長平煤礦陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征及巷道支護技術(shù)

金成成

（晉煤集團長平公司，山西 高平 048400）

0 引言

煤巖體是一個極其復(fù)雜的地質(zhì)體。與其它工程材料相比，它具有兩大特點[1-2]：其一是煤巖體內(nèi)部含有各種各樣的不連續(xù)面，如節(jié)理、裂隙等，這些不連續(xù)面顯著改變了巖體的強度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強度相差懸殊；其二是煤巖體含有內(nèi)應(yīng)力，地應(yīng)力場的大小和方向都顯著影響著圍巖的變形和破壞。隨著現(xiàn)代礦井逐漸向深部延伸，巖體所處的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，巷道在區(qū)域地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造作用下的局部地應(yīng)力影響下，巷道圍巖條件更加復(fù)雜也能難支護。

1 工程概述

山西長平煤礦是晉城煤業(yè)集團一個現(xiàn)代化礦井，目前礦井主采3號煤層。井田地層傾角平緩，褶曲幅度不大，井田范圍內(nèi)較大的斷層主要為李家河正斷層、西溝村北正斷層、安家村西正斷層，斷層落差均在10 m以上，礦井盤區(qū)設(shè)計均已考慮避讓；落差10 m以下的小型斷層、陷落柱比較發(fā)育，同時2～5 m落差斷層分布廣泛，而落差在5～10 m的斷層對煤巖體的影響范圍較大，地應(yīng)力場不僅發(fā)生變化，同時其附近常常衍生有小斷層群，給礦井采掘活動造成了較大的影響。文章以長平礦4321工作面范圍內(nèi)揭露的陷落柱D X214、斷層為工程載體。

2 陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征

2.1 理論計算

根據(jù)現(xiàn)場陷落柱圍巖破壞特征，將陷落柱截面作為圓形模型考慮，將其周邊一定區(qū)域巖體分為破碎區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)彈塑性力學(xué)相關(guān)知識可以得到如圖1所示的陷落柱周邊應(yīng)力分布特性[3-4]。

圖1 陷落柱周邊應(yīng)力分布曲線

長平礦3號煤覆存埋深在500 m，煤抗拉強度0.5 MPa，頂?shù)装鍑鷰r以泥巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖為主，抗拉強度分別為：0.9、1.5、6.2 MPa，取上覆巖層容重為25 k N/m3，經(jīng)現(xiàn)場鉆探得陷落柱D X214半徑為50 m，由此得出陷落柱周邊最大剪切向應(yīng)力為：

故可判定長平礦3號煤陷落柱周邊均存在一定范圍的破碎區(qū)、塑性應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。

根據(jù)彈塑性力學(xué)可以得到塑性區(qū)半徑R：

式中：ra為陷落柱的半徑，PO為水平應(yīng)力，q為垂直應(yīng)力，Pi為陷落柱柱體對柱體邊界的支撐力，式中ε取值為：ε=1+sin?/1-sin?。通過計算，可得出陷落柱D X214塑性區(qū)范圍為9.9 m，應(yīng)力升高區(qū)范圍為15 m。

2.2 數(shù)值模擬

通過F LAC3D數(shù)值模擬軟件，對陷落柱周邊應(yīng)力分布進行驗證模擬，給出陷落柱應(yīng)力分布4個區(qū)域。

圖2 中，（a）、（b）云圖中同一水平線上的柱體內(nèi)應(yīng)力值均低于柱體外圍，垂直應(yīng)力柱體內(nèi)外差異較大，而水平應(yīng)力值柱體內(nèi)外差異則較小；垂直應(yīng)力從模型的頂部往下應(yīng)力值依次增大，柱體邊界由內(nèi)到外應(yīng)力逐漸增大，形成應(yīng)力升高區(qū)，隨著距離的增大，柱體邊界外圍巖體應(yīng)力值趨于平緩，恢復(fù)原巖應(yīng)力。由此驗證了陷落柱體圍巖塑形應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)的存在。

圖2 正楔形陷落柱垂直與水平應(yīng)力云圖

3 過陷落柱巷道支護技術(shù)

3.1 陷落柱區(qū)域巷道破壞特征

通過現(xiàn)場調(diào)研、實測，分析，得出陷落柱區(qū)域內(nèi)巷道破壞特征：①變形的破壞方式較多，有破碎帶巷道頂板下沉、巷幫片幫等；②巷道變形量大，巷道圍巖應(yīng)力釋放速率快[5]，且處于較長時間，其主要表現(xiàn)在巷道頂?shù)装逡平俣?、巷道兩幫移近的速度，且巷道圍巖自穩(wěn)時間較長；③陷落柱構(gòu)造破碎帶圍巖變形破壞表現(xiàn)出很強的各向異性，巷道圍巖的變形及破壞無對稱性，無法做出精準(zhǔn)的預(yù)測；④陷落柱松散圍巖與支護體相互作用后，破碎帶圍巖變形不會在短時間內(nèi)停下來，圍巖變形表現(xiàn)出較強的流變性。

3.2 陷落柱區(qū)域巷道支護技術(shù)

以43101巷工作面穿過D X214陷落柱為例，說明巷道穿越陷落柱時的支護。

1）注漿加固圍巖：采用的為聯(lián)邦雙液注漿材料，2種漿液混合后凝固時間為3～10 min，凝固后1～8 h內(nèi)漿液巖體強度可達到8～15 MPa以上，注漿的壓力選取10～15 MPa，為了能使?jié){液完全擴散到破碎孔隙中，超前預(yù)注漿加固巷道頂板采用拱形布孔，形成拱形殼體圍巖結(jié)構(gòu)，頂板、兩幫及底板鉆孔離巷道輪廓線均為0.5 m，在工作面迎頭距離頂板下0.5 m處，布置一排5個鉆孔，間距1 m，兩側(cè)孔外斜角度7°、仰角4°，中間孔仰角10°，水平布置；在工作面迎頭中部布置一排3個鉆孔，兩側(cè)孔外斜角7°，中間孔0°，水平布置無傾角；在距離工作面迎頭底板往上0.5 m處布置一排3個鉆孔，兩側(cè)孔外斜角6°、傾角-6°，中間孔0°、傾角-10°。

注漿采用分段前進式超前注漿施工工藝。分段前進式深孔超前注漿是鉆、注交替作業(yè)的一種注漿方式，按照設(shè)計要求，每循環(huán)加固長度為20 m，后續(xù)注漿段均預(yù)留2 m注漿巖層，用來保障鉆孔的施工安全。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 超前注漿施工剖面圖

2）巷道支護參數(shù)：頂板采用2-0-2方式布置6.3 m錨索，錨桿間排距均為1.0 m；巷幫采用間距0.9 m、排距1.0 m的錨桿支護，具體參數(shù)見圖4。

圖4 43101巷原始支護參數(shù)

4 礦壓觀測

圖5為43101巷過陷落柱圍巖變形觀測的2個測站數(shù)據(jù)，測點1、2巷道圍巖變形規(guī)律基本相同，支護初期巷道頂板下沉量、兩幫移進量均較大且變形速率較快，在24 d時圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在191 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在121 mm。表明超預(yù)注漿+錨索網(wǎng)支護+架棚支護方案能夠使巷道安全地通過陷落柱構(gòu)造帶，效果較好。

圖5 43101過陷落柱區(qū)域巷道圍巖變形量觀測

5 結(jié)語

通過理論分析、數(shù)值模擬得出陷落柱區(qū)域巖體應(yīng)力特征，即應(yīng)力分布的4個區(qū)，破碎區(qū)、塑性應(yīng)力降低區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，根據(jù)長平礦3號煤圍巖力學(xué)參數(shù)得出長平礦陷落柱區(qū)域巖體必然存在上述4個區(qū)域，同時給出了塑性區(qū)半徑的理論計算公式。

通過現(xiàn)場調(diào)研，給出了長平礦巷道過陷落柱圍巖破壞特征，利用超前預(yù)注漿技術(shù)，以及合理的錨網(wǎng)索支護，有效提高了過陷落柱巷道圍巖穩(wěn)定，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。