褶曲斷層區(qū)廢矸置換巷圍巖控制技術(shù)

楊永強

(晉能集團有限公司,太原 030032)

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷成熟,巷道圍巖控制技術(shù)也在不斷進步,其針對各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的圍巖控制技術(shù)也不斷被提出,且被應(yīng)用于現(xiàn)場實踐中。閆帥等[1]基于斷層巖性和水文地質(zhì)等條件分析了多種應(yīng)力疊加機制和含水層上巷道過斷層圍巖破壞規(guī)律,提出相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)。劉振杰[2]研究了孤島工作面條件下三軟煤巷的圍巖變形特征,優(yōu)化了巷道圍巖控制方案。王襄宇等[3]針對弱膠結(jié)富水頂板巷道圍巖變形狀況,提出了錨索注漿+疏水孔+高性能錨桿索相結(jié)合的聯(lián)合控制技術(shù)。王興開等[4]研究了滑動構(gòu)造區(qū)極松軟煤層條件下巷道圍巖大變形控制機理。

新三礦在生產(chǎn)實踐中,為有效回收井下滯留煤炭資源,解決廢矸石露天堆放產(chǎn)生的問題,提出了褶曲斷層區(qū)廢矸置換煤炭資源開采技術(shù)。該技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提高了煤炭資源回收率,且實現(xiàn)了廢矸不升井的綠色開采目標(biāo),但廢矸置換巷所處的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對其支護提出了更高的要求。

1 地質(zhì)概況

新三礦位于鼓山背斜東翼,在強烈構(gòu)造運動的作用下井田構(gòu)造形式復(fù)雜,斷層構(gòu)造居多,其次為褶曲構(gòu)造,大中型斷層構(gòu)造,背斜、向斜等褶曲構(gòu)造遍布井田,組成該井田總體構(gòu)造格局。新三礦置換區(qū)域位于162110工作面采空區(qū)和162104工作面采空區(qū)之間,如圖1所示。

圖1 置換開采區(qū)位置及地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Position and geological structure of replacement mining zones

吝家溝向斜構(gòu)造屬于短軸向斜,中心區(qū)域靠近吝家溝村,最大落差有100 m,由于斷層切割使兩翼不連續(xù)、不完整,延伸2 300 m遠(yuǎn),決定礦區(qū)地層產(chǎn)狀的形成,其內(nèi)存在7條小斷層,落差1.0 m～2.5 m,1號廢矸置換巷位置如圖1所示,本文將重點分析其復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境圍巖破壞特征,并據(jù)此提出針對性支護方案。

廢矸置換巷道位于2煤層,屬于向斜構(gòu)造,兩翼角度是10°,煤層厚度是3.9 m～4.6 m,平均厚度是4.5 m。2煤層頂板裂隙較發(fā)育,頂板完整性差,偽頂主要是厚0.64 m的細(xì)砂巖和炭質(zhì)泥巖,直接頂是厚2.3 m的細(xì)砂巖,基本頂是厚5.8 m的細(xì)砂巖,直接底是厚3.18 m的粉砂巖,基本底是厚2.65 m的中粒砂巖,其煤巖層柱狀圖見圖2。

圖2 煤巖層柱狀圖Fig.2 Coal strata column

2 置換巷圍巖變形破壞分析

2.1 復(fù)雜疊加應(yīng)力場

根據(jù)現(xiàn)場實踐可知,新三礦孤島置換區(qū)的平均寬度為80 m,其回采引起的支承壓力影響距離大于40 m,且以褶曲軸向為軸置換開采區(qū)域呈不對稱分布形態(tài),導(dǎo)致煤巖體各部分承受的構(gòu)造應(yīng)力分布不均衡,造成巷道圍巖不協(xié)調(diào)變形。因此,孤島置換區(qū)域的支承應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱的馬鞍狀分布,如圖3所示。

圖3 褶曲孤島置換區(qū)支承應(yīng)力分布圖Fig.3 Distribution of abutment pressure in fold island replacement zone

置換區(qū)域兩側(cè)邊緣的支承壓力與褶曲構(gòu)造應(yīng)力將重疊在一起使孤島置換區(qū)中央的載荷急劇增加,應(yīng)力集中程度大幅增大,集中系數(shù)值超過3。水平應(yīng)力是影響兩幫內(nèi)擠、片幫、底臌的主要力學(xué)因素,孤島煤柱正處于向斜軸部水平應(yīng)力較高區(qū),水平應(yīng)力是垂直應(yīng)力的2倍～5.5倍,煤體受剪切破壞程度顯著增強,出現(xiàn)滑移、錯動現(xiàn)象。因此,置換區(qū)域的煤體不僅要承受較高的支承壓力,且還將受到極高的水平擠壓作用,導(dǎo)致圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重,承載性能大幅降低。巷道圍巖還需承受較大的支承應(yīng)力,使巷道頂板沿最大剪應(yīng)力方向發(fā)生跨冒和切頂事故。此外,由于孤島置換區(qū)兩側(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力呈非對稱分布,產(chǎn)生不對稱變形,支護體被各個擊破,支護系統(tǒng)容易失效。在高支承應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力疊加作用下,置換區(qū)煤巖體遭到嚴(yán)重破壞,長期處于塑性流動狀態(tài),承載能力大幅降低,變形劇烈,巷道支護要比普通巷道的支護難度要大,需要采取高強度的支護方式來控制巷道圍巖的大變形,提高巷道穩(wěn)定性。

2.2 煤巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育程度

褶曲主要是在水平擠壓力作用下形成,其軸部裂隙發(fā)育,廢矸置換巷區(qū)域內(nèi)有多條斷層(圖1),破壞了煤巖體的整體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致圍巖愈加破碎,降低圍巖殘余強度低。通過調(diào)研廢矸置換巷道附近的南正巷、南副巷,發(fā)現(xiàn)此處巷道頂板裂隙發(fā)育,頂板下沉量大,多處出現(xiàn)漏冒和片幫現(xiàn)象,底臌量較大,進行多次的翻修。

構(gòu)造裂隙的存在,大幅增加了巷道圍巖穩(wěn)定性控制的難度。淺部圍巖破碎導(dǎo)致應(yīng)力向深部進一步轉(zhuǎn)移,塑性區(qū)范圍繼續(xù)擴大,加大巷道破壞深度,錨索錨固點失去了穩(wěn)定的錨固層位,顯著降低錨索支護作用。巷道兩幫為煤體且節(jié)理裂隙發(fā)育,頂板的垂直載荷繼續(xù)向兩幫傳遞和轉(zhuǎn)移,煤幫所承受的載荷迅速增長,使煤幫遭受拉伸和剪切破壞。

2.3 巷道空間位置

置換區(qū)域頂板內(nèi)存在多條老巷(圖1),設(shè)計的廢矸置換巷將與老巷空間交叉,其將受多條近距離空間交叉巷道的影響,且在各巷道圍巖疊加應(yīng)力影響下,巷道圍巖應(yīng)力集中集中系數(shù)顯著增大,使得該處圍巖應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜,其支護難度也將成倍增加。

3 置換巷圍巖控制技術(shù)

針對置換巷道圍巖所處的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境、煤巖體裂隙特征及其空間位置特點,提出了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索+錨桿(索)+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方案。

3.1 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索

高預(yù)應(yīng)力桁架錨索能主動提供水平和垂直方向的預(yù)應(yīng)力,使大部分錨固區(qū)域處于壓縮狀態(tài),顯著改善巖體的受力狀態(tài),隨著頂板的繼續(xù)變形,桁架錨索所受的拉應(yīng)力和施加的支護力也隨之增大,阻止圍巖進一步變形[5]。對于置換廢矸區(qū)域而言,其巷道圍巖的支承壓力及水平應(yīng)力都較高,其巷道頂板變形也將更加嚴(yán)重,則桁架錨索將對頂板提供更大的約束,限制頂板的彎曲下沉,且能形成閉鎖結(jié)構(gòu)控制頂板的進一步變形與垮冒。桁架錨索在巷道頂板圍巖中部將形成一壓縮區(qū)域,提高頂板圍巖的強度及抗變形能力,且可顯著降低頂板巖層最大拉應(yīng)力,減弱頂板破壞。桁架錨索本身具有較大的抗剪性能,且其斜穿過煤幫上方頂板最大剪應(yīng)力區(qū)域,能夠很好地控制頂板的剪切破壞。

3.2 錨桿索聯(lián)合作用

強力錨桿可在巷道淺部圍巖形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),改變巷道破碎圍巖的受力狀態(tài),增強其完整性和承載特性,并可抑制圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)的發(fā)展,降低塑性區(qū)流變速度[6]。錨索的使用可以進一步加強其預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的承載特性,并能進一步聯(lián)系深部穩(wěn)定巖層,與其一起抵抗淺部圍巖變形。鋼梁與金屬網(wǎng)可進一步增強預(yù)應(yīng)力錨桿索的擴散效果,增大錨桿索支護范圍,且能進一步達到護表效果,限制圍巖外移[7]。

4 工程實踐

4.1 巷道圍巖支護參數(shù)

基于理論分析和工程類比,再結(jié)合新三礦工程經(jīng)驗,綜合確定廢矸置換巷道的支護方案,如圖4所示。

1)頂板支護。巷道頂板采用錨索桁架-錨桿(索)-W鋼帶-金屬網(wǎng)支護。錨索桁架采用Φ15.24 mm×8 100 mm高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,排距為1 600 mm,鉆孔深7 000 mm,錨索孔口距煤幫1 100 mm,錨索與水平面夾角為70°。每兩排錨索桁架之間布置一根錨索,錨索與錨桿同排布置,單體錨索采用Φ17.8 mm×7 300 mm,鉆孔深7 000 mm,排距800 mm。錨桿采用Φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼高強錨桿,間排距700 mm×800 mm,角錨桿與水平面夾角為70°。

2)兩幫支護。兩幫采用錨桿(索)-金屬網(wǎng)-鋼筋托梁支護。桁架錨索采用Φ15.24 mm×5 300 mm高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索,兩根錨索用鋼筋托梁聯(lián)接,排距為800 mm,呈五花布置,上位錨索距頂板1 600 mm,與水平面夾角為+20°,下位錨索距底板1 275 mm,與水平面夾角為-10°;巷幫中間水平布置一排單體錨索。錨桿采用Φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿,錨桿與錨索同排布置,間排距為650 mm×800 mm。

圖4置換巷道的支護方案Fig.4 Supporting scheme of waste gangue replacement roadways

4.2 支護效果

為了驗證支護方案的支護效果,在巷道內(nèi)布置3個測站進行礦壓觀測。頂板和兩幫位移觀測結(jié)果如圖5所示。

圖5 巷道變形曲線Fig.5 Roadway deformation curves

監(jiān)測結(jié)果表明,觀測初期,頂幫變形速度快,增幅大,然后變形速率減小,在第8 d左右出現(xiàn)了快速增長,在26 d～35 d巷道圍巖變形呈變緩的趨勢,最后趨于穩(wěn)定。3個測站的數(shù)值略有差異,但總體上巷道圍巖的變形趨勢是相同的,頂板下沉量大于兩幫移近量,頂板、兩幫的最大表面位移分別是135 mm,110 mm,證明圍巖控制效果良好,滿足了礦井安全高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)束語

1)孤島褶曲置換區(qū)域煤體的支承壓力呈現(xiàn)非對稱的馬鞍狀分布,且其巷道圍巖變形破壞是高支承壓力與高構(gòu)造水平應(yīng)力的雙重作用。

2)高預(yù)應(yīng)力桁架錨索不但能形成閉鎖結(jié)構(gòu)控制頂板圍巖的彎曲下沉,且其能斜穿過煤幫上方頂板最大剪應(yīng)力區(qū)域,很好地控制頂板的剪切破壞。

3)采用高預(yù)應(yīng)力桁架錨索+錨桿(索)+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方案后,巷道變形在第35 d左右處于穩(wěn)定狀態(tài),頂板最大下沉量是135 mm,兩幫最大移近量是110 mm,有效控制了褶曲斷層置換巷道的圍巖變形。