高膨脹軟化圍巖巷道穩(wěn)定性影響因素及錨桿支護(hù)技術(shù)研究

高膨脹軟化圍巖巷道穩(wěn)定性影響因素及錨桿支護(hù)技術(shù)研究

中國(guó)的煤炭生產(chǎn)條件越來(lái)越復(fù)雜，開(kāi)采深度也在不斷增加。進(jìn)入深層開(kāi)采階段后，道路充滿的地質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境是不同的，深部道路圍巖的變形和破壞特征明顯不同于平面圍巖。深部軟巖道路的保護(hù)和維護(hù)問(wèn)題越來(lái)越突出。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)方面做了大量研究。李剛以上研究對(duì)軟巖巷道控制技術(shù)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用，但上述研究主要圍繞軟巖巷道條件，通過(guò)提出不同支護(hù)方案、提高支護(hù)強(qiáng)度加以維護(hù)和解決，針對(duì)軟巖巷道的失穩(wěn)破壞機(jī)制開(kāi)展深入研究較少，對(duì)膠結(jié)性極差，松散易垮落頂板條件的巷道失穩(wěn)破壞相關(guān)的報(bào)道更為少見(jiàn)。高膨脹松軟圍巖巷道賦存條件相對(duì)復(fù)雜、巷道斷面多樣，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)提出了更高要求，為此，以某煤礦6-1C西二片工作面高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道為研究對(duì)象，在工程類(lèi)比的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，確定了高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道錨桿支護(hù)方案，研究結(jié)果可為同類(lèi)賦存煤層回采巷道錨桿支護(hù)提供工程借鑒。1巷道圍巖特點(diǎn)某礦6-1C西二片試驗(yàn)工作面開(kāi)采六煤組6-lC煤層，該煤層南厚北薄，最大厚度1.9m，最小厚度1.5m，平均厚度1.7m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸存在，煤層層理不發(fā)育，傾角12°～20°，平均15°。6-1C煤層頂?shù)装寰鶠楦吲蛎浰绍泿r層，其中頂板為粉砂巖、細(xì)砂巖或泥巖，膠結(jié)性極差，松散易垮落，單軸抗壓強(qiáng)度多在5MPa以下，底板為粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為12.47～27.55MPa，且頂?shù)装鍘r層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達(dá)到20.11%～34.91%，巷道圍巖具有很大的膨脹性，吸水性大、易軟化、強(qiáng)度和穩(wěn)定性差。與6-1C西二片試驗(yàn)工作面相鄰的6-1C西一片工作面在開(kāi)采過(guò)程中，回采巷道多次出現(xiàn)頂板變形量大、錨桿脫落失效等情況，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)，因此，亟需對(duì)高膨脹松軟圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。6-1C西二片工作面位置如圖1，工作面回風(fēng)巷采用內(nèi)錯(cuò)布置，與6-1C西一片工作面間留設(shè)20m區(qū)段煤柱，回風(fēng)巷埋深平均360m，斷面呈斜梯形斷面，寬3.6m，中高2.7m，掘進(jìn)斷面積為9.72m2巖石破壞和影響的特點(diǎn)及影響因素2.1圍巖破壞特征為給出6-1C西二片斜梯形回風(fēng)巷合理支護(hù)方案，采用類(lèi)比分析法對(duì)6-1C西一片工作面回采巷圍巖破壞特征及原因進(jìn)行分析。西一片工作面回風(fēng)巷開(kāi)掘后，頂板破碎嚴(yán)重，頂板下沉破碎形成較多網(wǎng)兜，但兩幫變形量不明顯。在受采動(dòng)影響時(shí)，頂板膨脹變形進(jìn)一步加劇，造成部分工字鋼梁斷裂、錨桿托盤(pán)拉進(jìn)頂板及錨桿-錨索尾端破斷等現(xiàn)象。2.2巷道圍巖強(qiáng)度1）易膨脹軟巖頂板。巷道頂板巖層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達(dá)到20.11%～34.91%，強(qiáng)度較低，遇水易膨脹軟化，巷道圍巖強(qiáng)度弱化是頂板破壞失穩(wěn)的主要內(nèi)因。2）高集中應(yīng)力。受工作面采動(dòng)影響時(shí)，其前方回風(fēng)巷應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.5，在高集中應(yīng)力作用下，巷道頂板軟化、破碎，易造成圍巖失穩(wěn)。3）支護(hù)強(qiáng)度不足。從頂板離層及部分地段錨桿或錨索不同破斷情況可知，原支護(hù)方案錨桿-錨索支護(hù)不耦合且支護(hù)強(qiáng)度較低，造成錨桿-錨索破斷，不能使錨固圍巖形成有效承載結(jié)構(gòu)體，錨桿-錨索主動(dòng)支護(hù)能力不能有效發(fā)揮。支護(hù)強(qiáng)度不足和高集中應(yīng)力是巷道破壞失穩(wěn)的外因。3線路維護(hù)優(yōu)化參數(shù)的數(shù)值模擬3.1留設(shè)煤柱錨桿-錨索支護(hù)方案1）方案(1)：優(yōu)化巷道位置。為降低上覆及本煤層鄰近工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)其回風(fēng)巷道的影響，已通過(guò)前期研究確定了回風(fēng)巷道位置，即與上覆及鄰近工作面回采巷道內(nèi)錯(cuò)布置，與6-1C西一片工作面間留設(shè)20m區(qū)段煤柱，如圖1。2）方案(2)：優(yōu)化巷道斷面。為使錨桿-錨索垂直作用于頂板軟巖，充分發(fā)揮其支護(hù)能力，降低煤巖界面離層，巷道斷面設(shè)計(jì)為斜梯形，沿煤層頂板傾斜掘進(jìn)。3）方案(3)：提高頂板支護(hù)強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)鄰近工作面回采巷道變形特征分析，對(duì)于西二片工作面回風(fēng)巷，可通過(guò)改變錨桿支護(hù)間排距、錨固長(zhǎng)度等方式提高頂板支護(hù)強(qiáng)度以保證支護(hù)效果。方案(1)和方案(2)已在實(shí)際工作中實(shí)施，主要針對(duì)方案(3)，對(duì)錨桿支護(hù)的間排距、錨索數(shù)量、錨桿預(yù)緊力等進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以期得到優(yōu)化的巷道支護(hù)參數(shù)，為6-1C西二片工作面及后續(xù)工作面的巷道穩(wěn)定性維護(hù)提供依據(jù)。3.2模型的構(gòu)建根據(jù)西二片工作面地質(zhì)資料及煤巖物理力學(xué)參數(shù)，利用FLAC以巷道實(shí)際斜梯形斷面為基準(zhǔn)，并借助FLAC3.3模擬結(jié)果分析3.3.1頂板錨桿間距根據(jù)回風(fēng)巷斷面尺寸，分別模擬分析錨桿間距1500mm(3根錨桿）、1200mm(3根錨桿）、1000mm(4根錨桿）和800mm(5根錨桿）時(shí)巷道圍巖破壞，不同錨桿間距時(shí)巷道圍巖變形破壞情況如圖4。隨著頂板錨桿數(shù)量的增加，巷道頂板的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步減小，巷道圍巖的位移量也進(jìn)一步減小，但減小的幅度越來(lái)越小。當(dāng)頂板錨桿數(shù)增加到一定的程度，對(duì)頂板下沉量的影響已相差不大。這說(shuō)明對(duì)一定的巷道圍巖條件，存在1個(gè)合理的錨桿間排距，不但能保證錨桿支護(hù)效果，而且能降低支護(hù)成本。對(duì)比不同間距下頂板的破壞情況可知，當(dāng)頂錨桿間距減小時(shí)，頂板破壞范圍在一定程度上減少，當(dāng)間距為800mm時(shí)，頂板破壞狀態(tài)得到顯著改善。不同間距條件下巷道圍巖變形情況如圖5。隨著巷道頂錨桿數(shù)量的增加，巷道圍巖變形量顯著降低，尤以頂板位移量增幅明顯?？梢?jiàn)當(dāng)頂板錨桿數(shù)增加到5根時(shí)，頂板下沉量的降幅已不明顯，頂板錨桿合理間距為800mm，即采用5根頂錨桿進(jìn)行支護(hù)可起到較理想的支護(hù)效果。3.3.2不同排距下圍巖的位移分別模擬分析了錨桿排距為1500、1300、1100、900mm時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同排距下圍巖的位移統(tǒng)計(jì)如圖6。由圖6可知，隨著錨桿布置排距的減小，巷道圍巖的位移量也呈逐漸減小的趨勢(shì)。錨桿排距從1300mm到900mm時(shí)兩幫和頂板位移量都有較大幅度降低，而錨桿排距小于900mm，巷道圍巖位移量的降幅變小，因此巷道頂板合理錨桿排距為900mm。3.3.3頂板錨索對(duì)巷道變形的控制效果分別模擬分析了頂板錨索數(shù)量為0根、1根、2根、3根時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨索數(shù)量時(shí)圍巖的位移如圖7。隨著頂板錨索數(shù)量的增加，回風(fēng)巷兩幫移近量及頂板下沉量明顯減小，但減小的幅度逐漸變小，頂板錨索對(duì)于巷道頂板變形的控制效果較為顯著，說(shuō)明了頂板錨索對(duì)于頂板安全的重要性。但隨著頂板錨索的增多，巷道頂板巖體的破壞范圍縮小，破壞狀況明顯得到改善。由以上對(duì)巷道變形的分析并考慮到支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，確定巷道頂板同排布置2根錨索。3.3.4錨桿預(yù)緊力時(shí)圍巖位移情況預(yù)緊力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)支護(hù)效果起著決定性作用。分別模擬分析了錨桿預(yù)緊力為20、40、60、80kN時(shí)巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨桿預(yù)緊力時(shí)圍巖的位移統(tǒng)計(jì)如圖8。由圖8可知，隨著錨桿施加的預(yù)緊力不斷增加，錨桿對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)控制作用逐漸加強(qiáng)，巷道圍巖變形量隨之減小。建議錨桿預(yù)緊力不小于60kN，對(duì)應(yīng)預(yù)緊扭矩應(yīng)不小于400N·m。由上述巷道錨桿支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬可確定西二片回風(fēng)巷頂板錨桿間排距為800mm×900mm，錨索間排距1600mm×1800mm，錨桿預(yù)緊力為60kN，巷道頂板同排布置2根錨索，為巷道支護(hù)方案確定提供依據(jù)。4道路防護(hù)效果分析4.1錨索支護(hù)對(duì)圍巖的完整性將優(yōu)化后的巷道支護(hù)參數(shù)在6-1C西二片試驗(yàn)工作面回采巷道進(jìn)行了應(yīng)用，采用鉆孔窺視法對(duì)巷道支護(hù)效果進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)西二片試驗(yàn)工作面回采前其頂板鉆孔窺視情況，頂板上方0.6m范圍內(nèi)煤巖較為破碎，并未有明顯離層現(xiàn)象及大的裂隙存在，有效的控制住了淺部錨固區(qū)圍巖的離層、滑動(dòng)、裂隙張開(kāi)、新裂紋產(chǎn)生等擴(kuò)容變形與破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，保持了錨固區(qū)圍巖的完整性。同時(shí)錨索將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高預(yù)應(yīng)力的承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)與錨桿形成的壓力區(qū)組合成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保持了圍巖的完整性，錨索錨固及支護(hù)范圍內(nèi)，淺部及深部范圍內(nèi)頂板均較完整。工作面回采時(shí)采動(dòng)影響下，頂板錨桿錨固區(qū)內(nèi)存在小的裂隙，同時(shí)局部巷道上方1.5m的位置處出現(xiàn)了破碎區(qū)，但是由上圖可以明顯的看出，錨桿錨固區(qū)形成的承載結(jié)構(gòu)有效的阻止了錨固區(qū)外巖層的離層，保證了頂板的完整性；錨索錨固區(qū)內(nèi)頂板較為完整，未發(fā)現(xiàn)裂隙及離層的存在，同時(shí)其錨索范圍內(nèi)頂板完整性較好?？傮w來(lái)講，錨桿、錨索錨固范圍內(nèi)巷道上方頂板在采動(dòng)應(yīng)力影響下未發(fā)生大的離層現(xiàn)象，取得了較好的支護(hù)效果。4.2頂?shù)装遄冃瘟吭黾庸ぷ髅媲胺?0m范圍內(nèi)巷道變形量如圖9。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，回采期間，采空區(qū)側(cè)超前工作面50m巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M(jìn)量逐漸增加，同時(shí)在工作面來(lái)壓期間（如第1個(gè)折點(diǎn)處）巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭黾臃茸兇螅凉ぷ髅媲胺?6m左右巷道頂?shù)装遄冃瘟考眲≡黾?。?duì)比以前回采工作面巷道的變形而言，該支護(hù)條件下頂板及煤幫的變形得到了較好的維護(hù)，為安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。5確定錨固錨桿錨索組合支護(hù)方案1）對(duì)于高膨脹軟巖巷道，易膨脹軟巖頂板強(qiáng)度低，遇水易膨脹軟化，這是頂板破壞失穩(wěn)的內(nèi)因，圍巖高集中應(yīng)力及支護(hù)強(qiáng)度不足是外因；可通過(guò)優(yōu)化巷道布置方式、加強(qiáng)支護(hù)提高巷道穩(wěn)定性。2）確