軟巖耦合支護在復采空區(qū)二次活化巷道的應用

魏國帥 王 開 張小強 張佳飛 王 超

(太原理工大學，山西省太原市，030024)

軟巖耦合支護在復采空區(qū)二次活化巷道的應用

魏國帥 王 開 張小強 張佳飛 王 超

(太原理工大學，山西省太原市，030024)

針對關(guān)嶺山煤礦舊采區(qū)二次活化巷道強烈礦壓顯現(xiàn)問題，分析并確定了巷道變形受舊采區(qū)頂板沖擊地壓和巷道圍巖破碎綜合影響。結(jié)合軟巖巷道耦合支護理論，通過工程地質(zhì)條件分析，確定了軟巖類型為偏應力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學機制為IAIIBDIIIAC復合變形機制，并確定支護參數(shù)和5種支護方案。采用FLAC3D軟件的Extrusion模塊功能，建立舊采區(qū)三維模型，對確定的方案進行數(shù)值模擬，證明了耦合支護的有效性并進行了工程驗證。

二次活化巷道 耦合支護 變形機制 數(shù)值模擬 工程驗證

煤層經(jīng)采動后，圍巖彈性變形能充分釋放，變形逐漸趨于穩(wěn)定。由于工程擾動造成的孔洞、離層、節(jié)理裂隙飽水等現(xiàn)象的存在，冒落煤矸石再次受到工程擾動時，暫時的平衡狀態(tài)遭到破壞，極易發(fā)生變形和垮塌現(xiàn)象，即舊采區(qū)冒落煤矸石的二次活化。復采活化巷道支護與普通巷道支護相比，難點在于舊采區(qū)懸露頂板具有沖擊傾向性，易對活化巷道形成沖擊地壓。此外，由于活化巷道圍巖結(jié)構(gòu)疏松、容重小、孔隙率大、強度低、硬度小等特性，容易產(chǎn)生塑性變形和流變變形。支護時除了考慮對舊采區(qū)頂板可能出現(xiàn)的動壓進行預防和支護外，還需要對活化巷道進行耦合支護。

本文根據(jù)關(guān)嶺山煤礦活化巷道礦壓顯現(xiàn)情況，結(jié)合軟巖巷道耦合支護理論，確定復合變形力學機制，并利用FLAC3D軟件建立三維模型，對不同支護方案進行模擬，驗證耦合支護的優(yōu)越性，并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了支護效果的有效性。

1 工程地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

關(guān)嶺山煤礦3#煤層埋深188 m，厚度3.51 m。由于采煤方法落后，20世紀使用挖底留頂?shù)姆恐讲擅悍椒ㄆ茐男缘亻_采了3#煤下分層約2 m厚的底煤，舊采區(qū)分布如圖1所示。

圖1 舊采區(qū)分布圖

舊采區(qū)斷面尺寸為6 m×4.51 m，受采動影響，頂煤垮落將舊采區(qū)充填，直接頂保持相對完整，形成空隙型空區(qū)，如圖2所示。

圖2 空隙型舊采區(qū)模型圖

1.2 巖體特性分析

3#煤層頂?shù)装辶W特性見表1。由表1可知，3#煤層頂、底板均為泥巖，強度低、結(jié)構(gòu)松散。

表1 3#煤層頂?shù)装迩闆r表

2 耦合支護方案設計

2.1 方案分析

根據(jù)對關(guān)嶺山煤礦工程地質(zhì)條件的分析，確定復采巷道軟巖類型為偏應力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學機制為IAIIBDIIIAC復合變形機制。經(jīng)過現(xiàn)場實際勘察，結(jié)合工程地質(zhì)條件和軟巖巷道耦合支護理論，確定采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層的耦合支護。

2.2 支護參數(shù)設計

2.2.1 錨網(wǎng)索支護參數(shù)

錨桿桿體選用左旋無縱筋螺紋鋼筋專用錨桿鋼材,極限拉斷力85.2 kN，屈服力為124.6 kN，延伸率18%。錨固劑選用MSZ28/35中速樹脂錨固劑，直徑28 mm，長度350 mm，每根錨桿使用1卷，每根錨索使用3卷。金屬網(wǎng)選用8#鐵絲編織菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為120 mm×120 mm。

2.2.2 老空區(qū)注漿參數(shù)設計

高水材料采用硫鋁酸鹽水泥作為A料，生料石膏和熟料生石灰及膨潤土等按照一定的配比組合作為B料，復合緩凝劑作為AA料，促凝劑、懸浮分散劑等組成復合促凝劑作為BB料。

2.2.3 工字鋼棚參數(shù)設計

選用11#工字鋼棚，牌號為20MnK，理論重量為26.1 kg/m，間距為0.7 m。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用數(shù)值分析軟件FLAC3D的Extrusion模塊創(chuàng)建模型。模型尺寸為120 m×120 m×48 m，煤柱尺寸均按照真實的尺寸進行創(chuàng)建，擴幫后煤柱尺寸為30 m×30 m，煤房尺寸為 30 m×2 m，實體煤及頂?shù)装鍘r層本構(gòu)模型均采用采用庫倫—莫爾模型，冒落頂煤采用彈性模型，并賦以合適的參數(shù)。三維模型如圖3所示。

圖3 房柱式采煤法三維模型圖

3.2 模擬方案

模型建立后，依照設計參數(shù)，分別設置5種方案進行對比，具體支護方案見表2。

表2掘進巷道最優(yōu)支護參數(shù)

方案支護方式1無任何支護2錨桿錨索支護，未對活化巷道破碎圍巖進行注漿3僅對活化巷道破碎圍巖注漿，無錨桿錨索4錨網(wǎng)索+注漿+W型鋼帶聯(lián)合支護5錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護

3.3 模擬結(jié)果分析

不同支護方案屈服破壞示意圖如圖4所示。由圖4(a)和圖4(b)可知，無支護和僅錨桿支護條件下舊采區(qū)頂板破壞范圍可達2 m，活化巷道受采動破壞及舊采區(qū)頂板沖擊載荷的作用下完全破壞。由圖4(c)可知，僅對活化巷道破碎圍巖注漿條件下，活化巷道兩幫表面及內(nèi)部0.9 m范圍內(nèi)發(fā)生破壞，頂板破壞范圍可達0.5 m。由圖4(d)可知，采用錨網(wǎng)索+注漿+W型鋼帶支護方案后，舊采區(qū)破壞范圍得到明顯控制，僅在兩幫及頂角0.5～1 m范圍內(nèi)發(fā)生塑性破壞。但是舊采區(qū)頂板破壞范圍仍可達2 m，直接頂容易垮落引起沖擊地壓。由圖4(e)可知，活化巷道支護改為11#工字鋼棚后，活化巷道支護效果良好。此外在舊采區(qū)內(nèi)采用錨桿錨索支護，舊采區(qū)頂板破壞范圍減小到0.8 m，頂板離層得到控制，減小了沖擊地壓的風險。

圖4 不同支護方案屈服破壞圖

圖5 不同支護方案應力云圖

采用不同支護方案的應力云圖和應力曲線分別如圖5和圖6所示，由圖5和圖6可知，應力增高區(qū)位于兩幫3.5～5.5 m范圍內(nèi)，應力峰值分別為8.92 MPa、8.90 MPa、8.69 MPa、8.47 MPa和8.39 MPa，應力集中系數(shù)分別為1.84、1.83、1.79、1.75和1.73，峰值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，表明支護效果不斷增強。由圖6可知，應力曲線呈孤峰型，其中無支護方案峰值最大，采用耦合支護方案峰值最小，表明采用耦合支護方案后應力峰值減小，應力集中現(xiàn)象有所緩解，耦合支護效果良好。

圖6 活化巷道兩側(cè)應力曲線

4 工程實踐

4.1 圍巖變形監(jiān)測方案

為了驗證耦合支護方案及支護參數(shù)在工程實踐中的效果，利用頂板離層儀和多點位移計對活化巷道頂?shù)装寮皟蓭蜕畈繃鷰r變形進行監(jiān)測。選取軌道大巷以東100～300 m范圍內(nèi)的100 m、140 m、180 m、220 m、260 m和300 m共6個斷面，分別對6個斷面的變形量進行分析，并繪制曲線圖。

圖7 兩幫測點移近量

4.2 圍巖變形分析

采用BOF-EX鉆孔多點位移計對巷道左右兩幫6 m內(nèi)的深部圍巖移近量進行了監(jiān)測, 測點孔徑為76 mm。測點布置在距離巷道兩幫表面1 m、2 m、3 m、4 m、5 m和6 m處，每個巷幫共布置6個測點，兩幫移近量如圖7所示。由圖7可知，巷幫圍巖深部1 m處圍巖移近量最大，可達18.4 cm，最小為13 cm；巷幫圍巖深部6 m處最大為4.2 cm，最小僅為0.2 cm。

采用ZKBY型托盤型頂板離層儀對頂板變形情況進行了監(jiān)測，監(jiān)測點共3個，分別布置在巷道頂板中央距頂板表面1 m、2 m和3 m處。頂板移近量如圖8所示。

圖8 頂板測點下沉量

由圖8可知，距頂板內(nèi)部1 m處下沉量最大可達到8.5 cm，最小下沉量僅為4.5 cm，頂板內(nèi)部3 m處下沉量達到5 cm，在巷道100 m斷面處，頂板表面下沉量為4.3 cm，最小下沉量為1.8 cm。

綜上可知，采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護后，對二次活化巷道圍巖起到了良好的支護作用，能夠滿足正常安全生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合關(guān)嶺山煤礦現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)特點及空隙型舊采區(qū)的結(jié)構(gòu)特點，提出二次活化巷道圍巖破壞是舊采區(qū)頂板沖擊地壓和活化巷道軟巖破碎雙重作用的結(jié)果，巷道支護時應綜合考慮減小沖擊傾向性和阻止破碎軟巖塑性變形及流變變形。

(2)類比二次活化巷道與軟巖巷道在性質(zhì)、強度、結(jié)構(gòu)上的特點，確認二者在破壞和變形機制上的相似性。引入軟巖巷道耦合支護理論并對工程地質(zhì)條件、圍巖特性進行分析，確定二次活化巷道軟巖類型為偏應力—斷層化—膨脹性軟巖(HDS)，變形力學機制為IAIIBDIIIAC復合變形機制。

(3)根據(jù)軟巖類型和變形機制，有針對性的提出采用錨網(wǎng)索+工字鋼棚+背板+破碎圍巖注漿+緩沖層耦合支護，并通過方案對比、數(shù)值模擬、工程驗證等方式肯定了耦合支護的效果，確認該支護方式適用于二次活化巷道。

[1] 張小強. 厚煤層殘煤復采采場圍巖控制理論及其可采性評價研究 [D]. 太原理工大學，2015

[2] 童立元，邱鈺，劉松玉等. 高速公路與下伏煤礦采空區(qū)相互作用規(guī)律探討 [J]. 巖石力學與工程學報，2010(11)

[3] 李磊，柏建彪，王襄禹等. 松軟破碎煤巷注漿加固技術(shù)與應用 [J]. 煤炭科學技術(shù)，2010(8)

[4] 何滿潮，齊干，程騁等. 深部復合頂板煤巷變形破壞機制及耦合支護設計 [J]. 巖石力學與工程學報，2007(5)

[5] 伊康，魏昌彪，尚奇等. 綜放復采面過空巷支架適應性數(shù)值模擬研究 [J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)，2017(2)

[6] 鄧紅衛(wèi)，朱和玲，周科平等. 基于FLAC3D數(shù)值模擬的前后處理優(yōu)化研究 [J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)，2008(2)

[7] 趙通，弓培林，王開等. 殘煤復采區(qū)域破碎軟巖巷道變形機理及控制 [J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)，2014(6)

[8] 張向東，李慶文，黃開勇等. 采動影響下大跨度煤巷耦合支護技術(shù)研究與應用 [J]. 巖石力學與工程學報，2014(1)

[9] 齊干，李占金，郭志飚. 鶴煤五礦深部車場工程耦合支護設計及應用 [J]. 采礦與安全工程學報，2011(4)

Applicationofsoftrockcouplingsupportinsecondaryactivationroadwayatresidualmininggob

Wei Guoshuai， Wang Kai， Zhang Xiaoqiang， Zhang Jiafei， Wang Chao

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

Aiming at the occurrence of strong mining pressure in secondary activation roadway in residual mining area of Guanling Mountain Mine, the deformation of the roadway affected by roof rock burst and brittle roadway surrounding rock was analyzed and determined. Combined with soft rock roadway coupling support theory, through the geological engineering condition analysis, the soft rock type was considered as the partial stress-fault-expansion soft rock(HDS), the deformation mechanics mechanism was IAIIBDIIIACcompound deformation mechanism and thus the support parameters and five support programs were determined. Using the Extrusion module function in FLAC3D software, the three-dimensional model of residual mining area was established, and the numerical simulation of the scheme verified the effectiveness of coupling support and engineering validation.

secondary activation roadway, coupling support, deformation mechanism, numerical simulation, engineering verification

TD353

A

魏國帥，王開，張小強等. 軟巖耦合支護在復采空區(qū)二次活化巷道的應用 [J]. 中國煤炭，2017，43(11)：64-68.

Wei Guoshuai，Wang Kai，Zhang Xiaoqiang, et al. Application of soft rock coupling support in secondary activation roadway at residual mining gob [J]. China Coal，2017,43(11)：64-68.

魏國帥(1992-)，男，山西陽泉人，碩士，主要從事礦山壓力與巖層控制研究。

(責任編輯 陶 賽)