復(fù)合軟巖頂板穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)研究

朱德智

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊煤礦,山西 晉城 048021)

1 工程概況

1.1 工程背景

隨著開采的不斷深入,礦井東區(qū)3#煤層資源逐漸枯竭,五盤區(qū)成為成莊礦的主要生產(chǎn)盤區(qū)。2016年開始掘進(jìn)五盤區(qū)北翼集中膠帶巷和回風(fēng)巷,初始采用錨網(wǎng)支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)的方式,掘進(jìn)400 m以后兩條巷道礦壓顯現(xiàn)明顯,短時間內(nèi)產(chǎn)生較大變形。頂板離層儀監(jiān)測發(fā)現(xiàn),兩條巷道淺部和深部均產(chǎn)生不同程度離層,淺部離層值達(dá)到130 mm,深部離層值達(dá)到65 mm。為保證安全開采,采用錨索和單體支柱對變形嚴(yán)重段頂板進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),但圍巖變形仍未得到有效控制,頂板仍未完全穩(wěn)定。隨后對新掘進(jìn)巷道頂板支護(hù)方式作了多次修改,加強(qiáng)支護(hù)后巷道掘進(jìn)一段時間仍出現(xiàn)頂板離層儀監(jiān)測值大面積達(dá)到警戒值的情況。

與礦井其他區(qū)域相比,五盤區(qū)北翼地質(zhì)條件顯得極為異常,其他區(qū)域采用類似的支護(hù)參數(shù)從未出現(xiàn)過如此強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。在復(fù)雜地段,因區(qū)域煤層沉積環(huán)境改變,特別是煤層頂板圍巖沉積環(huán)境變化,導(dǎo)致煤層厚度、煤層結(jié)構(gòu)及頂板巖層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)受到影響,給巷道支護(hù)方式的選擇造成了困擾。傳統(tǒng)的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)是根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料并參照已有巷道的支護(hù)方式,采用工程類比法進(jìn)行。但由于局部區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)資料與實(shí)際情況差別較大,對支護(hù)對象的穩(wěn)定性缺乏科學(xué)有效的分析,因此需要根據(jù)頂板圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)果及時修正支護(hù)設(shè)計(jì),提出針對性措施來增強(qiáng)支護(hù)可靠性,解決五盤區(qū)北翼巷道支護(hù)難題。

本文以五盤區(qū)北翼巷道為研究對象,采用鉆探取芯、鉆孔窺視和強(qiáng)度測試等方法系統(tǒng)分析了頂板穩(wěn)定性,并開展了復(fù)合軟巖頂板變形控制的研究,以期為類似地質(zhì)條件礦山的安全開采提供參考。

1.2 五盤區(qū)北翼地質(zhì)概況

1.2.1五盤區(qū)北翼頂板結(jié)構(gòu)

地質(zhì)資料顯示,北翼集中巷掘進(jìn)區(qū)域3#煤層老頂為砂質(zhì)泥巖,黑色,層理清楚,質(zhì)不堅(jiān),巖芯堅(jiān)硬,完整,局部質(zhì)不堅(jiān),夾薄層細(xì)砂巖及泥巖,富含植物化石碎片,下部見細(xì)粒砂巖約0.8 m,巖芯灰色,含石英、長石,巖芯堅(jiān)硬;直接頂為砂質(zhì)泥巖,黑色,質(zhì)軟不堅(jiān)硬,層理發(fā)育,巖芯堅(jiān)硬,完整,平均厚度為6.22 m。五盤區(qū)北翼綜合柱狀圖見圖1所示。

圖1 五盤區(qū)北翼綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of thenorth wing of No.5 panel

1.2.2五盤區(qū)北翼頂板取芯結(jié)果

對復(fù)雜地段的煤層頂板進(jìn)行鉆探取芯,通過取芯可以對圍巖的地質(zhì)特征(層數(shù)、厚度、性質(zhì)、硬度等分布規(guī)律)進(jìn)行直接觀測。五盤區(qū)北翼頂板取芯結(jié)果如圖2所示。3#煤層頂板10 m范圍內(nèi)包含砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤、泥巖、炭質(zhì)泥巖等5種巖性,相互交錯,其中硬度稍大的砂巖共有3層,累計(jì)層厚只有3.2 m。取芯結(jié)論為3#煤層頂板10 m范圍內(nèi)以泥巖為主,共分為9層,軟硬相間,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖2 五盤區(qū)北翼頂板取芯結(jié)果示意圖Fig.2 Results of drilling core from the roof in the north wing of No.5 panel

1.2.3頂板窺視情況

為查明巷道變形層位,探明頂板結(jié)構(gòu),采用鉆孔窺視儀對巷道頂板進(jìn)行窺視。鉆孔孔壁觀察采用礦用小孔徑全景電子窺視儀進(jìn)行煤巖體結(jié)構(gòu)觀察。典型窺視結(jié)果如圖3所示。從窺視圖片發(fā)現(xiàn),巷道頂板以上0.5,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.15,1.3,1.75,2.0～2.1,2.4,2.6,3.3 m處出現(xiàn)了明顯的層理擴(kuò)張,頂板變形處孔口以里1 000 mm范圍內(nèi)的孔壁十分破碎,多條橫向和縱向裂隙發(fā)育,裂隙開度較大,4 000 mm以下的孔壁可見十多處橫向裂隙,位于2 m處的煤線位置孔壁很破碎;4 m以上圍巖完整性較好。

圖3 集中回風(fēng)巷頂板鉆孔窺視結(jié)果Fig.3 Peeping results of roof in centralized return air roadway

1.2.4五盤區(qū)北翼地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果

近年來相關(guān)科研單位對成莊礦各盤區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試。通過地應(yīng)力測試,較為準(zhǔn)確地掌握了成莊礦地應(yīng)力分布特征與規(guī)律,為巷道支護(hù)提供了較為詳實(shí)的地應(yīng)力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測試所用儀器為SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置。該裝置采用小直徑鉆孔(58 mm),可在井下進(jìn)行快速、大面積的地應(yīng)力測量,并且同一鉆孔還可以用于圍巖強(qiáng)度測量。

四盤區(qū)6個測站的測試結(jié)果如下:四盤區(qū)3#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度大部分集中在30～55 MPa之間,平均強(qiáng)度為44.35 MPa;老頂為中-細(xì)砂巖,中厚層狀,強(qiáng)度大部分集中在80～120 MPa之間,平均強(qiáng)度為93.07 MPa;3#煤層中含有夾矸,完整性普遍較好,平均強(qiáng)度為20.58 MPa,煤層中硬。區(qū)域最大水平主應(yīng)力為19.16 MPa,垂直應(yīng)力為12.63 MPa,最小水平主應(yīng)力為10.01 MPa。

在頂板取芯和鉆孔窺視的基礎(chǔ)上,對五盤區(qū)北翼集中巷進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)測試,測試結(jié)果如下:測試區(qū)域直接頂強(qiáng)度極低,大部區(qū)域因破碎無法測出強(qiáng)度,老頂平均強(qiáng)度43 MPa,煤層平均強(qiáng)度為17.1 MPa,開采條件較差。區(qū)域最大水平主應(yīng)力為15.29 MPa,垂直應(yīng)力為12.01 MPa,最小水平主應(yīng)力為8.31 MPa,整體上屬于中等地應(yīng)力場,應(yīng)力小于礦井其他區(qū)域。

對比地質(zhì)力學(xué)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),礦井3#煤層總體來說都屬于中等應(yīng)力區(qū),四盤區(qū)地應(yīng)力稍大于五盤區(qū),但四盤區(qū)無論是煤層、直接頂還是老頂在硬度、完整性和穩(wěn)定性上都明顯優(yōu)于五盤區(qū)。通過測試結(jié)論結(jié)合現(xiàn)場巷道控制難度分析可知,導(dǎo)致五盤區(qū)北翼巷道穩(wěn)定性差的關(guān)鍵因素是頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強(qiáng)度較低。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,頂板越容易出現(xiàn)不連續(xù)變形,即產(chǎn)生離層現(xiàn)象,尤其是軟弱和堅(jiān)硬的相間復(fù)合結(jié)構(gòu);同時,強(qiáng)度越低,受壓時越容易產(chǎn)生裂隙,穩(wěn)定性越差。

2)恒溫?zé)犸L(fēng)干燥：文獻(xiàn)[9]的研究顯示，裝載厚度在一定范圍內(nèi)對干燥速率的影響不大。因此，本試驗(yàn)的影響因子取溫度和風(fēng)速。溫度取4個水平：45，55，65，75℃，能保證辣椒干燥后的質(zhì)量良好；風(fēng)速取3個水平：0.6，1.2，1.8m/s，能較好反應(yīng)風(fēng)速的影響程度；裝載厚度取單層(10mm左右)，即辣椒單層平鋪在網(wǎng)狀托盤上。

2 五盤區(qū)北翼集中巷巷道變形監(jiān)測及原因分析

2.1 巷道變形破壞特征

五盤區(qū)北翼集中巷2016年1月開始施工,截止2016年6月底集中膠帶巷施工至1 300 m處,回風(fēng)巷施工至1 000 m處,掘進(jìn)過程中兩巷自400 m左右開始出現(xiàn)頂板離層儀大面積警戒現(xiàn)象。5月初兩巷頂板同時改為全錨索支護(hù)(膠帶巷812 m處,回風(fēng)巷538 m處),兩巷5#橫川至14#橫川之間的540 m范圍內(nèi),膠帶巷有460 m 變形嚴(yán)重,回風(fēng)巷有70 m變形嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)資料顯示,在巷道開始掘進(jìn)的6個月之內(nèi),集中膠帶巷43個離層儀中有15個離層儀顯示頂板總離層值接近或超過50 mm,集中回風(fēng)巷29個離層儀中7個離層儀顯示頂板總離層值接近或超過50 mm。

北翼集中巷初始設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù),巷道頂板支護(hù)平面圖,如圖4所示。改用7.4 m全錨索支護(hù)后,頂板管控效果增強(qiáng),變形段減少,但隨著巷道繼續(xù)向前掘進(jìn),頂板離層儀又出現(xiàn)了大面積離層警戒的狀況。全錨索支護(hù)段巷道頂板支護(hù)平面圖,如圖5所示。

圖4 北翼集中巷頂板支護(hù)方案一(錨桿支護(hù))Fig.4 Roof support I of centralized roadway in the north wing (bolt support)

圖5 北翼集中巷頂板支護(hù)方案二(7.4 m全錨索)Fig.5 Roof support II of centralized roadway in the north wing (7.4 m anchor cable support)

2.2 巷道變形原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)查和窺視結(jié)果分析,北翼集中巷離層較大的主要原因如下。

1)頂板圍巖分層現(xiàn)象明顯。頂板圍巖局部有破碎巖層,破碎巖層在巷道開挖后容易產(chǎn)生離層;破碎巖層與完整巖層形成的復(fù)合頂板在受到水平應(yīng)力擠壓作用下易產(chǎn)生分離,即不連續(xù)、不協(xié)調(diào)變形,離層基本都分布在復(fù)合巖層交界面處。軟巖巷道頂板在高水平應(yīng)力作用下,沿層理面張開、滑動,并逐步向巷道內(nèi)凸起,形成V形擠壓式變形破壞。拉伸破壞在整個頂板圍巖的破壞模式發(fā)揮主導(dǎo)作用[1-2]。

2)圍巖軟弱、易風(fēng)化。巷道圍巖以泥巖為主,強(qiáng)度低、易風(fēng)化,尤其是頂板淺部泥巖產(chǎn)生風(fēng)化易導(dǎo)致泥巖產(chǎn)生碎脹變形,從而加劇淺部圍巖離層[3-4]。

3)對巷道淺部的支護(hù)強(qiáng)度不夠。錨索預(yù)緊力無法阻止巖層原生裂隙的擴(kuò)張,改用全錨索支護(hù)后,雖然預(yù)緊力和支護(hù)密度提高,但錨索自由段過長,巷道頂板仍然出現(xiàn)了由表及里的離層[5-6]。

3 長短錨索支護(hù)技術(shù)

3.1 53183巷概況

53183巷斷面尺寸為5 000 mm×3 200 mm(寬×高),根據(jù)北翼集中巷支護(hù)參數(shù)和巷道變形情況,巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)過多次調(diào)整后采用如下支護(hù)參數(shù),即全錨索支護(hù),每排5根錨索,錨索長度7 400 mm,每排錨索之間進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng),每排補(bǔ)強(qiáng)2根,錨索長度7 400 mm。巷道頂板支護(hù)方式平面圖,如圖6所示。巷道掘進(jìn)后局部區(qū)域仍出現(xiàn)了離層儀淺部基點(diǎn)的離層值在短時間內(nèi)就達(dá)到黃色警戒線的狀況。

圖6 53183巷頂板支護(hù)方式平面圖Fig.6 Roof support of No.53183 roadway

為考察巷道頂板圍巖變形情況,在巷道沿途頂板離層儀附近進(jìn)行窺視。整體來看,53183巷頂板離層主要以淺部離層為主,淺部離層主要分布在1.6 m范圍內(nèi),其他層位離層不明顯,深部基點(diǎn)離層值增加不大。除此之外,為驗(yàn)證窺視結(jié)論,同時增加監(jiān)測頻度,掘進(jìn)過程中增加了部分淺部離層測點(diǎn),對1.5 m范圍內(nèi)的頂板變化情況加強(qiáng)了礦壓監(jiān)測。通過對離層儀、淺部離層測點(diǎn)和窺視數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證了窺視結(jié)論。

3.2 改進(jìn)方案

53183巷7.4 m全錨索支護(hù)效果表明,不考慮錨索的預(yù)應(yīng)力而一味增加錨索長度,不會取得明顯效果。為了增加巷道淺部圍巖的支護(hù)強(qiáng)度,再次調(diào)整支護(hù)方案,嘗試采用高預(yù)應(yīng)力的短錨索支護(hù)方式。采用長短錨索結(jié)合的支護(hù)方式控制頂板,將每排鋼帶處的5根長度為7 400 mm的錨索更換為長度4 300 mm的錨索,鋼帶之間的2根7 400 mm錨索參數(shù)不變,頂板采用雙層網(wǎng)片護(hù)表,內(nèi)層為塑料網(wǎng),外層使用鋼筋網(wǎng),長短錨索在圍巖內(nèi)部形成兩層網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。長短錨索結(jié)合的頂板支護(hù)方式平面圖,如圖7所示。

圖7 長短錨索結(jié)合的頂板支護(hù)方式平面圖Fig.7 Roof support combined with long and short anchor cables

3.3 支護(hù)效果分析

53183巷和剩余的兩條順槽采用長短錨索結(jié)合的支護(hù)方式后,頂板離層值顯著減少。在工作面巷道掘進(jìn)期間,對巷道表面位移進(jìn)行現(xiàn)場觀測,結(jié)果如圖8所示。53181/2巷采用該支護(hù)方式后頂板下沉量基本控制在40 mm以內(nèi),3 000 m長的巷道沿途114個離層儀中僅有兩個頂板離層儀淺部基點(diǎn)監(jiān)測值接近40 mm。

(a)測點(diǎn)1

(b)測點(diǎn)2圖8 53182巷位移監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Displacement of No.53182 roadway

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

五盤區(qū)北翼軟巖復(fù)合頂板在支護(hù)過程中多次調(diào)整支護(hù)方式,從原始的錨桿支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)到全部采用7 400 mm的長錨索支護(hù),均出現(xiàn)了離層儀大面積出現(xiàn)警戒的現(xiàn)象。采用長短錨索結(jié)合的支護(hù)方式有以下明顯的優(yōu)點(diǎn):

1)安全性提高。為保證安全,相臨的北翼集中巷絕大部分區(qū)域不得不在錨網(wǎng)支護(hù)的基礎(chǔ)上采用單體柱架棚補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),五盤區(qū)北翼集中巷已累計(jì)投入單體柱4 900根。而53181/2巷自2017年9月開始掘進(jìn)至回采結(jié)束,巷道控制效果明顯改善,取消了單體柱架棚支護(hù),滿足了設(shè)備安裝和運(yùn)輸工作需要。

2)經(jīng)濟(jì)效益改善。7 400 mm錨索單價為268元,4 300 mm錨索單價為221元,每排使用錨索6根,每米巷道節(jié)省材料費(fèi)282元,53181/2巷及其橫川采用該支護(hù)方式累計(jì)掘進(jìn)約4 000 m,僅支護(hù)材料已累計(jì)降低成本費(fèi)用約112.8萬元。

4 結(jié)論

1)通過掘進(jìn)過程中收集支護(hù)鉆孔反饋的異常信息,采用取芯、窺視、強(qiáng)度測試等手段對頂板穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析,可以及時發(fā)現(xiàn)支護(hù)對象存在的問題,調(diào)整合理的支護(hù)層位。

2)采用長短錨索相結(jié)合的支護(hù)方式控制厚層軟巖復(fù)合頂板變形。在相同的預(yù)緊力條件下,錨索長度減小后預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍減小,但可以增加巷道表層的支護(hù)強(qiáng)度。頂板控制效果增強(qiáng),頂板下沉量由超過100 mm減小到30 mm左右。

3)頂板采用雙層網(wǎng)片護(hù)表,內(nèi)層采用塑料網(wǎng),外層使用鋼筋網(wǎng),增強(qiáng)了錨索支護(hù)組合構(gòu)件的強(qiáng)度,減少了網(wǎng)兜,有利于預(yù)應(yīng)力的保持及擴(kuò)散,錨索支護(hù)整體性增強(qiáng)。