深部煤層巷道圍巖應(yīng)力分布及控制研究

深部煤層巷道圍巖應(yīng)力分布及控制研究

0復(fù)雜巷道圍巖控制研究進(jìn)展深部煤層大井裂縫發(fā)育，變形量大。在采空力的作用下，單管結(jié)構(gòu)難以控制變形，隧道的維修工作量也很高。針對深部松軟圍巖巷道，眾多專家提出了控制機(jī)理和技術(shù)，如康紅普等上述研究成果為復(fù)雜困難條件下的巷道圍巖控制提供了重要參考依據(jù)。河南焦煤能源有限公司趙固一礦北翼深部煤層回風(fēng)大巷初始采用普通的錨網(wǎng)索+噴混凝土支護(hù)，變形嚴(yán)重，巷道多次返修?；诒币砩畈棵簩踊仫L(fēng)大巷變形破壞特征和強(qiáng)力支護(hù)原理，提出該巷道的加固方法和技術(shù)，以期取得好的支護(hù)效果。1區(qū)回采服務(wù)趙固一礦北翼深部煤層回風(fēng)大巷主要為后期整個北翼采區(qū)回采服務(wù)，擔(dān)負(fù)北翼盤區(qū)通風(fēng)及人員通行。北翼回風(fēng)大巷采掘形勢圖見圖1,該巷道布置于煤層中，埋深626.8m,煤層平均厚度5.8m,堅固性系數(shù)1.1巷道頂板大變形放空錨桿失效機(jī)理表現(xiàn)資2015年北翼回風(fēng)大巷掘出后，僅服務(wù)8個月就發(fā)生了嚴(yán)重變形，正對16011工作面的巷道頂?shù)装寤鹃]合，兩幫變形量達(dá)2m以上。根據(jù)北翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)期間揭露的巖性特征，大巷頂板破碎，圍巖節(jié)理發(fā)育，整體性較差。成巷后短時間內(nèi)頂板大面積離層下沉，離層速度快、下沉量大。兩幫收縮變形嚴(yán)重，整體外移，出現(xiàn)大面積鋼網(wǎng)破壞和錨桿失效。大巷底板為厚2～3m的煤體，且處于無支護(hù)狀態(tài)，巷道底鼓劇烈，掘進(jìn)工作面后方30m以外底鼓頻繁且速度快，施工中需頻繁掘底。受臨近16011工作面采動影響，工作面臨近后，巷道變形破壞進(jìn)一步加劇。兩幫持續(xù)移近，頂板下沉量和底鼓量繼續(xù)增加，最終頂板和底板連接在一起。開挖過程和前期巷道變形最快，變形劇烈段為掘進(jìn)工作面后方30～50m。后期受構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等影響，出現(xiàn)持續(xù)的蠕變變形，表現(xiàn)為整體位移持續(xù)增大、頂板離層繼續(xù)增加、表面碎脹逐漸發(fā)展等。1.2巷道圍巖破碎原因北翼回風(fēng)大巷所處位置屬于構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力交叉影響區(qū)域，煤巖軟弱破碎，節(jié)理化嚴(yán)重，開挖擾動下極易發(fā)生煤巖體內(nèi)部的破壞。造成巷道變形破壞的原因：(1)地質(zhì)構(gòu)造影響。破壞嚴(yán)重段距F16斷層尾部較近，伴生眾多小斷層組，圍巖破碎，構(gòu)造應(yīng)力較大。(2)采掘影響。16011工作面停采線距離北翼回風(fēng)大巷約200m,與臨近的北翼軌道運(yùn)輸大巷和北翼膠帶運(yùn)輸大巷距離較近，回采超前支承壓力和鄰近巷道的固定支承壓力疊加在一起，對該巷道的影響較大。(3)圍巖巖性軟弱。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，受斷層影響，圍巖整體性差，松軟破碎。(4)支護(hù)強(qiáng)度不足。巷道錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計強(qiáng)度不足，支護(hù)參數(shù)不合理，另外針對破碎易風(fēng)化圍巖沒有及時封閉和補(bǔ)強(qiáng)，造成圍巖風(fēng)化泥化，加劇了巷道變形破壞。(5)底板未加固。開拓掘進(jìn)大巷時底板未采取支護(hù)措施，煤巖復(fù)合底板在水壓和高應(yīng)力共同作用下，失去了承載能力。2支護(hù)應(yīng)力場對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響巷道圍巖穩(wěn)定性受到“三場”即原巖應(yīng)力場、采動應(yīng)力場(次生應(yīng)力場或綜合應(yīng)力場)和支護(hù)應(yīng)力場的共同作用，在工程地質(zhì)條件一定時，支護(hù)應(yīng)力場雖然與前兩者差別較大，但是對巷道圍巖穩(wěn)定性影響卻很明顯，會對巷道圍巖中的次生應(yīng)力產(chǎn)生正作用，對巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生積極作用。基于上述分析，根據(jù)趙固一礦北翼回風(fēng)大巷的工程地質(zhì)條件和功能，擬采用強(qiáng)力錨固控制技術(shù)，以“一次支護(hù)”、“高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散”、“三高一低”、“臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度”、“相互匹配”、“可操作性”、“經(jīng)濟(jì)合理性”等為支護(hù)原則。2.1三大相互作用機(jī)制的值模擬分析2.1.1模擬方案設(shè)計結(jié)合北翼回風(fēng)大巷所處的采掘工程條件，建立數(shù)值模型，研究支護(hù)應(yīng)力場、原巖應(yīng)力場和次生應(yīng)力場之間的相互作用機(jī)制。模型尺寸：水平方向60m,豎直方向40m,軸向方向0.5m;巷道寬5m,高4m,共劃分為14080個單元，21339個節(jié)點(diǎn)。巖體物理力學(xué)參數(shù)采用表1中的參數(shù)，模型為平面應(yīng)變模型，3個模擬方案具體如下。原巖應(yīng)力場模型：原巖應(yīng)力條件下，豎直應(yīng)力15MPa,水平應(yīng)力18MPa,彈塑性模型，CM強(qiáng)度準(zhǔn)則。支護(hù)應(yīng)力場模型：模型周邊和巷道軸向完全約束條件下，研究預(yù)應(yīng)力錨桿作用下(錨桿預(yù)緊力40,65,95,150kN)巷道圍巖支護(hù)應(yīng)力場分布，彈性模型綜合應(yīng)力場模型：綜合前兩者方案，研究原巖應(yīng)力場和強(qiáng)力錨桿共同作用下巷道圍巖應(yīng)力場分布，彈塑性模型，CM強(qiáng)度準(zhǔn)則。2.1.2預(yù)緊力對圍巖應(yīng)力的影響由圖2～3可以看出，錨桿在壓預(yù)緊力作用下，錨桿托盤下方形成壓應(yīng)力錐形，預(yù)緊力越大，壓應(yīng)力錐體積也就越大，增加錨桿預(yù)緊力，能夠增加錨桿的間排距，減小錨桿的使用量。相同間距錨桿作用下，隨著錨桿預(yù)緊力的增大，錨桿作用范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力(壓為負(fù))數(shù)值依次增大，即-0.159MPa(40kN)→-0.243MPa(65kN)→-0.341MPa(95kN)→-0.577MPa(150kN);壓應(yīng)力呈波浪形分布，相鄰錨桿之間出現(xiàn)了拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力亦隨著錨桿預(yù)緊力的增大而增大，其中最大拉伸應(yīng)力為0.177MPa(150kN)。因此，增大預(yù)緊力可以增加錨固巖體的圍壓，提高其強(qiáng)度。金屬網(wǎng)、鋼帶梁等護(hù)表構(gòu)件能將錨桿預(yù)緊力分散到非錨固范圍內(nèi)，從而減小這些區(qū)域的拉伸應(yīng)力，提高其強(qiáng)度。在原巖應(yīng)力作用下，無支護(hù)巷道和不同預(yù)緊力錨桿作用下的巷道圍巖綜合應(yīng)力場如圖4～5所示。由圖4～5可以看出，隨著預(yù)緊力增加，巷道周邊最大主應(yīng)力逐漸增加，最小主應(yīng)力(拉伸應(yīng)力)逐漸減小，應(yīng)力差亦逐漸減小，具體結(jié)果為：-28.1MPa[最大主應(yīng)力],3.14×10綜上，錨桿支護(hù)改善了圍巖自身的承載能力，圍巖傳遞應(yīng)力的能力增大，起到了減小圍巖位移的效果；同時增加錨桿預(yù)緊力，能夠減小巷道圍巖塑性區(qū)體積和巷道表面位移，為后續(xù)的北翼回風(fēng)大巷支護(hù)設(shè)計提供了理論依據(jù)。2.2注漿加固機(jī)理趙固一礦北翼回風(fēng)大巷圍巖軟弱，尤其是煤層裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍨橛鏊嗷能浫鯉r層，造成巷道圍巖變形量大，松動破壞范圍深。巷道頂幫底的自承載能力較低，因此，必須對圍巖進(jìn)行注漿改性，形成再造承載層，提高圍巖的自承載能力。再造承載層具有以下特點(diǎn)。幾何特征：再造承載層在錨桿-錨索及注漿控制的范圍內(nèi)，具有一定厚度，錨索壓應(yīng)力作用范圍為6m,即再造承載層的厚度。強(qiáng)度特征：再造承載層中如果出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，即意味著其變形過大，圍巖將會發(fā)生失穩(wěn)。承載特征：再造承載層形成后，承載層成為巷道圍巖承載的主體。可改造特征：采用不同預(yù)緊力的錨固技術(shù)、圍巖注漿加固和被動支架可以對再造承載層進(jìn)行改造，以滿足不同功能巷道的需求。因此，根據(jù)再造承載層原理，提出巷道圍巖控制原理：(1)錨網(wǎng)索支護(hù)，降低圍巖應(yīng)力基于新奧法，巷道掘出后，首先用基本錨網(wǎng)索支護(hù)，釋放圍巖能量，降低圍巖應(yīng)力；其次運(yùn)用圍巖注漿改性和強(qiáng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，提高圍巖強(qiáng)度和其自承載能力。(2)重建承受層的機(jī)理運(yùn)用圍巖注漿改性和強(qiáng)力錨索支護(hù)，在巷道頂?shù)装搴拖飵鸵欢ǚ秶鷥?nèi)形成承載主體。3索+強(qiáng)錨索支護(hù)方式長期支護(hù)北翼回風(fēng)大巷東煤層新掘段采用錨網(wǎng)索+噴漿+注漿+底板鳥籠錨索+補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)方式永久支護(hù)，工藝流程為：綜掘機(jī)割煤→錨網(wǎng)索支護(hù)→底板以上全斷面噴漿→兩幫及頂板注漿→頂幫打補(bǔ)強(qiáng)錨索→底板預(yù)埋鳥籠錨索→鳥籠錨索注漿→上梁并預(yù)緊鳥籠錨索→回填成巷。3.1錨索網(wǎng)片制作巷道支護(hù)斷面如圖6所示，支護(hù)參數(shù)如下。頂板錨桿為?20mm×2400mm,間排距為800mm×900mm,錨固長度≥1000mm(2350型錨固劑2卷);高強(qiáng)度拱形托板尺寸為150mm×150mm×10mm,拱高36mm。W鋼帶寬280mm,長4500mm。鋼筋網(wǎng)片采用?6.0mm冷拔絲焊接，網(wǎng)孔大小為70mm×70mm,規(guī)格為2100mm×1190mm。頂板錨索為?21.6mm×8300mm,采用4支Z2350錨固劑，錨固長度2000mm,每間隔一排錨桿打一排錨索，點(diǎn)錨索與槽鋼梁錨索交叉布置，槽鋼梁錨索每排4根，點(diǎn)錨索每排3根，呈“4-3”布置方式，間排距均為1500mm×1600mm。錨索托板采用300mm×300mm×16mm高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具，拱高60mm,間排距與錨桿設(shè)計間排距相同。幫錨索為?17.8mm×4200mm,用3支Z2350型樹脂錨固劑錨固，錨固長度為1500mm。3.2錨網(wǎng)注漿對比底板采用?21.6mm×6300mm鳥籠錨索加固，并用4900mm槽鋼梁(14號槽鋼)連接，如圖6(b)所示。施工工藝：用ZQS-60/2.0S氣動手持式幫錨桿鉆機(jī)配合麻花鉆桿及?74mm鉆頭鉆孔，打至巖層2.5～3m,用相應(yīng)長度?70mmPVC套管，再用ZLJ250地質(zhì)鉆機(jī)配?42mm鉆桿和?56mm鉆頭鉆孔，孔深6500mm;成孔后進(jìn)行預(yù)埋鳥籠錨索，制作有一定流動性的混凝土漿，灌入錨索底端，用塑料管搗實；埋孔口注漿管，孔內(nèi)放入射漿管，射漿管長2.5m;混凝土錨固7d后，孔內(nèi)注漿，注漿完成1d后開始張拉。錨網(wǎng)施工后即對巷道頂幫進(jìn)行噴漿，厚度100mm,強(qiáng)度C25。材料為325號普通硅酸鹽水泥，配比為：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2,用粒徑為0.35～0.5mm的中粗沙，及粒徑為5～15mm的石子，速凝劑添加量為水泥用量的3%～5%。頂板注漿孔深8000mm,兩幫注漿孔深6000mm,間排距1600mm,隔排打孔注漿，先奇數(shù)排或偶數(shù)排注漿；埋注漿管，孔內(nèi)安裝射漿管(?20mm塑料管，頂板內(nèi)長7500mm,兩幫內(nèi)長5500mm),全長一次注漿，水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力2～2.5MPa,先下后上注漿，圍巖破碎條件下，可根據(jù)現(xiàn)場條件對注漿順序調(diào)整。注漿孔布置如圖6(b)所示。頂幫補(bǔ)強(qiáng)錨索參數(shù)。注漿完成后打設(shè)補(bǔ)強(qiáng)錨索，規(guī)格為?21.6mm×8300mm,錨固長度為2000mm;幫錨索規(guī)格為?21.6×6300mm,錨固長度1500mm,矩形布置，錨索間排距1600mm;錨索初始張拉力不低于300kN,預(yù)緊力損失后不低于250kN。3.3圍巖力學(xué)及參數(shù)特性結(jié)合北翼回風(fēng)大巷的工程地質(zhì)條件和上述支護(hù)參數(shù)，建立數(shù)值模型，以驗證設(shè)計結(jié)果。模型尺寸為長80m×寬0.5m×高60m,共劃分80631個單元，22475個節(jié)點(diǎn)。邊界條件：根據(jù)原巖應(yīng)力測試結(jié)果，施加載荷為13.97MPa,構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為1.2,故左右邊界施加水平應(yīng)力16.75MPa,底面為固定約束，如圖7所示。巖體參數(shù)及強(qiáng)度準(zhǔn)則見2.1節(jié)。錨桿、錨索和注漿錨桿采用cable單元，注漿參數(shù)和錨固參數(shù)可參考文獻(xiàn)3.3.1巷道圍巖塑性區(qū)圖8為不同支承壓力下巷道變形量和塑性區(qū)體積。由圖8可知，隨著支承壓力集中系數(shù)巷道圍巖塑性區(qū)如圖9所示。由圖9可以看出，隨著支承壓力增加，巷道圍巖塑性區(qū)逐漸增加。當(dāng)從上述礦壓顯現(xiàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)3.3.2支持疲勞與前述巷道變形對應(yīng)，隨著支承壓力集中系數(shù)增大，錨索錨固段受力逐漸增大，直至達(dá)到所施加的預(yù)緊力200kN。當(dāng)3.3.3圍巖的應(yīng)力分布隨著支承壓力集中系數(shù)增加，巷道圍巖中的主應(yīng)力差(4巷道支護(hù)效果現(xiàn)場工業(yè)實踐表明，經(jīng)過260d觀測，北翼深部煤層回風(fēng)大巷兩幫最大變形量129mm,頂板最大下沉值57mm,底鼓量較大，達(dá)到182mm;變形速率開始時較大，底鼓速率最大達(dá)到17mm/d,頂幫較小；巷道掘出15d后，變形速率逐漸減小至0.5mm/d左右，3個月后，位移速率接近0,如圖12(a)所示。錨索工作載荷由初始的200kN左右，降低到160kN左右，錨桿載荷穩(wěn)定在100kN左右，在正常范圍之內(nèi)，支護(hù)效果如圖12(b)所示。其他測站觀測結(jié)果與此類似，不再贅述。強(qiáng)力支護(hù)一次成巷與架棚支護(hù)相比，經(jīng)濟(jì)效益明顯，材料和人工綜合成本每米節(jié)約6891元，按比例為51%,共施工巷道408m,直接降低成本共281.4萬元。5北翼