沿空巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制研究

姚柏聰 崔瑩妹

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

1 概述

由于我國的開采深度不停加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展成現(xiàn)在的高強(qiáng)度錨桿支護(hù)體系，這些研究使得沿空留巷技術(shù)得到了大量的推廣應(yīng)用[1]。李文培等[2]通過采用連續(xù)函數(shù)描述了沿空留巷圍巖位移場的分布規(guī)律；Young-Jin Shin等[3]得出了深部開采條件下圍巖在滲流力作用下的破壞特征曲線；張俊文等[4]提出了“預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿承載結(jié)構(gòu)”的沿空留巷道圍巖支護(hù)技術(shù)；謝生榮等[5]通過精確的計(jì)算分析提出在開挖通過空巷合理的時(shí)空節(jié)點(diǎn)上；Johan C等[6]對松動(dòng)圈做研究，提出加強(qiáng)對碎脹力的研究和巷道支護(hù)時(shí)對松動(dòng)圈的影響較小；Ramamurthy等[7]提出了深淺孔交錯(cuò)注漿和對穿錨索的巷道加固方法；康紅普等[8]對動(dòng)壓影響下巷道出現(xiàn)大變形進(jìn)行研究提出了錨網(wǎng)索+注漿+底板錨索的圍巖支護(hù)方案。

本文分析了在回采影響下的巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制方法，通過理論結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行分析總結(jié)了回采巷道破壞機(jī)理，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)原理獲得圍巖的基本力學(xué)參數(shù)和不同圍壓影響下巖石的破壞特點(diǎn)，通過對回采巷道破壞機(jī)理和圍巖的力學(xué)性質(zhì)研究，提出了可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 回采巷道破壞機(jī)理

原巖應(yīng)力由初始狀態(tài)向新的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化，對于煤層的開采過程，當(dāng)沒有空留巷道時(shí)，煤層主要采用自由塌落的形式，此時(shí)在頂板的前方的應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)大面積的產(chǎn)生，而當(dāng)開采過程中工作面需要進(jìn)行開切眼和采掘回風(fēng)巷道時(shí)，此時(shí)由于巷道已經(jīng)建成，當(dāng)進(jìn)行回采的過程中，集中應(yīng)力區(qū)域會(huì)和巷道的區(qū)域進(jìn)行疊加，此時(shí)巷道會(huì)受到額外較大的應(yīng)力，引起巷道中應(yīng)力的重新排列，對于受到采動(dòng)影響的巷道，巷道經(jīng)常出現(xiàn)破壞和失穩(wěn)，除了巷道的位置因素外，工作面前推而向前挪動(dòng)，當(dāng)煤礦巷道開采后，采區(qū)的上覆巖層會(huì)構(gòu)成矸石支撐體系并形成塌落區(qū)域，由于工作面向前挪動(dòng)，作用在回采巷道前方的支持壓力將逐漸增加，如圖1所示是采空區(qū)應(yīng)力的重新分布。

3 沿空巷道圍巖力學(xué)參數(shù)研究

本次實(shí)驗(yàn)的巖樣取自單侯礦第一工作面，這些包括煤巖，泥巖，細(xì)砂巖和粉砂巖，以上幾種巖石分別進(jìn)行巖石三軸壓縮試驗(yàn)，分別獲得巖樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并通過擬合方法獲得巖樣的物理力學(xué)參數(shù)。

砂巖等在圍壓條件下表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化階段和強(qiáng)度殘余階段，隨著圍壓減小，煤巖及泥巖的峰值強(qiáng)度有所降低，其中砂巖的這種特性更加突出。

根據(jù)煤礦中的大量工程實(shí)踐表明，對于回采巷道圍巖支護(hù)工程來講，軟弱的圍巖所受到的圍壓一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巖石的脆性破壞臨界點(diǎn)，因此，深部回采巷道在采用擾動(dòng)下的圍巖變形仍表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，并伴隨著大變形特性，實(shí)驗(yàn)巖體在卸載過程中主要破壞特征是應(yīng)變軟化。這使得深部巷道圍巖在峰后行為表現(xiàn)的更加復(fù)雜，所以在深部巷道中進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還要充分考慮巖石表現(xiàn)出的脆性和塑性破壞的多種因素影響，通過巖石實(shí)驗(yàn)的測試，破壞后的巖石試樣在不同圍壓作用下破壞特征如圖2所示。

4 沿空巷道圍巖變形控制方法

4.1 沿空巷道圍巖支護(hù)原理

通過圖3可知，矩形巷道在受力過程中，頂板最容易出現(xiàn)塌落的部分，實(shí)際工程中要保證巷道圍巖更可靠，巷道支護(hù)過程中采用的支護(hù)方法是錨桿配合錨索加固巷道的頂板，主要是錨索或者錨桿懸把上方的巖體吊在上部安全的巖層上。

4.2 支護(hù)參數(shù)的確定

1)頂部錨索長度的確定。

根據(jù)懸吊理論及經(jīng)典的塌落拱理論計(jì)算，即：

L=L1+L2+L3=3.49 m

(1)

其中，L1為錨索的外露長度，取0.2 m；L2為錨索的有效長度，對頂板而言，L2為垮落帶(或離層)的高度，通過理論計(jì)算和數(shù)據(jù)擬合的方法取1.49 m；L3為錨索的錨固長度，取1.8 m。為加強(qiáng)支護(hù)效果，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取L=5.0 m。

2)頂部錨桿長度的確定。

若把錨桿打在巷道頂部最中心位置則錨桿長度的最小值為：

(2)

3)幫部錨桿長度的確定。

若把錨桿打在幫部最頂端，則錨桿長度的最小值為：

(3)

而實(shí)際打錨桿應(yīng)在幫部頂端以下，取實(shí)際錨桿長度為2.4 m。

4)錨索排距的確定。

(4)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)每隔3 m打兩根錨索，驗(yàn)算如下：

每100 m巷道上部巖體的重量為：

W=50 160 kN。

每100 m巷道，錨索與錨桿的錨固力總共為：

F=53 200 kN。

F≥W，所以布置錨桿滿足要求。

5)錨桿間排距的確定。

考慮每根錨桿承載能力與垮落帶內(nèi)巖石重量相等，即:

(5)

為了更好的控制巷道頂板在采動(dòng)影響下的大變形及潛在的坍塌范圍，頂板的錨桿間排距為1.2 m，錨桿的布置形式為梅花形。

6)錨桿直徑。

在錨桿的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大部分使用了φ20 mm的無縱筋螺紋鋼，經(jīng)過測試得到的錨桿抗拉拔力為80 kN，經(jīng)過計(jì)算得到錨桿桿體材料抗拉強(qiáng)度500 MPa。

(6)

故錨桿直徑滿足要求。

7)錨桿的錨固力。

錨桿的錨固力應(yīng)不小于被懸吊不穩(wěn)定巖層的重量，依照式(7)計(jì)算，即：

Q桿=K1L2a桿1a桿2γ=74.5 kN

(7)

所以錨固力80 kN的錨桿滿足使用要求。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對3號307軌道巷結(jié)構(gòu)，提出了具有針對性的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

5 結(jié)語

1)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對深部回采巷道圍巖變形特征進(jìn)行了全面的調(diào)查研究，得出了沿空留巷的圍巖受力特征，通過分析可知，巷道的失穩(wěn)破壞主要受軟巖地質(zhì)條件的影響，巷道出現(xiàn)了大范圍的頂板下沉斷裂，說明礦壓的分布及軟巖的力學(xué)特性導(dǎo)致沿空留巷圍巖的大變形失穩(wěn)。

2)根據(jù)采空區(qū)圍巖的力學(xué)特性和沿空巷道的力學(xué)特性，提出了支護(hù)設(shè)計(jì)方案。其中，主要利用錨桿和錨索提供支護(hù)強(qiáng)度，通過錨桿來加固圍巖的塑性松動(dòng)圈，通過錨索來控制松動(dòng)范圍的繼續(xù)擴(kuò)大。