富水頂板大變形破壞特征及分區(qū)動態(tài)支護(hù)技術(shù)研究

任建慧，楊 森，李宣良，姚士茂，宋小飛，劉耀輝

（1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

在煤礦采掘活動中，圍巖穩(wěn)定性不僅與埋深、巖性、開采工藝等因素密切相關(guān)，還在很大程度上受孔隙水、頂?shù)装逅w賦存特征的影響[1-3]。通常來說，巖石遇水后會發(fā)生膨脹、軟化等劣化行為，巖石微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的裂隙、孔隙由不規(guī)則邊界向整體成型結(jié)構(gòu)發(fā)育[4]，從宏觀角度來看，富水條件下的巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍較常規(guī)巷道更加廣泛，巷道變形量更大[5-6]。對此，相關(guān)專家學(xué)者從巖石的軟化特性及巷道支護(hù)技術(shù)的角度進(jìn)行了大量研究，取得了諸多值得借鑒的有益成果[7-10]。竇子豪等[11]通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)明確了巖石長時間浸水后其彈性模量及內(nèi)摩擦角均會降低，且破壞時塑性變形增大；齊學(xué)元等[12]、郭瑞等[13]通過不同含水率砂巖單軸壓縮試驗(yàn)，進(jìn)一步明確了砂巖抗壓強(qiáng)度及彈性模量均隨含水率增大呈負(fù)指數(shù)下降關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員提出在采掘作業(yè)中應(yīng)根據(jù)頂板淋水量判斷是否需要提前疏水以減小水對圍巖的軟化作用，并提出了相應(yīng)的疏水措施[14-17]。同時，杜明啟等[18]通過鉆孔窺視及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法明確了富水頂板的變形離層特點(diǎn)，并提出錨桿與長短錨索交叉支護(hù)方案，取得了較好的支護(hù)效果；張俊敏等[19]研究了頂板水體對錨桿錨固作用的影響，并提出了錨索注漿的方案進(jìn)行巷道支護(hù)，有效控制了巷道變形。但現(xiàn)有研究成果對設(shè)計(jì)長度較長，且僅部分區(qū)段頂板含水的回采巷道研究較少，因此，以布爾臺煤礦22204 工作面輔助運(yùn)輸巷道為研究對象，通過理論分析、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬、工業(yè)性實(shí)踐等綜合研究方法明確不同區(qū)段巷道塑性區(qū)發(fā)育特征，提出相應(yīng)分區(qū)動態(tài)支護(hù)方案并進(jìn)行工業(yè)性實(shí)踐，為相似條件礦井提供有益借鑒。

1 工程概況

神東布爾臺煤礦22204 工作面位于2-2 煤層二盤區(qū)，2-2 煤層平均埋深約300 m，平均厚度3.2 m，煤層傾角1°～3°，巷道采掘布置如圖1 所示。工作面回采巷道斷面形狀為矩形，寬×高為5.4 m×3.0 m。巷道頂?shù)装鍘r性主要為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、中粒砂巖、粉砂巖等，整體強(qiáng)度較低，多為軟弱-半堅(jiān)硬巖石。煤層頂板多個區(qū)段存在裂隙水、孔隙水，如700～750 m、850～900 m、920～960 m、980～1 050 m、1 200～1 250 m 等，該含水區(qū)域具有富水性差、補(bǔ)給條件差的特點(diǎn)。參考相鄰礦井地應(yīng)力測量結(jié)果，該礦井處側(cè)壓系數(shù)約為1.2。該巷道為留巷布置，22204 工作面開采時作為輔助運(yùn)輸巷道，22205 工作面開采時作為回風(fēng)巷使用。

圖1 22204 工作面位置Fig.1 Position of 22204 working face

該回采巷道原支護(hù)方案為“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+錨索”聯(lián)合支護(hù)，其中，錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 200 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm；錨索規(guī)格為Φ22 mm×8 000 mm，間排距為2 000 mm×2 000 mm；鋼帶規(guī)格為4 600 mm×140 mm×8 mm 五孔π 型鋼帶。22204 工作面開采過程中巷道變形量較大，尤其是淋水區(qū)段，巷道變形量如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive geological histogram

由圖2 可知，工作面超前130 m 至滯后工作面600 m 范圍內(nèi)頂板移近量在400 mm 左右波動，兩幫移近量從工作面后方50 m 處開始增大，滯后工作面400 m 后較為明顯。其中，頂板富水區(qū)域巷道變形更為嚴(yán)重，960 m 處最小巷高僅2.05 m，1 200 m 處最小巷高約2.21 m，且多次發(fā)生錨索破斷、工字鋼變形等支護(hù)結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象。對此，礦方進(jìn)行了多次補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，但仍無法有效控制巷道圍巖變形，頂板富水區(qū)段巷道大變形特征如圖3 所示。

圖3 頂板富水區(qū)段巷道大變形特征Fig.3 Large deformation characteristics of roadway in water-rich section in roof

2 含水巷道塑性區(qū)發(fā)育機(jī)理

結(jié)合彈塑性理論及巖石滲流基本理論分析含水巷道塑性區(qū)分布特征，并做出如下假設(shè)：①巷道斷面為圓形，且可作為平面應(yīng)變問題處理；②巖體為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)滲透介質(zhì)；③水體流動復(fù)合Darcy 定律。建立的力學(xué)模型如圖4 所示，其中，R0為圓形巷道半徑，Rd為外水影響半徑，Pd為原始滲透場水壓。

圖4 含水巷道彈塑性分析力學(xué)模型Fig.4 Elastoplastic analysis mechanical model of water bearing roadway

根據(jù)滲流理論，巷道滲流場水壓pw計(jì)算見式（1）。

設(shè)含水圍巖為兩相介質(zhì)體，則滿足式（2）。

式中，α為有效水壓力系數(shù)[20]。

假設(shè)巖體破壞服從Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，則在滲流場影響下得式（3）。

將式（1）和式（3）帶入式（2），當(dāng)R0≤r≤Rd時可得式（4）。

假設(shè)巷道開挖后支護(hù)強(qiáng)度為Pi，且將支護(hù)強(qiáng)度簡化為分布在巷道表面的均布載荷，即邊界條件為r=R0，σr=Pi，帶入式（3）和式（4）得式（5）。

當(dāng)r=Rp時，可得塑性區(qū)半徑Rp，見式（6）。

式中，P0為該處未受開采擾動的地應(yīng)力大小。

將該巷道的工程地質(zhì)條件帶入式（6），取原巖應(yīng)力P0=7.5 MPa、Pd=1.0 MPa、α=0.3，取巖石力學(xué)特性測試結(jié)果的平均值，內(nèi)摩擦角φ=30°、內(nèi)聚力C=5.6 MPa，則支護(hù)強(qiáng)度與塑性區(qū)發(fā)育半徑關(guān)系如圖5 所示，其中，令滲透場水壓pw等水理參數(shù)均為0即可得不含水時的塑性區(qū)半徑。由圖5 可知，支護(hù)強(qiáng)度為0 MPa 時，含水巷道和不含水巷道塑性區(qū)半徑分別為5.05 m 和2.96 m；隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大，含水巷道塑性區(qū)半徑減小幅度大于不含水巷道，說明通過提高支護(hù)強(qiáng)度可顯著控制含水巷道塑性區(qū)半徑。

圖5 巷道塑性區(qū)半徑與支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the radius of plastic zone and support strength

上述計(jì)算結(jié)果是對現(xiàn)場進(jìn)行抽象簡化并建立在一定假設(shè)基礎(chǔ)上得到的，當(dāng)現(xiàn)場存在不均勻地質(zhì)條件或存在局部裂隙時，理論計(jì)算結(jié)果可能不同程度存在一定差異，但計(jì)算結(jié)果對現(xiàn)場生產(chǎn)仍具有重要指導(dǎo)意義。

3 回采巷道破壞特征

3.1 巷道破壞特征探測

為明確巷道大變形的原因，采用鉆孔可視化探測的方法掌握采動影響下頂板結(jié)構(gòu)及破壞規(guī)律。第一測站布置在回采巷道810 m 處，此處距停采線500 m，相隔290 m 布置第二測站，由此再相隔60 m布置第三測站，每個測站布置一個窺視孔。為保證探測效果，頂板鉆孔均垂直設(shè)計(jì)，深度均為8 m。巷道可視化探測結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知，距停采線500～850 m 范圍內(nèi)頂板以頂煤、砂質(zhì)泥巖及中粒砂巖為主，其中，頂板整體較為破碎，頂煤上方的砂質(zhì)泥巖厚度變化范圍較大，達(dá)2～4 m，該層存在較多裂隙，局部較為破碎；頂板上方5～8 m 范圍內(nèi)巖性較為復(fù)雜，包括夾煤、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖及中粒砂巖等，該層局部含發(fā)育程度不一的煤線，整體裂隙發(fā)育較少。此外，由圖6 還可知，正常區(qū)段巷道頂板裂隙發(fā)育范圍約3.50 m，頂板富水區(qū)段巷道頂板裂隙發(fā)育范圍為4.42～6.05 m。

3.2 回采巷道塑性區(qū)分布形態(tài)

結(jié)合22204 工作面工程地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值模型，明確含水區(qū)段巷道頂板變形破壞特征，為巷道支護(hù)技術(shù)研發(fā)提供基礎(chǔ)。數(shù)值模型長×寬×高為600 m×600 m×200 m，工作面兩側(cè)各預(yù)留50 m 保護(hù)煤柱，同時加密巷道附近網(wǎng)格精度至0.5 m 以保證計(jì)算精度及計(jì)算速度。限制模型前、后、左、右和下等五個表面的位移，同時底面為固定約束。

巷道頂板下沉嚴(yán)重區(qū)段與其他區(qū)段地質(zhì)概況不同，主要體現(xiàn)在該區(qū)段頂板含水弱化了砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖等巖石，同時頂板含水導(dǎo)致巖石碎漲釋放一定碎漲壓力以載荷形式作用于頂板，所以可將巷道分為正常區(qū)段及含水區(qū)段。需要說明的是，數(shù)值模型中未考慮水對巖石的侵蝕及搬運(yùn)作用，僅考慮了水對巖石強(qiáng)度的弱化作用，因此正常區(qū)段及含水區(qū)段的模擬是采用同一模型進(jìn)行了兩次不同參數(shù)的計(jì)算。采用Mohr-Coulomb 描述各巖層破壞特征，結(jié)合鉆孔柱狀圖及巖石力學(xué)特性測試結(jié)果獲取巖石力學(xué)參數(shù)，見表1。其中，進(jìn)行軟化系數(shù)試驗(yàn)時需將巖石試件浸泡在水中讓其自然吸水至飽和，含水段巖石強(qiáng)度按軟化系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)折減。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Parameters of rock mechanical

按上述方案進(jìn)行模擬計(jì)算至平衡時，正常區(qū)段及含水區(qū)段巷道破壞特征如圖7 所示。由圖7 可知，巷道處于22204 工作面開挖造成的應(yīng)力增高區(qū)，正常區(qū)段巷道垂直應(yīng)力可達(dá)20 MPa，含水區(qū)段巷道垂直應(yīng)力達(dá)到17 MPa，應(yīng)力增高系數(shù)分別為2.67 和2.37；巷道的掘進(jìn)使得該處卸載方向不一致，應(yīng)力方向發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，最直觀的顯示是巷道頂板塑性區(qū)分布狀態(tài)不同，巷道右側(cè)上方塑性區(qū)發(fā)育高度明顯大于左側(cè)，其中，正常區(qū)段巷道左側(cè)頂板塑性區(qū)和右側(cè)頂板塑性區(qū)發(fā)育高度分別為0.5 m 和2.0 m，左幫塑性區(qū)范圍和右?guī)退苄詤^(qū)范圍分別為3.0 m 和2.5 m；含水區(qū)段巷道則分別為1.5 m 和5.5 m。即含水區(qū)段塑性區(qū)發(fā)育高度明顯大于正常區(qū)段，且均呈現(xiàn)明顯非對稱分布形態(tài)。

圖7 巷道礦壓顯現(xiàn)特征Fig.7 Mine strata pressure behave features of roadway

4 巷道分區(qū)動態(tài)支護(hù)技術(shù)

4.1 巷道分區(qū)動態(tài)支護(hù)方案

根據(jù)巷道頂板結(jié)構(gòu)可視化探測結(jié)果及塑性區(qū)分布特征，提出巷道分區(qū)動態(tài)支護(hù)技術(shù)：正常區(qū)段巷道仍采用原支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)，但將幫部錨桿間排距縮小為800 mm×800 mm；在正常區(qū)段巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，頂板含水區(qū)段巷道采用“錨索+鋼帶”對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，其中，錨索規(guī)格為Φ22 mm×8 000 mm，間排距為2 000 mm×2 000 mm，鋼帶規(guī)格為4 600 mm×140 mm×8 mm 五孔π 型鋼帶。巷道支護(hù)示意如圖8 所示。

圖8 巷道支護(hù)示意圖Fig.8 Schematic diagram of roadway support

4.2 巷道分區(qū)動態(tài)支護(hù)效果

按上述加固支護(hù)方案進(jìn)行施工，并監(jiān)測巷道頂板下沉量及頂板離層特征，結(jié)果如圖9 所示。由圖9可知，實(shí)施分區(qū)動態(tài)支護(hù)方案后，頂板含水區(qū)段巷道頂?shù)装逡平繛?50～300 mm，正常區(qū)段巷道頂?shù)装逡平孔钚〖s100 mm；頂板在前7 d 內(nèi)發(fā)生小幅度離層，之后逐漸趨于平穩(wěn)，頂板離層量最大8 mm，其中，頂板0～4 m 離層量明顯大于4～8 m 離層量，這與鉆孔可視化探測所得的頂板破碎范圍較為一致。由此說明錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可有效控制破碎圍巖體垮落，減小頂板下沉量，保障工作面安全高效開采。

圖9 分區(qū)動態(tài)支護(hù)效果Fig.9 Effect of zoning dynamic support

5 結(jié)論

1）22204 工作面回采巷道不同區(qū)段變形特征不同，頂板富水區(qū)段具有頂板劇烈下沉、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等大變形破壞特征。

2）建立了含水巷道塑性區(qū)發(fā)育力學(xué)模型，明確了無支護(hù)條件下含水區(qū)段巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍約5 m，正常區(qū)段巷道塑性區(qū)范圍約3 m，且提高支護(hù)強(qiáng)度可顯著控制含水巷道塑性區(qū)半徑。

3）通過鉆孔窺視實(shí)測了巷道破壞特征，認(rèn)為頂板圍巖離層破壞主要發(fā)生在巷道5 m 范圍內(nèi)；結(jié)合數(shù)值模擬，進(jìn)一步明確了巷道塑性區(qū)呈非對稱的分布形態(tài)。

4）提出了頂板富水區(qū)段巷道采用“錨索+鋼帶”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的分區(qū)動態(tài)支護(hù)方案，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐頂?shù)装逡平孔钚〖s100 mm，頂板離層量最大8 mm，圍巖控制效果顯著。