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    松軟煤層巷幫變形特征及圍巖穩(wěn)定性研究

    2021-06-18 07:04:52臧傳偉瞿晨明朱洪漠
    中國(guó)礦業(yè) 2021年6期
    關(guān)鍵詞:巖層錨索底板

    陳 洋,臧傳偉,瞿晨明,朱洪漠

    (山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院,山東 青島 266590)

    隨著我國(guó)煤炭開采的深度越來(lái)越深,大松動(dòng)圈煤層松軟難以支護(hù)等各種問(wèn)題也越來(lái)越多。很多情況下普通的錨桿支護(hù)已難以維持巷道穩(wěn)定,軟巖巷道的返修率也非常高,因此,松軟煤層難以支護(hù)的問(wèn)題一直是我國(guó)煤炭開采過(guò)程中的難題。對(duì)此,大量學(xué)者對(duì)圍巖變形進(jìn)行了深入的研究。孫利輝等[1]通過(guò)分析幫部巷道變形機(jī)理,提出巷幫錨注加固技術(shù)使變形得到了有效控制;徐佑林等[2]提出再造承載拱,得出巷道有效注漿范圍;陳順滿等[3]提出了以“噴射混凝土+壁后注漿+錨桿+錨索”為核心的雙拱協(xié)同全斷面加固返修方案;黃慶享等[4]考慮“底板-兩幫-頂板”相互影響,給出了自穩(wěn)平衡圈的橢圓曲線方程;唐建新等[5]認(rèn)為軟巖在髙應(yīng)力流變作用下破壞劇烈,提出以頂板多拱承載和圍巖協(xié)同加固為核心的優(yōu)化方案;辛亞軍等[6]依據(jù)應(yīng)力轉(zhuǎn)移與強(qiáng)抗承載的圍巖穩(wěn)定思想,提出了巷道圍巖再造承載層機(jī)理;陳建功等[7]考慮巷道圍巖在開挖過(guò)程中的動(dòng)靜力作用,提出了破碎區(qū)半徑的求解方法。

    本文以義能煤礦1304工作面3號(hào)煤層回采巷道為工程背景,通過(guò)分析兩幫變形嚴(yán)重的影響因素,判斷圍巖松動(dòng)圈的位置,研究?jī)蓭兔簩优c承載層之間的關(guān)系。據(jù)此提出在兩幫補(bǔ)加強(qiáng)錨索使其與穩(wěn)定巖層形成承載層整體的方案,合理調(diào)節(jié)長(zhǎng)度及間排距增大承載層厚度,有效地降低了圍巖周圍的應(yīng)力,維持巷道穩(wěn)定。

    1 地質(zhì)條件

    1.1 工程概況

    義能煤礦1304皮帶順槽所對(duì)應(yīng)的地面標(biāo)高為+46~+47 m,巷道標(biāo)高為-693.5~-735.0 m。 1304皮帶順槽沿3號(hào)煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)。 施工范圍內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,賦存穩(wěn)定,為一單斜構(gòu)造,煤層厚度3.6 m,傾角約3°。3號(hào)煤層直接頂為中砂巖,局部區(qū)域3號(hào)煤層頂板發(fā)育一層泥巖,基本頂為細(xì)砂巖和中砂巖,直接底為泥巖,基本底為粉砂巖和細(xì)砂巖。煤層頂?shù)装寰唧w巖性特征見表1。

    表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征Table 1 Lithology characteristics of coal seam roof and floor

    1.2 原支護(hù)方案分析

    1304皮帶順槽斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面。凈高為3 000 mm,凈寬為3 800 mm。原支護(hù)方案頂板錨索采用Φ17.8 mm×6 300 mm鋼絞線,錨索托盤采用專門加工的圓形托盤,直徑250 mm。頂板錨桿每排5根,頂板及兩幫均采用Φ20 mm×2 300 mm熱軋細(xì)牙等強(qiáng)度錨桿,間排距為800 mm×800 mm。按巷道居中鋪設(shè)鍍鋅鐵絲制作的4 000 mm×900 mm經(jīng)緯金屬網(wǎng),兩幫鋼筋梯垂直頂?shù)装鍜煸O(shè),每排各4根,鋪設(shè)12#鍍鋅鐵絲制作的2 000 mm×900 mm雙抗網(wǎng)。圖1為原支護(hù)方案支護(hù)剖面圖。

    圖1 原支護(hù)方案支護(hù)剖面圖Fig.1 Cross section of the original support scheme

    據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),3號(hào)煤層頂板破碎,兩幫幫鼓,煤體松軟,受載荷的影響,兩幫煤壁內(nèi)出現(xiàn)離層,從肩部至底部整體向內(nèi)位移。主錨桿和錨索失效損毀嚴(yán)重,鋼筋梯嚴(yán)重扭曲變形,失去支護(hù)作用。表面變形表現(xiàn)出“兩幫移近量>頂板下沉量>底鼓量”的特點(diǎn),嚴(yán)重影響了巷道穩(wěn)定與正常工作。

    2 變形原因分析

    2.1 巖石力學(xué)試驗(yàn)

    考慮兩幫變形大于頂板變形,分別對(duì)1304工作面頂?shù)装寮皟蓭腿⌒緦?shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi),將試件置于承壓班中心使其受力均勻,以每秒0.5~1 MPa的速度逐漸加載直至破壞,記錄破壞載荷,最終得到的3組煤樣抗壓強(qiáng)度見表2。

    表2 單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Uniaxial compressive strength test results

    由表2可知,平均抗壓強(qiáng)度為7.17 MPa,煤體較軟弱。頂板以細(xì)砂巖和中砂巖為主,底板以粉砂巖為主,抗壓強(qiáng)度分別為20.18 MPa、32.24 MPa、18.64 MPa,均明顯高于3號(hào)煤層抗壓強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)取芯時(shí)難以取得完整煤塊,安裝錨桿測(cè)力計(jì)時(shí),兩幫片幫嚴(yán)重地段當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到50 kN時(shí)內(nèi)部巖體破碎預(yù)緊力無(wú)法繼續(xù)增加。因此,煤層松軟、錨桿支護(hù)難以深入穩(wěn)定巖層內(nèi)部,是導(dǎo)致兩幫變形嚴(yán)重的主要原因。

    2.2 圍巖內(nèi)部窺探

    針對(duì)巷道的實(shí)際情況,應(yīng)用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀探測(cè)圍巖內(nèi)部破壞情況。在巷道斷面中央位置,垂直巷道打直徑不小于32 mm鉆孔1個(gè),孔深10 m,兩幫探測(cè)深度為8 m。在鉆進(jìn)的過(guò)程記錄單根鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間和速率,可以間接反映出巷道圍巖的強(qiáng)度和完整性。最后通過(guò)觀測(cè)不同深處巖層破裂情況,確定巷道松動(dòng)圈的大致范圍及破裂狀況。得到鉆孔窺視結(jié)果如圖2所示。

    圖2 鉆孔窺視結(jié)果Fig.2 Borehole peep results

    圖2(a)和圖2(b)分別為頂板窺探情況。 在孔口0.5 m位置圍巖較完整,最深6.2 m位置已達(dá)深部穩(wěn)定巖層,節(jié)理發(fā)育良好未出現(xiàn)較大破碎。 圖2(c)和圖2(d)分別為左幫內(nèi)部窺探情況。1.4 m位置開始出現(xiàn)破碎直到3 m左右?guī)r體開始相對(duì)完整。圖2(e)和圖2(f)分別為右?guī)蛢?nèi)部窺探情況。2.1 m位置鉆孔鏡頭開始模糊,煤層內(nèi)部涌出一定水量,2.4 m出現(xiàn)較大破碎。

    綜上所述,頂板巖性相對(duì)良好,圍巖破碎不明顯。兩幫均在2~3 m位置出現(xiàn)了較大破碎,猜測(cè)圍巖松動(dòng)圈范圍大概在2.5 m左右。裂隙水無(wú)法排出長(zhǎng)時(shí)間在煤層內(nèi)部浸泡造成幫部煤層松軟。針對(duì)大松動(dòng)圈,由于破碎區(qū)與塑性區(qū)范圍增大,普通錨桿支護(hù)無(wú)法深入到穩(wěn)定巖層,此時(shí)形成的承載層將整個(gè)在松動(dòng)圈范圍之內(nèi),錨桿錨索打入兩幫松軟煤層,未進(jìn)入更深層的穩(wěn)定巖體,也無(wú)法與頂板形成完整承載整體。自承能力幾乎喪失,承載層厚度有限,難以減少巷道淺部圍巖的受力狀態(tài)。此時(shí)需要通過(guò)錨桿錨索共同作用來(lái)轉(zhuǎn)移巷道中承載層的位置從而擴(kuò)大承載層厚度。因此松動(dòng)圈范圍較大也是造成兩幫變形較大的原因之一。

    2.3 采動(dòng)應(yīng)力影響

    巷道掘進(jìn)、二次回采均對(duì)回采巷道產(chǎn)生較大采動(dòng)影響?,F(xiàn)場(chǎng)采用十字測(cè)點(diǎn)法,在同一平面上分別在兩幫及頂板布置3個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)。記錄測(cè)力計(jì)受力變化距工作面距離曲線如圖3所示。

    圖3 受力變化與距工作面距離的關(guān)系Fig.3 Relationship between the force change andthe distance from the working surface

    在0~20 m范圍內(nèi),錨桿受力迅速增大,之后逐漸趨于穩(wěn)定。錨桿受力出現(xiàn)如此變化一方面由于松動(dòng)圈范圍變大,巷道內(nèi)部圍巖破碎;另一方面受采動(dòng)的影響,前方巷道掘進(jìn)會(huì)對(duì)后方造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)[13]。在距工作面0~50 m范圍為強(qiáng)烈擾動(dòng)區(qū),此時(shí)應(yīng)力會(huì)發(fā)生巨大變化,距離工作面越近應(yīng)力變化越大,這也是造成巷道變形的最主要原因。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在距工作面20 m范圍以內(nèi)兩幫發(fā)生較大變形,表面位移量為原破壞變形的1.5倍左右。50 m范圍之后,受力變化逐漸平穩(wěn),兩幫變形相對(duì)也逐漸變小。 由此可見采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道變形有極大的影響。

    3 巷道力學(xué)模型分析

    巷道頂板及兩幫會(huì)形成一定固定的承載層,它主要承受上覆巖層的重量保證巷道不破壞產(chǎn)生變形。對(duì)于承載層厚度不夠的情況下,頂板破碎巖體垮落下沉均會(huì)對(duì)兩幫巖層產(chǎn)生額外的擠壓力導(dǎo)致幫部圍巖錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)。由此研究頂板承載層厚度與巷道兩幫最大跨度的關(guān)系,找出兩幫所能達(dá)到的最大承載層厚度。通過(guò)改變巷道的掘進(jìn)寬度以及增加承載層厚度來(lái)抑制兩幫及頂板的變形。

    3.1 頂板巖層厚度與兩幫跨度的關(guān)系

    根據(jù)彈塑性理論,巷道開挖之后,開挖應(yīng)力擾動(dòng)范圍通常為巷道半徑的3~5倍。巷道頂板受力情況通過(guò)分析可以把模型簡(jiǎn)化如圖4所示。

    圖4 載荷受力圖Fig.4 Load diagram

    巷道頂板上覆巖層通常有很多不同類巖層,工程實(shí)踐表明,頂板彎曲下沉通常是由巷道下一層巖層自下而上逐層破壞。因此要首先考慮第一層巖層破壞的極限載荷。通過(guò)逐層判斷巷道穩(wěn)定時(shí)巖層跨度是否大于巷道寬度,找出穩(wěn)定巖層。取巷道沿軸向?qū)挾葹橐粋€(gè)單位,巖層厚度為h,第一層巖層失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷由歐拉公式得到式(1)。

    (1)

    式中:μ為長(zhǎng)度系數(shù)反映了桿端約束對(duì)臨界載荷的影響,對(duì)于兩端固定的巖梁,其值為0.5;E為彈性模量;c為巷道寬度。在假設(shè)巖層是連續(xù)介質(zhì)前提下,按簡(jiǎn)支梁[11]進(jìn)行計(jì)算,在最中間位置發(fā)生最大彎矩與最大拉應(yīng)力。若要使巖梁失穩(wěn),則計(jì)算公式為式(2)。

    (2)

    式中:σmax為最大拉應(yīng)力;Mmax為最大彎矩;[σ]為巖梁失穩(wěn)的極限應(yīng)力。此時(shí)巷道的極限跨距計(jì)算公式為(3)。

    (3)

    式中,σt為巖層的單軸抗拉強(qiáng)度。

    以上僅考慮了第一層巖層穩(wěn)定的情況。實(shí)際上第一層巖層為關(guān)鍵性巖層,若不穩(wěn)定巷道則逐層向上發(fā)生破壞直到第n層巖層為穩(wěn)定巖層。通過(guò)計(jì)算其上位巖層第1層至第n-1層巖層載荷qn和下位不穩(wěn)定巖層載荷Qn。得到穩(wěn)定巖層的跨度應(yīng)滿足式(4)。

    (4)

    由式(1)可以看出,當(dāng)厚度h一定時(shí),巷道寬度越大越容易發(fā)生彎曲;同時(shí)當(dāng)巷道寬度一定時(shí),巖層厚度越厚則巷道越穩(wěn)定。由式(4)可以看出,巷道跨度與頂板厚度并不是越大越好;隨著厚度與跨度的增加,相應(yīng)的應(yīng)力則會(huì)減少。

    因此,針對(duì)義能煤礦1304工作面兩幫變形嚴(yán)重的情況,可以適當(dāng)改變巷道的掘進(jìn)寬度,減少斷面面積。當(dāng)施工巷道寬度一定時(shí)則需要考慮增加穩(wěn)定巖層的厚度。通過(guò)錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)方式可以使圍巖和穩(wěn)定巖層產(chǎn)生足夠的承載能力從而保證巖層穩(wěn)定,即承載層厚度越大時(shí),周圍承受的應(yīng)力分布越均勻,巷道整體則越穩(wěn)定。同時(shí),巷道兩幫最大跨距不能大于其穩(wěn)定跨距。

    3.2 考慮兩幫承載層力學(xué)分析

    由于1304工作面處于高應(yīng)力的影響,同時(shí)兩幫煤層松軟,巖石抗拉強(qiáng)度顯著降低,巖隙水、軟煤層直接造成兩幫圍巖松動(dòng)圈的擴(kuò)大導(dǎo)致片幫??紤]在兩幫補(bǔ)加長(zhǎng)錨索,與頂板錨桿錨索形成穩(wěn)定的承載層。降低圍巖的切向應(yīng)力同時(shí)增加了徑向應(yīng)力[13]。增加最小主應(yīng)力的同時(shí)減小最大主應(yīng)力,兩者之間差距越小則變化越小,有效控制兩幫內(nèi)移。

    設(shè)巷道原巖垂直應(yīng)力為q,側(cè)壓系數(shù)為λ,巷道最大跨度為2a,巖石堅(jiān)固性系數(shù)為f。巷道周圍應(yīng)力均勻分布,且拱腳處水平切力為fqa。建立巷道受自然平衡拱力學(xué)模型如圖5所示。對(duì)于承載拱假設(shè)巷道兩幫應(yīng)力均勻分布,淺部圍巖為破碎區(qū),承載層位于巷道兩幫連接深部穩(wěn)定圍巖。

    圖5 力學(xué)模型分析Fig.5 Mechanical model analysis

    取右半拱進(jìn)行分析,根據(jù)力系平衡得式(5)和式(6)。

    (5)

    T-fqa-λqb=0

    (6)

    式中:L1為承載層的厚度;T為圍巖水平壓力;F為平衡拱底支承力。聯(lián)立式(5)和式(6)得式(7)。

    (7)

    從而求得極限平衡拱的最大高度為式(8)。

    (8)

    設(shè)巷道高度為h,內(nèi)摩擦角為φ,當(dāng)φ取45°時(shí)可以得到兩幫最大破壞深度為a1=h/2f=1.55 m。此時(shí)巷道等效最大跨度一半為a=c+a1=3.65 m,同時(shí)平衡拱的等效半徑應(yīng)滿足r≥b+h。計(jì)算得到b的值為2.13 m,此時(shí)r應(yīng)大于5.23 m,即此時(shí)錨索長(zhǎng)度需要大于5.23 m。

    通過(guò)計(jì)算平衡拱的最大高度與最大跨度可以有效得到承載層的厚度。在圍巖淺部先形成一個(gè)完整的巖體,再與深部穩(wěn)定巖層相連接得到一個(gè)更穩(wěn)定的圍巖整體,有效控制巷道上覆及兩幫巖層的錯(cuò)動(dòng),降低了錨固區(qū)承載層之外的采動(dòng)應(yīng)力,減少巷道破壞保證了巷道穩(wěn)定。

    4 方案確認(rèn)和效果驗(yàn)證

    在巷道施工過(guò)程中安裝單根錨索后,在錨桿錨索影響范圍內(nèi)會(huì)形成類似桃形的壓應(yīng)力分布區(qū)域。當(dāng)多根錨桿錨索同時(shí)安裝時(shí),彼此壓應(yīng)力區(qū)域之間相互結(jié)合,共同組成了一片新的更堅(jiān)固的壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整錨桿錨索的間排距及長(zhǎng)度,可以使得兩塊承載層之間相互疊加[14],形成一片更穩(wěn)定的承載層。

    4.1 支護(hù)方案

    根據(jù)1304工作面兩幫變形特點(diǎn),加固煤幫可以有效減小松動(dòng)圈厚度降低應(yīng)力分布,最終確定如下支護(hù)優(yōu)化方案。

    1) 頂板支護(hù)。 頂板錨桿采用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)錨桿,屈服強(qiáng)度大于500 MPa,間排距為750 mm×800 mm。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。配套使用M22阻尼螺母、減磨墊圈和球形墊圈,讓壓管一個(gè),每根錨桿采用2支K2545樹脂錨固劑端頭錨固,預(yù)緊力不小于80 kN。

    2) 兩幫支護(hù)。兩幫采用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×800 mm。鋼筋梯垂直頂?shù)装鍜煸O(shè)。在幫部變形大的位置,加兩根長(zhǎng)錨索,采用Φ21.8 mm×6 000 mm鋼絞絲,間排距1 600 mm×2 400 mm,預(yù)緊力不小于240 kN,兩根錨索用槽鋼相連。錨索托盤選用300 mm×300 mm×20 mm,錨索讓壓管兩個(gè),每根錨索使用3支K2545藥卷錨固端頭錨固。

    3) 加強(qiáng)支護(hù)。兩幫鋪設(shè)12#鍍鋅鐵絲制作的50 mm×50 mm經(jīng)緯金屬網(wǎng),網(wǎng)片對(duì)接,每隔200 mm聯(lián)接一扣,確保不撕網(wǎng)竄矸,由肩部向下豎向鋪設(shè),兩幫鋪設(shè)到最下部一根錨桿位置。同時(shí)選用規(guī)格為WD280/3.0的W形鋼帶,長(zhǎng)度為4.2 m。

    4.2 數(shù)值模擬

    通過(guò)FLAC3D模擬軟件建立新支護(hù)方案下數(shù)值分析模型如圖6所示。對(duì)模型前后左右及底部邊界分別設(shè)置位移約束,施加垂直應(yīng)力15 MPa作用于模型上邊界。原支護(hù)方案兩幫煤層松軟,塑性區(qū)范圍在2.5 m左右,嚴(yán)重地段塑性區(qū)范圍甚至達(dá)到3 m,與實(shí)際巷道變形基本符合。新支護(hù)方案后塑性區(qū)分布如圖7所示。由圖7可知,支護(hù)后巷道頂?shù)装寮皟蓭退苄詤^(qū)范圍較小,最大范圍僅在1.5 m左右,一定程度上限制了巷道變形。

    圖6 數(shù)值分析模型Fig.6 Numerical analysis model

    圖7 塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone

    通過(guò)數(shù)值模擬可以分布得到原支護(hù)與新支護(hù)的水平位移分布、垂直位移分布如圖8所示。比較圖8(a)和圖8(c)可知,兩幫移近量減少35.58%,比較圖8(b)和圖8(d)可知,頂?shù)装逡平繙p少25.74%。由此可見采用新的支護(hù)方式效果明顯比原支護(hù)方案更好。

    圖8 位移分布Fig.8 Displacement distribution

    4.3 施工效果驗(yàn)證

    為驗(yàn)證新支護(hù)方式下巷道變形情況,在1304工作面中間斷選取100 m具有代表性的巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在巷道中央位置布設(shè)一組頂板、底板移近量監(jiān)測(cè)基點(diǎn)A、監(jiān)測(cè)基點(diǎn)B和一組兩幫移近量監(jiān)測(cè)基點(diǎn)C、監(jiān)測(cè)基點(diǎn)D,分別監(jiān)測(cè)巷道的頂?shù)装迮c兩幫移近變形。由圖9可知,在60 d的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi),巷道變形最終趨于平穩(wěn)。 頂板位移量達(dá)到84.21 mm,底鼓量為54.2 mm,兩幫變化比頂板變化略大,左幫移近量達(dá)到148.4 mm,右?guī)鸵平窟_(dá)到184.2 mm。巷道變形基本穩(wěn)定,工人可以安全施工,由此可見巷道變形得到了有效的控制。新的支護(hù)方式使得原本破碎的區(qū)域共同形成穩(wěn)定的整體,錨桿錨索共同作用形成的疊加承載層結(jié)構(gòu)得到了強(qiáng)化,頂?shù)装寮皟蓭臀灰泼黠@減小,避免應(yīng)力擴(kuò)大的同時(shí)塑性區(qū)范圍也顯著減少。

    圖9 巷道圍巖移近量Fig.9 Displacement of roadway wall rock

    5 結(jié) 論

    1) 通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、圍巖窺探、松動(dòng)圈預(yù)估判斷兩幫變形嚴(yán)重的原因主要有兩幫受裂隙水的影響煤層松軟、煤塊單軸抗壓強(qiáng)度較低;松動(dòng)圈范圍較大使得錨桿無(wú)法深入穩(wěn)定巖層內(nèi)部;圍巖破碎存在明顯的裂隙,主動(dòng)支護(hù)無(wú)法形成穩(wěn)定的承載層整體,錨桿錨索施加的應(yīng)力無(wú)法向更深層傳遞。

    2) 針對(duì)義能煤礦巷道斷面及破壞情況,提出承載層概念,分析巷道頂板巖層厚度與最大跨度的關(guān)系找出破壞變形的最大跨距,建立力學(xué)模型計(jì)算平衡拱的最大高度,提出“兩幫加強(qiáng)錨索+鋼筋網(wǎng)+W鋼帶”的支護(hù)方案,適當(dāng)改變巷道的掘進(jìn)寬度,減少斷面面積。當(dāng)施工巷道寬度一定時(shí)增加承載層厚度,降低煤幫應(yīng)力分布減小變形。

    3) 采用基于錨固承載層機(jī)理的新支護(hù)方案,對(duì)新舊方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬,新支護(hù)方式下塑性區(qū)分布明顯減小。數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,巷道兩幫及頂板位移顯著減小,此方案能有效控制巷道變形,滿足安全生產(chǎn)。

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