虎龍溝礦巷道破碎圍巖測(cè)試及支護(hù)設(shè)計(jì)

郝鵬飛

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司,山西 大同 037000)

目前國(guó)內(nèi)礦山普遍采用應(yīng)力解除法、水壓致裂法等方法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，也進(jìn)行過(guò)圍巖強(qiáng)度原位測(cè)量，煤巖體結(jié)構(gòu)測(cè)試等工作，但其方法過(guò)于繁瑣，沒(méi)有配套便捷的設(shè)備[1-7]。很多礦區(qū)煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試工作不到位，巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)依據(jù)不足，可靠性、安全性差。本文結(jié)合虎龍溝礦5號(hào)煤層圍巖地質(zhì)條件，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行測(cè)試分析，并對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程概況

虎龍溝礦位于山西省朔州市懷仁縣云中鎮(zhèn)窯子頭村，其81511工作面51511巷位于5號(hào)煤層?xùn)|盤(pán)區(qū)，平均煤厚10.15 m，煤層走向近東西向(EW)，傾向北(N)，平均傾角4°.采區(qū)內(nèi)地層為寬緩背斜構(gòu)造，背斜軸位于盤(pán)區(qū)巷西部，走向?yàn)楸睎|向。

2 巷道圍巖力學(xué)特征

為了解巷道圍巖的物理力學(xué)特征，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)在虎龍溝礦已掘巷道中布置兩個(gè)測(cè)站來(lái)測(cè)試井下地應(yīng)力大小和方向、圍巖的基本結(jié)構(gòu)特征、圍巖裂隙發(fā)育情況以及強(qiáng)度。第一測(cè)站位于81511工作面運(yùn)輸巷中，測(cè)站處巷道斷面呈矩形，錨網(wǎng)支護(hù)，測(cè)站鉆孔開(kāi)孔處距離巷道底板高3 m.第二測(cè)站位于81511工作面軌道巷中，巷道斷面矩形，錨網(wǎng)支護(hù)，測(cè)站鉆孔開(kāi)孔處距離巷道底板高3 m，測(cè)站均為全煤巷道，兩測(cè)站所處位置受構(gòu)造及采掘影響較小，適合進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量。

2.1 頂板巖層分布及結(jié)構(gòu)觀測(cè)

窺視結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 測(cè)點(diǎn)圍巖鉆孔窺視圖

第一測(cè)站鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)：鉆孔觀測(cè)結(jié)果顯示，頂板以上0～3.3 m為煤，黑色發(fā)亮，靠近孔口處煤體較破碎，鉆孔深處煤體裂隙較為發(fā)育；3.3～11.7 m主要為砂質(zhì)泥巖，較為致密，完整性相對(duì)較好，11.5 m處有兩條明顯橫向裂隙；11.7～11.9 m為夾層煤，11.9～12.7 m為細(xì)砂巖，該段巖層裂隙比較發(fā)育；12.7～19.0 m為中砂巖，致密堅(jiān)硬，其中13.2～14.0 m有兩處縱向裂隙；19.0～21.0 m為頁(yè)巖，巖層相互交錯(cuò)，有泥巖夾層，該段孔壁完整。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，頂板以上13.5～14.7 m之間巖層為中砂巖，相對(duì)較為致密完整，該段適合進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。

第二測(cè)站鉆孔結(jié)構(gòu)觀測(cè)：鉆孔觀測(cè)結(jié)果顯示，鉆孔內(nèi)0～3.0 m為煤，黑色發(fā)亮，開(kāi)孔處煤體破碎嚴(yán)重，深部煤層孔壁較為完整；3.0～14.9 m為砂質(zhì)泥巖，在7.1 m和7.5 m為裂隙，9.8～10.2 m中間有3處小的劈裂狀裂隙，而且11.0 m和14.1 m有少量的泥巖夾層，巖層相對(duì)完整；14.9～15.1 m為夾層煤，黑色發(fā)亮；15.1～15.5 m之間裂隙發(fā)育，15.5～22.2 m之間為中砂巖，巖層呈灰白色，砂質(zhì)膠結(jié)致密堅(jiān)硬，完整性較好，只有17.9 m和20.5 m處有裂隙。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，在頂板以上17.5～18.6 m之間巖層相對(duì)較為完整，適合進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試。

2.2 地應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算

分別對(duì)每個(gè)測(cè)站的測(cè)量段進(jìn)行壓裂，利用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量?jī)x測(cè)量繪制每個(gè)測(cè)站的水力壓裂時(shí)程曲線，再根據(jù)曲線通過(guò)軟件分析得到應(yīng)力計(jì)算所需要的破裂壓力、重張壓力和瞬時(shí)關(guān)閉壓力。地應(yīng)力的計(jì)算公式[8]如下：

σh=Ps-γwh

(1)

σv=γH

(2)

σH=3Ps-Pr-2γwh

(3)

式中：Pr、Ps為數(shù)儀上的重張壓力、封閉壓力，MPa；γw為水的容重，MN/m3；h為測(cè)站到讀數(shù)儀的垂直距離，m；γ為上覆巖層容重巖石；H為埋深。σh、σH和σv分別為最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力。

計(jì)算得到：虎龍溝煤業(yè)兩測(cè)站最大水平主應(yīng)力為20.45 MPa、18.18 MPa，最小水平主應(yīng)力為10.39 MPa、11.44 MPa，垂直應(yīng)力為13.75 MPa、13.9 MPa.數(shù)據(jù)說(shuō)明該區(qū)域?qū)僦械绕叩貞?yīng)力值區(qū)域；應(yīng)力場(chǎng)類型為σH>σv>σh型應(yīng)力場(chǎng)，受構(gòu)造影響較大，水平應(yīng)力影響大。測(cè)站最大水平主應(yīng)力方向分別為N3.9°E、N29.9°E，初步判斷該區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向大致為北東東方向。在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)力量值、應(yīng)力場(chǎng)類型和最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸線方向的夾角等因素。

2.3 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

地應(yīng)力測(cè)試完后，利用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置對(duì)測(cè)點(diǎn)巷道煤巖體進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2可知：測(cè)站處5號(hào)煤煤體比較完整，煤體強(qiáng)度平均值約為10.29 MPa；第一測(cè)站頂板煤體強(qiáng)度平均值約為11.61 MPa，第二測(cè)站約為12.25 MPa；第一測(cè)站鉆孔3.3～10.0 m巖層整體上為砂質(zhì)泥巖，其巖層探針觸點(diǎn)強(qiáng)度值明顯高于其他值，巖層強(qiáng)度平均值為56.32 MPa；第二測(cè)點(diǎn)3.0～10.0 m段巖層強(qiáng)度平均值29.21 MPa.

圖2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

3 小煤柱圍巖控制

3.1 巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)特征支護(hù)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)巷道圍巖的測(cè)試表明巷道頂板巖層具有疊合板的結(jié)構(gòu)特征，幫部煤體破裂，強(qiáng)度弱于頂?shù)装鍘r層，且兩幫與頂?shù)装彘g層理明顯，巷道頂板具有明顯的彎曲變形特征。破碎的煤幫易發(fā)生片幫、垮幫現(xiàn)象，在頂板巖層對(duì)兩幫頂角的擠壓作用下，其壓碎程度加劇，導(dǎo)致更為嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)，從而導(dǎo)致兩幫對(duì)頂板的支撐作用失效，頂板巖層彎曲變形加劇，產(chǎn)生一種惡型循環(huán)。

本文研究對(duì)象為虎龍溝礦81511工作面51511巷，頂板巖層一經(jīng)暴露應(yīng)當(dāng)立即支護(hù)，加固圍巖使支護(hù)體具有一定的初期剛度，以使頂板巖層處在彈塑性變形階段避免流變及風(fēng)化；兩幫支護(hù)除了要滿足頂板的控制要求外，還需具有可縮性，形成柔性支撐。

3.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

采用Flac3D數(shù)值模擬軟件對(duì)回風(fēng)巷的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)巷道的圍巖變形特征制定了3個(gè)支護(hù)方案，見(jiàn)表1.

表1 數(shù)值模擬方案

從圖3云圖可知：巷道開(kāi)挖后，在巷道兩幫形成支承壓力增高區(qū)，三種方案應(yīng)力集中系數(shù)約為1.5，在巷道頂?shù)装逍纬蓱?yīng)力降低區(qū)。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，支承壓力峰值向巷幫轉(zhuǎn)移，頂?shù)装逯袘?yīng)力降低區(qū)則明顯縮小，說(shuō)明兩幫支護(hù)提高了兩幫圍巖的強(qiáng)度，使兩幫圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中可以看出：采用三種支護(hù)方案，巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在10 mm以下，而無(wú)支護(hù)條件下頂板下沉量最大為18.8 mm，左、右?guī)鸵平?6.9 mm，兩幫移近量54 mm.說(shuō)明通過(guò)錨桿支護(hù)，加固了圍巖，一定程度上減少了圍巖位移量。方案二、三較方案一效果更好，但方案三對(duì)比方案二效果區(qū)別不大，說(shuō)明支護(hù)強(qiáng)度再加大對(duì)于巷道控制已經(jīng)沒(méi)有意義了，綜合經(jīng)濟(jì)效益，方案二為最優(yōu)。

圖3 不同支護(hù)方案數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3.3 巷道支護(hù)方案確定

確定采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁+錨索聯(lián)合支護(hù)的方式。頂板支護(hù)：采用D22 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度為2 400 mm；采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1.3 m；頂錨桿預(yù)緊力350 N·m，錨固力160 kN；采用D14 mm的圓鋼筋焊接而成鋼筋托梁，寬度80 mm，長(zhǎng)度5 100 mm；托板采用拱型高強(qiáng)度托板盤(pán)，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm；用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格4 600 mm×900 mm；間排距800 mm×800 mm，每排7根錨桿，頂角錨桿角度與垂線呈20°，其余垂直頂板。錨索采用D22 mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度為9 000 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度為1.5 m；錨索預(yù)緊力150 kN，錨固力250 kN；錨索間排距為2 400 mm×1 600 mm，錨索托板為250 mm×250 mm×20 mm的鋼板。

巷幫支護(hù)：錨桿為D22 mm高強(qiáng)左旋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2 400 mm，采用樹(shù)脂端部錨固錨固長(zhǎng)度為1.3 m；桿預(yù)緊力300 N·m；錨固力100 kN；采用D16 mm的鋼筋焊接而成鋼筋托梁，寬度90 mm，長(zhǎng)度2 200 mm.托板采用拱型高強(qiáng)度托板盤(pán)，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm.采用菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格2 400 mm×900 mm；錨桿間排距850 mm×800 mm，每排4根錨桿。巷道支護(hù)如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)圖(mm)

該支護(hù)方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，通過(guò)對(duì)巷道兩幫移近量、頂板離層量和底鼓量等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形量較小，加固效果較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)地應(yīng)力、巷道圍巖強(qiáng)度測(cè)試及頂板巖層結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果表明：巷道圍巖頂板較堅(jiān)硬，完整性較好；測(cè)試區(qū)域?qū)儆谥械绕邞?yīng)力值區(qū)，井下應(yīng)力場(chǎng)受構(gòu)造影響較大。裂隙體與破碎體組成的煤幫頂板的彎曲變形下易發(fā)生片幫、垮幫現(xiàn)象。

2) 針對(duì)巷道圍巖的圍巖力學(xué)特征，制定了3種巷道支護(hù)方案，數(shù)值模擬顯示支護(hù)方案二能有效控制圍巖變形、減少圍巖位移量；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果較好。