40 m(26煤柱工作面回采結(jié)束)四種情況進行分析。泵房與工作面相距不同水平距離垂直位移圖見圖2.

圖2　泵房與工作面相距不同水平距離垂直位移圖

由圖2a)得知,28煤柱工作面回采對巷道影響較小，巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力分布仍較均勻，且集中區(qū)域較小。當工作面推至停采線時，見圖2b)，巷道已明顯受到采動影響，應(yīng)力集中區(qū)域范圍明顯增大，應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻性分布，靠近28煤柱工作面?zhèn)鹊淖髱蛧鷰r應(yīng)力降低區(qū)范圍明顯大于右?guī)?，較高的應(yīng)力集中往往表現(xiàn)出較大的應(yīng)力偏張量，使巖石新裂隙大量產(chǎn)生以及弱面滑移破壞，巖體結(jié)構(gòu)弱化，原彈性區(qū)一部分巖石進入塑性狀態(tài)，擴大了塑性區(qū)的范圍，同時塑性區(qū)在集中應(yīng)力的作用下也重新“激活”了其流變性能，產(chǎn)生對淺部巖體的擠壓力，巖體進入峰后狀態(tài)成為破碎區(qū)的一部分，最終導(dǎo)致巷道左幫破碎區(qū)與塑性區(qū)范圍大于右?guī)?，迫使平衡后的?yīng)力集中區(qū)域向圍巖更深處轉(zhuǎn)移。

圖2c)顯示左幫垂直應(yīng)力集中區(qū)域繼續(xù)擴大并向深部發(fā)生了一定轉(zhuǎn)移，右?guī)蛣t基本不變，說明此時巷道受到26煤柱工作面回采引起的超前支承壓力影響較小，巷道壓力變化的最要原因為煤柱高支承壓力影響。在殘留煤柱高支承壓力下泵房圍巖結(jié)構(gòu)持續(xù)弱化，但弱化速度相比工作面回采時要小得多，兩幫應(yīng)力不均勻程度加劇。

工作面均已回采結(jié)束后的應(yīng)力分布圖見圖2d)，此時泵房受到26煤柱工作面回采影響后，右?guī)蛻?yīng)力集中程度明顯增大，說明巷道應(yīng)力分布與工作面的相對空間位置有很大的關(guān)聯(lián)性，靠近工作面?zhèn)葢?yīng)力降低區(qū)范圍較大，破壞更嚴重，所以采動影響巷道中支護體因為偏載破壞的現(xiàn)象十分常見。在采動影響過程中，應(yīng)力值<2 MPa的區(qū)域主要集中在頂?shù)装?，可見頂?shù)装鍦\部圍巖發(fā)生距離變形泄壓，在進行巷道治理時應(yīng)該充分注重對頂?shù)椎目刂啤?/p>

3采動影響巷道高強穩(wěn)定型圍巖控制技術(shù)分析

結(jié)合采動影響巷道圍巖活動規(guī)律及支護承載結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)機理，從采動影響巷道控制基本原則出發(fā)，提出高強穩(wěn)定型錨索補強支護技術(shù)。

1) 注漿+高預(yù)緊力錨網(wǎng)支護技術(shù)。

注漿加固后的巖體整體性強、強度高，為錨桿支護提供了可靠的作用力基礎(chǔ)，配合使用鋼筋網(wǎng)、梯子梁等構(gòu)件更有利于錨索預(yù)緊力與工作阻力能有效的擴散到圍巖中，發(fā)揮主動支護作用，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，避免巷道圍巖變形，以及圍巖垮落等。巷道受擾動影響后，淺部圍巖中節(jié)理、裂隙等較為發(fā)育，存在大量結(jié)構(gòu)面，而主動錨網(wǎng)支護通過徑向壓縮、軸向抗剪，提高破碎巖體彈性模量、抗壓強度、粘聚力及內(nèi)摩擦系數(shù)等力學參數(shù)，即提高破碎圍巖殘余強度。

2) 高預(yù)緊力錨索補強支護技術(shù)。

采動影響巷道圍巖活動劇烈，深部圍巖發(fā)生強烈剪漲變形，采用注漿+錨網(wǎng)支護未能開發(fā)深部圍巖的承載能力，所形成的承載結(jié)構(gòu)也是“被動”抵御變形壓力。承載結(jié)構(gòu)厚度小、強度低，難以有效控制強烈采動有效巷道圍巖的穩(wěn)定性。同時，錨網(wǎng)支護所形成的支護-圍巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，存在分階段破壞的特點，尤其處于結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的巷道幫部及底板將首先破壞失穩(wěn)，進而導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)整體性失穩(wěn)。應(yīng)采取措施對承載結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性進行補強，小口徑高預(yù)緊力錨索具有的高強度、主動承載性能特性成為補強支護的最佳選擇。

4支護方案及支護效果

泵房一次錨網(wǎng)支護可按擴修前原有巷道支護方式施工。選用GDMd22 mm×2 400 mm/490高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm，在一次錨網(wǎng)支護兩排錨桿間實施高強度二次錨網(wǎng)索支護，高強度二次錨網(wǎng)索支護采用A、B兩種支護斷面，且相間布置，錨桿采用d22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm.在受采動影響后，巷道圍巖應(yīng)變軟化，圍巖松軟破碎，影響支護的效果，因此，當圍巖變形量超過100 mm時，也需要對巷道進行注漿。注漿錨桿的間排距為2 200 mm×1 600 mm.

巷道表面位移是反映巷道圍巖穩(wěn)定狀況的綜合指標。泵房實施高強錨網(wǎng)索支護技術(shù)后，開始對泵房變形情況進行為期4個月的監(jiān)測，泵房表面位移與26、28煤柱工作面相對位置關(guān)系見圖3.

煤柱工作面回采是巷道變形的主要原因，隨著工作面的推進，泵房受到超前支承壓力的影響，圍巖出現(xiàn)變形，變形量與工作面距離成正比關(guān)系。28煤柱回采結(jié)束，實際停采線距泵房40 m，泵房兩幫移近量為46 mm，頂?shù)装逡平繛?5 mm.26煤柱工作面停采線距泵房30 m，泵房在受到兩煤柱工作面采動影響下，幫部累計移近量為134 mm，頂?shù)装逡平繛?09 mm.在強烈采動影響下，移近量雖然持續(xù)增加，但始終趨勢較平緩，巷道穩(wěn)定型得到了有效控制。

圖3　泵房表面位移變化圖

5結(jié)論

根據(jù)-150的實際地質(zhì)條件及工作面采動情況，制定了高強度錨網(wǎng)索二次支護技術(shù)方案，并進行支護效果實時監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測表明，兩煤柱工作面回采產(chǎn)生的超前支承壓力是泵房變形的主要原因，隨著工作面推進，圍巖變形愈加強烈，巷道受到二次采動影響更容易變形?？傮w上看，變形量均控制在允許范圍內(nèi)，試驗效果良好。

參考文獻

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Research on Mining Impact Broken Surrounding Rock Supporting Technology of Roadway

LIU Jinyang

AbstractA coal mine -150 pump room is affected by several dynamic pressure nearby the working face of 26 mining area and 28 mining area in the process of mining, the roadway deformation is seriously. Analyzes the distribution rule of mining impact roadway surrounding rock stress by using FLAC3D numerical simulation software. Results show that the stress distribution of roadway and the relative space position of working face have a great relevance, the scope of stress relaxed area close to the working face is bigger and the damage is more serious. Puts forward secondary bolt-mesh-anchor support. Field industrial test results show that the roadway surrounding rock deformation is small, the surrounding rock control effect is good.

Key wordsDynamic pressure; Numerical simulation; Surrounding rock stress; Secondary bolt-mesh-anchor

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2015)08-0021-03

作者簡介：劉進陽(1980—)，男，山西晉城人，2015年畢業(yè)于重慶大學，助理工程師，主要從事煤炭管理工作(E-mail)496585168@qq.com

收稿日期：2015-06-18