軟弱厚煤層大斷面開切眼圍巖變形破壞特征

任 浩

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西方山 033100)

1 前言

隨著現(xiàn)代綜合機(jī)械化開采技術(shù)的發(fā)展，中厚煤層一次采全厚開采方法得到大面積推廣使用[1]。為滿足大型綜采設(shè)備運(yùn)輸安裝需求，人工進(jìn)出和煤炭運(yùn)輸?shù)男枰约巴L(fēng)安全的要求，開切眼斷面不斷增大，逐漸形成24m2以上的大型斷面[2]。然而斷面增大將使得巷道圍巖破壞范圍增大、穩(wěn)定性降低，尤其煤巖層軟弱時(shí)巷道變形量持續(xù)增大[3-4]，此時(shí)開切眼支護(hù)常因支護(hù)強(qiáng)度不夠不能阻止圍巖變形，而使其在松動穩(wěn)定態(tài)下出現(xiàn)階段性惡化，迫使工作面空間反復(fù)維修，造成支護(hù)成本上升，影響綜采設(shè)備的安裝[5]。鑒于此，本文數(shù)值模擬研究在趙莊煤礦地質(zhì)條件下不同錨固支護(hù)方案下開切眼圍巖的力學(xué)效應(yīng)，探究圍巖位移變形規(guī)律及破壞區(qū)分布形態(tài)，分析開切眼模型的穩(wěn)定性差異，為合理優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、提高支護(hù)強(qiáng)度、有效控制圍巖提供參考。

2 工程概況

趙莊煤礦3號煤層埋藏平均深度737.12m，煤層平均厚度4.69m，傾角為1°～7°，屬于緩傾斜煤層。煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含有兩至三層夾矸，夾矸多是砂質(zhì)泥巖，厚度為0.20～0.35m。煤層層理發(fā)育，各分層煤體力學(xué)參數(shù)差異較大，節(jié)理有一定發(fā)育。煤層直接頂多為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部地段為粉砂巖或細(xì)粒砂巖，從直接頂?shù)交卷敒檐浫酢獔?jiān)硬型，再向上也是軟弱—堅(jiān)硬相間的平行復(fù)合結(jié)構(gòu)。直接底多為砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，局部地段為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。3號煤層頂?shù)装遢^平整，裂隙不發(fā)育，管理較為容易。3號煤層頂?shù)装鍡l件屬I類型不穩(wěn)定頂?shù)装?，物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

3 開切眼數(shù)值模型

采用FLAC2D進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)工作面的煤層賦存特征，假定巖層為水平分布的，各層的巖性各向同性的、連續(xù)的，巖體中的裂隙、斷層暫不考慮[6]，巖體中的破斷符合Mohr- Coulom準(zhǔn)則。數(shù)值模擬巖體的力學(xué)參數(shù)見表1，模型長度按5倍巷道寬度再加上巷寬共計(jì)50m，模型高度取20m，開切眼的斷面尺寸為寬×高=8.5m×3.0m。在模型頂部施加18.4MPa的均布載荷，左右兩側(cè)設(shè)置水平位移約束，底部設(shè)置垂直和水平位移約束。數(shù)值模擬主要研究不同支護(hù)方案下開切眼穩(wěn)定性規(guī)律，共提3個(gè)方案，方案一：頂板錨桿直徑20mm，長2 200mm，間排距900mm；兩幫錨桿直徑20mm，長1 800mm，間距800mm,排距900mm；方案二：錨桿支護(hù)參數(shù)同方案一，頂板增加錨索，其直徑18.5mm，長7 200mm，每排布置兩根，間距3 700mm，單根距最近幫2 400mm；方案三：錨桿支護(hù)參數(shù)同方案一，加噴30mm厚砂漿。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 開切眼圍巖水平位移分布

無支護(hù)和各支護(hù)方案下開切眼圍巖水平位移如圖1至圖4所示。由于不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力，頂板不產(chǎn)生水平位移，水平位移主要位于開切眼幫部，并呈弧形分布，即位移在幫中部最大，沿頂?shù)装宸较蛑饾u減小。無支護(hù)時(shí)開切眼幫中上部內(nèi)移最大，為125mm；采用錨桿支護(hù)后，右?guī)妥畲髢?nèi)移量減小為100mm，減小了20%，左幫無明顯變化，說明單純錨桿支護(hù)對軟弱圍巖變形的控制作用十分有限，這主要是因?yàn)閲鷰r軟弱破碎區(qū)范圍大于錨桿錨固范圍，導(dǎo)致錨桿錨固段無法附著在圍巖的穩(wěn)定部位，即使有錨桿外露端托盤的徑向約束也不能阻止錨桿隨弱巖一同向開切眼內(nèi)移動變形，從而致使錨桿支護(hù)效果不佳。所以，必須采取聯(lián)合支護(hù)方式來控制開切眼變形。支護(hù)方案二是在頂板增設(shè)兩排錨索，錨索將頂板的軟弱巖層懸吊于穩(wěn)定的基本頂上，使頂板組合梁抗彎性能進(jìn)一步提高，頂板作用在開切眼幫上的側(cè)壓降低，令幫部最大移近量的分布范圍有所減小。支護(hù)方案三是在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了噴漿補(bǔ)強(qiáng)，噴將后幫最大位移減小至50mm，較無支護(hù)時(shí)降幅達(dá)60%?？梢姡瑖姖{起到了及時(shí)支撐圍巖的作用，使圍巖因掘進(jìn)而引起的壓力松弛帶不致有過大的發(fā)展，并對圍巖裂隙、節(jié)理、凹穴進(jìn)行了填補(bǔ)，完善了圍巖的整體性，提升了圍巖的強(qiáng)度，進(jìn)而對圍巖變形起到有效控制。

支護(hù)能減小開切眼幫的水平變形量，但對變形的分布形態(tài)和范圍不造成顯著影響，原因是開切眼幫體是尚未開采的煤體，屬于單邊界無限大巖體，在這種巖體中掘進(jìn)和支護(hù)對幫造成的擾動及約束不會受煤體尺寸的影響，而主要由煤體力學(xué)特性決定。由于力學(xué)特性是恒定的，故水平位移分布形態(tài)和范圍才基本保持不變。

圖1 無支護(hù)水平位移

圖2 錨桿支護(hù)水平位移

圖3 錨桿錨索支護(hù)水平位移

圖4 錨桿噴漿支護(hù)水平位移

4.2 開切眼圍巖垂直位移分布

開切眼圍巖垂直位移如圖5至圖8所示。頂板垂直位移呈拱形分布，隨支護(hù)效果的提高位移拱縮小。例如，支護(hù)方案1至方案3，150mm位移拱拱高依次為4.5m、1.5m、0m，較無支護(hù)時(shí)的6m位移量分別降低25%、75%、100%；最大下沉量依次為150mm、150mm和100mm，較無支護(hù)時(shí)的225mm下沉量分別減小33%、33%和55%。兩幫垂直位移主要分布于幫上、中部，從上部往中部逐漸減小。無支護(hù)、方案1和方案2幫垂直位移均為25～100mm；方案3時(shí)垂直位移為20mm，較前兩方案減小68%。可見，采用錨桿支護(hù)對頂板造成擠壓加固，形成的擠壓加固拱強(qiáng)化了淺部圍巖的抗載性能，達(dá)到抑制錨固范圍內(nèi)巖體發(fā)生松動的效果，使頂板下沉量明顯減小。當(dāng)增加錨索后，雖然頂板最大下沉量并沒減小，但位移拱的高度及寬度顯著縮小，表明錨索錨固端深入至圍巖高應(yīng)力區(qū)，將頂板潛在的拱形施載體懸吊在深部穩(wěn)定巖層上，使其能夠充分發(fā)揮組合梁、懸吊等基本性能，強(qiáng)化了對深部巖體的制約作用。模擬顯示錨索作為錨桿支護(hù)的補(bǔ)充，能進(jìn)一步改善頂板的穩(wěn)定性，但對開切眼幫的下沉變化卻沒有影響，這仍源于幫煤體的無限大特征。值得關(guān)注的是，噴漿支護(hù)對于控制頂、幫的變形最為顯著，噴漿層除與圍巖形成了一個(gè)共同作用的力學(xué)統(tǒng)一體，將圍巖由施載體轉(zhuǎn)化為承載體外，其還能強(qiáng)化錨桿外露端的約束力，從而增大錨桿周圍擠壓巖體的范圍和強(qiáng)度，有助于錨桿支護(hù)效果的提升?？梢钥闯觯扇″^桿+噴漿的整體支護(hù)方式應(yīng)是軟弱圍巖控制的首選方案。

圖5 無支護(hù)垂直位移

圖6 錨桿支護(hù)垂直位移

圖7 錨桿錨索支護(hù)垂直位移

圖8 錨桿噴漿支護(hù)垂直位移

4.3 開切眼圍巖破壞形態(tài)

無支護(hù)和各支護(hù)方案下開切眼圍巖破壞形態(tài)如圖9至圖12所示。破壞范圍主要分布于開切眼頂角及兩幫，呈“心”形分布，破壞形式以剪切破壞為主。無支護(hù)時(shí)頂板和兩幫破壞深度分別為7m和5m，頂板表面中部有長5m、高1m的拉破壞區(qū)；錨桿支護(hù)時(shí)頂板和兩幫破壞深度分別為6m和3m，頂板表面拉破壞區(qū)長度減小為3m，頂板中部出現(xiàn)4m2的無破壞區(qū)；增設(shè)錨索后圍巖的破壞情況與支護(hù)方案2的情形類似，區(qū)別在于頂角處的破壞深度及面積大幅減少，說明被錨索懸吊后的頂板降低了其與兩幫的相互作用力，改善了頂幫結(jié)合處圍巖的受力狀態(tài)，阻止了破壞沿頂角方向的擴(kuò)展延伸；采用錨桿噴漿支護(hù)后，頂板破壞深度減小至4m、無破壞區(qū)面積增至7 m2，形成了拱形的巖體完整區(qū)，表明對于大跨度開挖空間，支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)是保證頂板的穩(wěn)定性，噴漿支護(hù)是較錨索支護(hù)更為有效的頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式。

另外，從圍巖破壞形式看，軟弱圍巖主要出現(xiàn)壓剪破壞，原因是弱巖體的抗剪強(qiáng)度往往較低，采用被動支護(hù)或主動支護(hù)力不足時(shí)無法抵御弱面上的剪應(yīng)力。因此，面對巖性較弱的圍巖建議采取注漿來增大巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角以提升巖體的抗剪強(qiáng)度，達(dá)到穩(wěn)定圍巖的目的。

5 結(jié)論

通過數(shù)值分析趙莊煤礦3號煤層開切眼圍巖的變形破壞特征，得出以下結(jié)論：

(1)開切眼水平位移以弧形形態(tài)分布于幫部，垂直位移以拱形形態(tài)分布在頂板，圍巖主要以剪切破壞形式呈“心”形分布。

(2)與無支護(hù)時(shí)相比，開切眼在錨桿+錨索支護(hù)以及錨桿+噴漿支護(hù)下的水平位移分別減小20%和60%，垂直位移分別減小33%和55%，圍巖破壞深度大幅減小。

圖9 無支護(hù)破壞形態(tài)

圖10 錨桿支護(hù)破壞形態(tài)

圖11 錨桿錨索支護(hù)破壞形態(tài)

圖12 錨桿噴漿支護(hù)破壞形態(tài)

(3)經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，噴漿支護(hù)最有利于提升圍巖強(qiáng)度，是控制大斷面軟巖開切眼變形的有效支護(hù)方式。