深部高水平應(yīng)力巷道協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

馬 力,殷帥峰,劉志高

(1. 安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,安徽 宿州 234000;2. 華北科技學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著我國煤炭開采強(qiáng)度逐漸增加,煤炭資源開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向具有復(fù)雜力學(xué)環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)的深部[1]。深部巖巷具有明顯的高地應(yīng)力特征,且應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜,同時(shí)還會(huì)受到巷道掘進(jìn)以及回采期間強(qiáng)擾動(dòng)作用[2],巖巷掘進(jìn)速度和效率會(huì)對(duì)后續(xù)工序接替造成直接影響[3-6]。在開采引起的強(qiáng)擾動(dòng)以及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境疊加作用下,深部巖巷容易發(fā)生大變形甚至引起巷道災(zāi)害事故,因此研究深部開采圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)具有重要的意義。國內(nèi)外專家學(xué)者在研究巷道圍巖穩(wěn)定性方面開展了大量研究,文獻(xiàn)[7]認(rèn)為深部巖巷掘進(jìn)較慢的原因是地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜和高應(yīng)力共同作用,采用爆破技術(shù)能有效推進(jìn)巖巷掘進(jìn)速度。文獻(xiàn)[8]采用數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法分析了深部巷道圍巖的損傷特性,文獻(xiàn)[9-15]分析了淮南礦區(qū)以及南方其他深部巷道圍巖特征,提出了錨桿“三高”支護(hù)原則和錨桿索聯(lián)合支護(hù)以及運(yùn)用改善應(yīng)力、增強(qiáng)巖性以及應(yīng)力轉(zhuǎn)移等方法控制深部巷道圍巖穩(wěn)定。

許多學(xué)者對(duì)深部巷道的掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)有了較為深入的研究,但對(duì)深部高水平應(yīng)力作用下巷道協(xié)調(diào)調(diào)控機(jī)制研究較少。本文以朱集西煤礦西翼11煤軌道大巷為研究對(duì)象,采用理論分析,實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等方法深入分析深部高水平應(yīng)力作用下大巷圍巖穩(wěn)定性,提出深部巷道圍巖穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制技術(shù),為深部礦井巖巷圍巖控制提供理論和技術(shù)支撐。

1 工程背景

朱集西煤礦位于安徽省淮南市,目前開采煤層為11煤層,煤層埋深超過300m,平均厚度為6.2m。11煤層巷道群包括運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、軌道大巷和煤矸石運(yùn)輸大巷組成,長期服務(wù)于朱集西煤礦主要生產(chǎn)采區(qū)各工作面。本文研究對(duì)象為朱集西煤礦西翼11煤軌道大巷,該大巷斷面為直墻半圓拱形斷面,凈寬、凈高為:5600mm×4600mm,屬于深井大斷面巖巷,沿底板掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)過程中主要揭露巖層為泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖。直接頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部為粉砂巖,厚度0～6.2m,平均厚度2.8m,屬于不穩(wěn)定頂板;老頂巖為中細(xì)砂巖,厚度為1.4～7.8m,平均厚度1.9m。老頂細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度13.23～20.41MPa,平均為16.78MPa,抗拉強(qiáng)度0.67～0.94MPa,平均為0.81MPa,抗剪強(qiáng)度1.01～1.32MPa,平均為1.16MPa。巷道兩幫和煤層底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部為泥巖,厚度為0.4～3.1m,平均厚度為1.82m。巷道平均埋深約為940m,巖層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

2 深部高水平應(yīng)力巖巷變形破壞影響因素分析

高水平應(yīng)力巷道指的是:深部開采中,水平應(yīng)力較高的一類巷道。為了揭示深部巷道的變形破壞機(jī)理和圍巖變形破壞的影響因素,通過對(duì)朱集西煤礦深部巖巷工程地質(zhì)條件、巷道圍巖結(jié)構(gòu)、物化成分、地質(zhì)力學(xué)等的綜合分析,結(jié)合原先不同支護(hù)工況的變形破壞分析結(jié)果,確定影響深部巖巷穩(wěn)定性的主控因素主要包括埋深、支護(hù)長度、支護(hù)密度和側(cè)壓系數(shù)等因素。通常在研究多因素變量問題時(shí),可以采用正交實(shí)驗(yàn)法便于統(tǒng)計(jì)分析,可以減少計(jì)算量,分析結(jié)果較好。

本次分析采用FLAC3D數(shù)值模擬方法對(duì)巷道變圍巖變形特征進(jìn)行分析,依照朱集西礦11煤軌道大巷設(shè)計(jì)尺寸建模,模型尺寸為60m×20m×40m;巷道埋深940m,覆巖平均重度為2.5×104N/m3;垂直應(yīng)力取23.5MPa,力學(xué)模型選用莫爾-庫侖準(zhǔn)則。模型建立后,在兩側(cè)邊界施加水平方向的位移約束,在底面施加垂直方向的位移約束,在前后表面施加側(cè)向的位移約束,頂面施加應(yīng)力邊界。模型如圖2所示,模型中選取的巖層力學(xué)參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和折減法所得,煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型建立

為分析不同因素對(duì)巷道變形的影響,現(xiàn)將埋深(A)、支護(hù)長度(B)、支護(hù)密度(C)以及側(cè)壓系數(shù)(D)作為實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行數(shù)值模擬分析?？捎肔9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,數(shù)值模擬結(jié)果見圖3和圖4,實(shí)驗(yàn)匯總結(jié)果見表2,其中LD是巷道左幫位移;RD代表巷道右?guī)臀灰?MS代表最大剪應(yīng)力。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 位移結(jié)果圖

圖4 最大剪應(yīng)力結(jié)果圖

對(duì)圖3和圖4中不同方案的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖進(jìn)行分析,總結(jié)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果于表2中進(jìn)行對(duì)比可知,側(cè)壓系數(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性影響最大,其次是巷道埋深,也可理解為水平應(yīng)力是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素。支護(hù)參數(shù)中,通過表2中各方案的對(duì)比,可知支護(hù)密度比支護(hù)長度對(duì)巷道穩(wěn)定性影響更強(qiáng)。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,以左幫位移量和右?guī)臀灰屏縼肀碚飨锏佬巫兞?深部巷道圍巖變形受最大剪應(yīng)力為主,不同因素對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響次序?yàn)?構(gòu)造應(yīng)力、巷道埋深、支護(hù)密度、支護(hù)長度。當(dāng)埋深一定時(shí),構(gòu)造應(yīng)力起主要作用,在無法改變應(yīng)力環(huán)境的條件下,通過改變巷道支護(hù)參數(shù)和支護(hù)工藝優(yōu)化對(duì)深部高水平應(yīng)力巷道圍巖進(jìn)行協(xié)調(diào)控制保證圍巖穩(wěn)定性。

3 深部高水平應(yīng)力巷道協(xié)調(diào)控制技術(shù)

3.1 深部高水平應(yīng)力巷道圍巖協(xié)調(diào)控制原則

專家學(xué)者們提出的錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨網(wǎng)索支護(hù)、錨網(wǎng)梁支護(hù)及鋼架支護(hù)等多種支護(hù)形式的復(fù)合支護(hù)技術(shù)解決了巷道圍巖控制的許多難題,但是深部巷道圍巖在強(qiáng)擾動(dòng)和復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)的作用下會(huì)導(dǎo)致巷道圍巖變形量大、底鼓嚴(yán)重、支護(hù)體失效,嚴(yán)重的還會(huì)造成頂板大面積垮落等安全事故,難以保證圍巖穩(wěn)定性。因此,針對(duì)深部高應(yīng)力巷道圍巖的變形破壞特征,應(yīng)充分利用巷道頂板圍巖的承載能力,結(jié)合深井巷道的強(qiáng)力—分次支護(hù)力學(xué)機(jī)制,提出與深部巷道圍巖變形相適應(yīng)的強(qiáng)力—分次協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù),以有效提高巷道圍巖的穩(wěn)定性,可為深部高應(yīng)力巷道支護(hù)提供借鑒和參考。

巷道圍巖變形可大致分為彈塑性階段和松動(dòng)破壞階段,如圖5所示。在巷道圍巖初始變形階段應(yīng)控制圍巖離層及裂隙擴(kuò)展等不連續(xù)變形,以有效控制淺部圍巖完整性。在沿著巷道深部位置應(yīng)允許巖體產(chǎn)生峰值強(qiáng)度前的塑性及彈性連續(xù)變形,支護(hù)體的變形和讓壓過程可使深部圍巖釋放一定高應(yīng)力,以形成 “先剛后柔再剛、先抗后讓再抗”的圍巖控制原則。

圖5 支護(hù)阻力與圍巖變形關(guān)系曲線

3.2 深部高水平應(yīng)力巷道圍巖協(xié)調(diào)控制技術(shù)

西翼11煤軌道大巷變形具有典型深部巷道變形特征,如:在水平擠壓力的作用下,引起局部巷道類似尖頂變形的特點(diǎn)。以及幫側(cè)內(nèi)擠,墻角處最為嚴(yán)重,以及較大范圍的底鼓現(xiàn)象。

依據(jù)西翼11煤軌道大巷變形特點(diǎn)以及上述分析可知巷道圍巖變形破壞的主控因素為埋深和深部水平應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力的釋放及切向應(yīng)力的壓剪作用將導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重變形破壞,故深部高應(yīng)力作用為巷道圍巖變形破壞的直接誘因。因此,針對(duì)以上變形特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)圍巖協(xié)調(diào)控制的主要技術(shù)途徑有:

(1) 巷道圍巖應(yīng)力改善,防止出現(xiàn)難以控制的塑性區(qū)

巷道圍巖應(yīng)力改善的實(shí)質(zhì)是合理巷道布置位置,將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)域以及對(duì)圍巖進(jìn)行卸壓措施,使巷道圍巖一定深度形成弱化區(qū),將圍巖淺部的應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到深處,改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。

(2) 提高巷道塑性區(qū)破碎圍巖強(qiáng)度,防止塑性區(qū)邊界惡性擴(kuò)展

提高巷道塑性區(qū)破碎圍巖強(qiáng)度可以采取兩方面的措施,一是巷道破碎圍巖的注漿,注漿能夠充填圍巖裂隙,固結(jié)破碎巖體,提高塑性區(qū)圍巖的強(qiáng)度,促進(jìn)圍巖塑性區(qū)邊界的穩(wěn)定;二是在目前的支護(hù)技術(shù)上,采用以錨桿(索)為主,通過合理支護(hù)技術(shù),防止塑性區(qū)破碎圍巖失穩(wěn)。

基于上述分析,西翼11煤軌道大巷的合理支護(hù)思路為:根據(jù)巷道圍巖變形分析結(jié)果,采用錨桿索支護(hù)以及鉆孔卸壓組合作用,控制圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)巖體穩(wěn)定,有效改善圍巖強(qiáng)度,合理控制巷道圍巖變形量。

具體支護(hù)參數(shù)為:錨桿采用左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,其直徑型號(hào)為Ф22,其長度為2800mm,間排距700mm×700mm;錨桿托盤長寬高規(guī)格為150mm×150mm×12mm碟形鋼板。網(wǎng)片采用Ф6mm圓鋼編織平網(wǎng)。網(wǎng)片之間必須搭接牢固,搭接長度100～200mm,采用12#鐵絲雙股雙排扣綁扎,綁扎間距200mm,嚴(yán)禁采用退錨方式進(jìn)行網(wǎng)片壓接。噴漿混凝土初噴厚度30～50mm,復(fù)噴厚度20～40mm。鋼帶采用L=2000mm、寬度為180mm的3眼M5鋼帶,配合錨索順巷道走向布置。錨索使用SKP22-1/1860,1×19股高強(qiáng)錨索,規(guī)格Ф22長度L為6300mm,外露長度150～250mm;錨索間排距為1400mm;錨索張緊力不低于180kN;每根錨索使用3卷Z2850型錨固劑。西翼11煤軌道大巷全斷面13根錨桿,底板4根錨桿,全斷面5根錨索。此外,對(duì)西翼11煤軌道大巷進(jìn)行注漿。注漿管直徑為20mm,桿體兩端開絲,桿體間采用連接套連接;注漿材料采用單液水泥漿,水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比為1:1～1.2:1。注漿管外露80～150mm,每根注漿管采用1卷Z2850型樹脂錨固劑錨固。注漿桶規(guī)格:Ф600mm、高850mm,經(jīng)計(jì)算,注漿桶內(nèi)加水量為500mm深時(shí),需加水泥2.3～2.8袋,現(xiàn)場(chǎng)可按2.5～3袋執(zhí)行。大巷支護(hù)斷面如圖6所示。

圖6 大巷支護(hù)參數(shù)圖

將大巷支護(hù)加固后進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,大巷垂直應(yīng)力在巷道頂部和底部以受拉為主,在大巷幫部應(yīng)力最大為23.73MPa,同時(shí)錨桿索受力降低13%,大巷幫部的塑性區(qū)位置由原來1.33～1.39m擴(kuò)展至1.2m,底板塑性區(qū)由原1.92～1.96m擴(kuò)展至1.8m大巷圍巖趨于穩(wěn)定。

圖7 大巷加固效果模擬圖

此外,在高應(yīng)力區(qū)圍巖中打一定數(shù)量的鉆孔,應(yīng)力作用下鉆孔孔壁被壓塌,鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū),相鄰鉆孔破壞區(qū)相連形成大范圍破壞帶。圖8為大巷進(jìn)行鉆孔卸壓的模擬結(jié)果,其中鉆孔深度6m,孔徑為300mm,鉆孔間排距為1500mm×600mm。由圖7和圖8對(duì)比可知,巷道垂直方向的應(yīng)力于巷道拱頂和底板部位降低范圍擴(kuò)大,同時(shí)兩幫鉆孔周圍應(yīng)力有輕微的降低。拱腰、邊墻底腳等角點(diǎn)部位仍有輕微的應(yīng)力集中。應(yīng)力集中帶轉(zhuǎn)移至鉆孔周圍,錨桿索受力明顯降低,大巷幫部和底板的塑性區(qū)范圍減小,分散集中應(yīng)力,整體穩(wěn)定性提高。大巷幫部最大應(yīng)力由23.73MPa降低為22.5MPa,減小5.18%,卸壓情況較好。

圖8 鉆孔卸壓后應(yīng)力分布圖

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

西翼11煤軌道大巷之前由于高水平應(yīng)力影響導(dǎo)致大巷變形,墻體開裂,巷道出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象,制約安全生產(chǎn),對(duì)大巷采取協(xié)調(diào)控制技術(shù)后,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)大巷破壞情況如圖9所示,治理前后大巷穩(wěn)定性對(duì)比見表3.

表3 治理前后大巷穩(wěn)定性對(duì)比

圖9 大巷加固現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證圖

大巷變形破壞程度相對(duì)較小,巷道斷面完整,無明顯變形,能夠滿足礦井實(shí)際需求,保證安全生產(chǎn),支護(hù)效果較好。

4 結(jié)論

(1) 確定影響深部巖巷穩(wěn)定性的主控因素,并基于正交實(shí)驗(yàn)方法確定不同因素對(duì)深部巖巷穩(wěn)定性影響的方案,采用數(shù)值模擬方法分析了不同方案的圍巖穩(wěn)定性結(jié)果,確定了深部軌道對(duì)大巷圍巖穩(wěn)定性的影響從大到小依次為:高構(gòu)造應(yīng)力、巷道埋深、支護(hù)密度、支護(hù)長度。

(2) 基于理論分析和數(shù)值模擬分析結(jié)果,提出了“注漿加固與高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿及鉆孔卸壓相結(jié)合”協(xié)調(diào)控制技術(shù)并進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證,大巷的最大應(yīng)力降低為22.5MPa,錨桿索受力明顯降低,大巷幫部和底板的塑性區(qū)范圍減小。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的修復(fù)加固方案能夠有效地控制住圍巖變形,實(shí)現(xiàn)了對(duì)深部高水平應(yīng)力大巷圍巖穩(wěn)定性的有效控制。