特厚煤層巷道泥巖頂板易發(fā)生冒頂機理研究

特厚煤層巷道泥巖頂板易發(fā)生冒頂機理研究

在道路開挖過程中，由于地下水和巖體的相互作用，圍巖承載能力的突變、圍巖變形的急劇增加，隧道頂板的風險增加，這主要是由水對道路圍巖的侵蝕和破壞以及保護結(jié)構(gòu)的破壞引起的。這些問題嚴重影響了礦山的安全，大多數(shù)煤層屋頂存在不同程度的洪水問題。國內(nèi)外科學家從物理、化學和力學的角度研究了復雜水-巖界面的影響，并從宏觀和微觀角度研究了巖石對巖石的影響。一些科學家認為，復雜水-巖化學作用對巖體的力學影響比簡單物理的影響更大。考慮到時間效應的影響，有時比機械因素的損傷更嚴重。尤其是當?shù)缆讽敳康膰鷰r是親水粘土時，一旦發(fā)生水，就很容易使頂板軟化、崩潰并發(fā)生頂板事故。針對神華寧煤梅花井礦112201工作面機巷頂板遇水后易于失穩(wěn)而發(fā)生垮冒事故的工程特性,選取在該地區(qū)具有代表性的巖樣,從微觀上對泥巖的物理力學性質(zhì)進行了分析和測試,并結(jié)合現(xiàn)場工程實際情況,提出了具有針對性的控制思路與對策.現(xiàn)場實踐表明,巷道支護效果得到了顯著改善.1項目總結(jié)1.1層序地層格架112201運輸平巷冒頂段煤層沿2-1煤掘進,2-1煤厚為1.2~1.5m,巷道頂板多為泥巖,泥質(zhì)膠結(jié),結(jié)構(gòu)疏松,易風化,節(jié)理發(fā)育,抗水浸能力差,易軟化,強度低,屬易冒落的松散頂板.基本頂為侏羅系中統(tǒng)直羅組底部砂巖,巖性以粗砂巖為主,中砂巖次之.該層砂巖厚17.59~82.50m,平均42.94m,為影響112101工作面的主要含水層.底板主要為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,泥質(zhì)膠結(jié),遇水易泥化.1.2頂板冒落位置.112201工作面運輸平巷冒頂位置距運輸巷開口處約140m處,該段巷道位于2-1煤中,其位置如圖1所示.112201工作面運輸巷在2-1煤段頂板下沉嚴重,為防止頂板冒落在該段巷道內(nèi)已打上單體支柱,安裝單體支柱的巷道段的長度約為100m.但單體支柱支護強度和剛度不夠,安上單體支柱后不能有效的控制頂板的下沉,決定將單體柱子換成∏型鋼梁,到冒頂發(fā)生時已換上30多架鋼梁棚子.冒頂事故發(fā)生在即將換∏型鋼梁棚子段,冒落頂板推倒了幾架鋼梁棚子.沿巷道軸向頂板冒落的剖面見圖2.頂板冒落的長度約7.0m,冒高約3.2m.冒頂處巷道頂板支護參數(shù)為20mm×2200mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距700mm×900mm,沒有錨索.冒頂后頂板錨桿全部隨冒落的巖石落下,但頂板肩部錨桿(即與巖面垂直方向成15°角)沒有落下,冒落后的頂板巖面平整,錨桿沒有發(fā)現(xiàn)破斷現(xiàn)象.2道路頂板機分析2.1x射線衍射分析X射線衍射儀測試礦物組成成分的基本原理是根據(jù)X射線能透入結(jié)晶物質(zhì),并能在礦物晶面上發(fā)生衍射,再按Bragg公式計算其晶面間距及估計各線條強度,用以鑒定礦物組成成分,具有較高的準確度,已被廣泛應用.本實驗采用的是中國礦業(yè)大學分析測試中心日本理學(Rigaku)公司生產(chǎn)的D/Max-3B型X射線衍射儀,泥巖組分分析X射線衍射圖譜見圖3.由圖3可以看出,在泥巖中黏土礦物占礦物總體成分的75%,石英占12.6%,長石占9.1%,菱鐵礦占1.3%,方解石占0.4%,白云石占0.2%,余量為其他成分.黏土礦物中主要為高嶺石(40.1%),其次為蒙脫石(16.7%),伊利石(7.1%),綠泥石(5.8%)和伊蒙混層(5.3%).高嶺石干燥時有吸水性(黏舌),遇潮后有可塑性,而蒙脫石吸水后體積急劇膨脹并成糊狀,水化后體積膨脹可超過50%.實驗結(jié)果表明:該泥巖黏土礦物成分較高,且含有較高的蒙脫石及伊蒙混層,親水性強,吸水后具有一定的膨脹性.2.2頂泥巖的親水性為了掌握直接頂泥巖在水中浸泡崩解隨時間變化規(guī)律,開展了泥巖浸水崩解試驗,見圖4.結(jié)果表明,該直接頂泥巖遇水后呈現(xiàn)出崩解快速、強度弱化明顯,強吸水性等特點,反應了該泥巖孔隙率較高,親水性強等特點.在經(jīng)水浸泡8min后即開始崩解,浸水8h后巖塊呈松散塊狀,強度已很小,用手可碎,具滑感,顆粒較細.2.3煤系沉積巖巷道圍巖結(jié)構(gòu)及圍巖強度巖石是一種多礦物體,不同巖石所含礦物成分也不相同,因而也決定了其遇水后呈現(xiàn)出的力學性質(zhì)變化上的差異.一般而言,巖石遇水后強度降低,這種現(xiàn)象被稱為水對巖石的軟化作用,沉積巖巖石浸水后強度降低可見表1.煤是沉積成因而成的天然礦物,其直接頂?shù)装宥酁槟鄮r、頁巖等沉積巖,由表1可知,沉積巖的軟化系數(shù)一般大于0.5,強度弱化現(xiàn)象明顯,這也是煤層巷道頂板遇水時圍巖穩(wěn)定難以控制的關(guān)鍵因素之一.康紅普通過對山東兗州礦區(qū)泥巖浸水后的全應力應變實驗后發(fā)現(xiàn),當巖石含水率增加時,其抗壓強度及彈性模量顯著減少,巖石單軸抗壓強度和彈性模量與含水率基本呈線性關(guān)系,見圖5.由圖5可知,當含水率由3%增加到6%時,泥巖強度及彈性模量衰減約80%,強度及彈模隨含水率的增加大幅度下降.由于圍巖二次應力的調(diào)整引起的巖體的變形及破壞,致使巖體含水率增加.對于該類泥巖巷道,如不及時對圍巖加固或支護強度不夠,巷道圍巖頂板易于失穩(wěn).2.4巷道圍巖變形量測試巷道圍巖遇水前后力學性質(zhì)發(fā)生較大變化,易于引起工程巖體的變形失穩(wěn),誘發(fā)工程事故的發(fā)生,而圍巖變形量是一個反映圍巖穩(wěn)定的綜合指標.借助FLAC2D4.0數(shù)值模擬軟件,利用其具有應力-滲流耦合系統(tǒng),研究了巷道頂板在有水和無水影響下巷道的變形情況.2.4.1巷道圍巖模型幾何模型尺寸為50m×50m,劃分40000個網(wǎng)格.約束條件為左右邊界約束水平方向位移,底部約束垂直方向位移,頂部施加6.0MPa的面力代替上覆巖層的重力,采用摩爾-庫侖模型.模擬計算中巷道圍巖物理力學參數(shù)見表2.2.4.2預處理頂板強度在受水影響和無水影響下巷道圍巖塑性區(qū)、垂直位移見圖6.未遇水時,巷道頂板、底板和肩角深部的塑性區(qū)范圍、位移量小于遇水時的塑性區(qū)范圍.這與巷道開挖引起圍巖裂隙的不斷擴展,地下水的浸入加劇了頂板的軟化,使得頂板圍巖強度降低密切相關(guān);同時,對于采用錨桿支護的巷道來說,頂板圍巖在水的作用下,巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展發(fā)育,弱化了錨桿的著力基礎(chǔ),錨桿錨固效果下降,又促使塑性區(qū)發(fā)展和位移量的增大.在受水影響和無水影響下巷道圍巖位移量見圖7.巷道圍巖在未受水影響時,頂?shù)装?、兩幫位移量分別為185mm和85mm,受水影響后增大到210mm和113mm,增加了13.5%和32.9%.巷道圍巖總體變形趨勢為頂?shù)装遄冃未笥趦蓭妥冃?其中頂板變形大于底鼓,左幫(斜矩形高幫)變形量大于右?guī)?低幫),而且在受到水的影響后頂板下沉量、底鼓量、左幫及右?guī)妥冃瘟烤胁煌潭鹊脑黾?2.5次應力擾動和巖體力學性質(zhì)下降,頂板支護受精于巖運用現(xiàn)場實測、實驗室試驗、理論分析和數(shù)值模擬綜合研究手段,研究分析認為引起112201工作面機巷發(fā)生冒頂事故的機理在于:1)巷道直接頂泥巖具有較強吸水性和膨脹性,易于崩解.冒頂區(qū)頂板泥巖礦物成分定量分析結(jié)果表明其黏土礦物成分含量高達75.0%,且蒙脫石及伊蒙混層含量占22.0%,具有較強的吸水性和膨脹性.泥巖浸水8min后即發(fā)生崩解,至8h后崩解成十分松散的塊狀.2)二次應力擾動和巖體力學性質(zhì)的軟化.二次應力的擾動引起巷道頂板圍巖裂隙的發(fā)展發(fā)育引起其含水率的增加,隨著含水率的增加,泥巖強度和彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢,進一步弱化了頂板圍巖強度.3)錨固結(jié)構(gòu)損傷.地下水還對樹脂藥卷具有弱化作用,降低錨桿的錨固力,腐蝕錨桿桿體,使錨桿既失去了穩(wěn)定的“承載基礎(chǔ)”,又弱化了預應力傳遞介質(zhì)“巖體”,從而降低了錨桿的預應力作用,錨桿支護效果降低.4)時間效應的影響.流變是軟巖的特性之一,水-巖之間復雜的物理、化學作用會使巖體的力學效應發(fā)生改變,而時間因素的影響會使巖體內(nèi)部的損傷更為嚴重.5)圍巖控制參數(shù)不合理.錨桿支護剛度和強度不夠,現(xiàn)場檢測表明,頂板錨桿預緊扭矩一般小于150N·m,頂板預緊力偏小,且沒有使用錨索,致使頂板巖層產(chǎn)生過大的應力擴容變形.同時,針對頂板裂隙水浸蝕頂板,也沒有采取有效的保水、控水措施,導致頂板長期受頂板水的浸蝕作用,不斷加劇對巷道頂板的弱化作用.3支出和救濟措施及影響分析3.1巷道圍巖支護對策頂板遇水時,巷道圍巖情況將變得異常復雜,通常的控制措施達不到支護要求.因此,實現(xiàn)頂板遇水時巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵在于對水的有效控制和合理的圍巖控制參數(shù).一方面通過合理支護降低頂板裂隙發(fā)育,阻斷水的滲透通道;另一方面在頂板巖層遇水時,采用有效手段降低其含水量,以減少水對支護產(chǎn)生的負面影響,實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定.針對112201工作面機巷頂板巖層抗水浸、抗風化能力差、遇水后會易膨脹、易崩解及失水后易風化等特點,為了對該類巷道圍巖進行有效的控制,提出高預應力錨桿錨索網(wǎng)帶支護與對頂板巖層的有控疏水、合理保水等相結(jié)合的綜合圍巖控制支護對策:1)有控疏水.現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)基本頂富含水巖層裂隙較為發(fā)育且巷道頂板出水位置一般為巖層中弱結(jié)構(gòu)面的特點,這為人為有控疏水提供了可能.沿巷道走向布置泄水孔,泄水孔參數(shù)可以根據(jù)煤層頂板巖層的變化規(guī)律進行確定,一般鉆孔直徑在75.0mm為宜,鉆孔深度以基本頂含水巖層中出現(xiàn)較大弱面為準.2)合理保水.合理保水包括全長或加長錨固技術(shù)、圍巖噴漿技術(shù)和注漿堵水技術(shù).錨桿、錨索的鉆孔成為含水層與泥巖之間的水流通道,采用加長錨固或全長錨固技術(shù)在一定程度上封堵鉆孔,有效減少頂板淋水、滴水,減少水對圍巖的損傷程度,同時,提高了錨桿錨索支護強度;選擇合理時機封閉圍巖,可防止巷道圍巖在空氣中潮解、風化和巷道圍巖內(nèi)部水的流失,改善施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境,噴漿厚度以30.0~50.0mm為宜;通過巖層內(nèi)部注漿封堵頂板巖層中的裂隙,減少含水層水的流失,提高錨固圍巖體的承載能力.3)高性能錨桿支護和礦壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù).高支護系統(tǒng)剛度和強度可以有效控制圍巖裂隙發(fā)展發(fā)育,特別對松散軟弱巖體的控制效果更加明顯,從而人為控制圍巖體的含水率.同時,需要配合礦壓動態(tài)監(jiān)測技術(shù),從巷道掘進開始,對巷道圍巖變形和內(nèi)部裂隙發(fā)展發(fā)育規(guī)律、頂板水流動特點以及錨桿、錨索受力狀況等進行日常觀測,并及時進行總結(jié)和反饋現(xiàn)場觀測信息,為完善圍巖控制參數(shù)提供依據(jù).3.2錨桿錨索支護力學分析巷道發(fā)生冒頂后,及時調(diào)整了巷道支護技術(shù)參數(shù),采用了有控疏水、合理保水與高性能錨桿、錨索支護相結(jié)合的綜合控制技術(shù)手段,有效控制了巷道圍巖變形,掘進期間對巷道頂板深部位移和錨桿托錨力進行了連續(xù)觀測,如圖8所示.其中,錨桿為20mm×2500mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距800mm×800mm,錨索為17.8mm×6300mm鋼絞線.錨桿1初始托錨力為60kN,錨桿2初始托錨力為30kN,錨桿3初始托錨力40kN,錨索托錨力為242kN,錨索緊跟迎頭安裝.圖8a中,應變?yōu)檎膮^(qū)域稱為拉張域,應變?yōu)樨摰膮^(qū)域稱為壓縮域,可以看出,巷道頂板圍巖中沒有出現(xiàn)較大的拉張域,而在頂板4.0~5.0m區(qū)域出現(xiàn)了壓縮域,說明頂板淺部圍巖錨固體為整體變形,而在錨固體與錨索之間的圍巖在錨索強支護阻力作用下處于壓縮狀態(tài),充分發(fā)揮了錨桿錨索協(xié)調(diào)支護作用.圖8b可知,在錨桿安裝后的前8d,錨桿托錨力變化較快,最大增阻達65kN,呈現(xiàn)出高增阻、快速承載的特性.錨桿1在8d以后,托錨力下降,由于該處錨索孔一直滲水,水巖相互作用使得淺部圍巖軟化、破碎,從金屬網(wǎng)處開始表層巖石掉塊、脫落,滲透到錨桿附近,是錨桿的托錨力逐漸減小的原因.而鉆孔沒有滲水的錨桿2和錨桿3受力隨著頂板圍巖的下沉不斷增加,充分發(fā)揮了錨桿的加固作用.錨索與錨桿實現(xiàn)了同步承載,在該類巷道中需充分發(fā)揮錨索的加固作用,實現(xiàn)錨桿錨索的協(xié)調(diào)支護,錨索20d后受力減小,與錨索托板后圍巖松動破壞有直接關(guān)系.同時,從錨桿錨索受力變化曲線可以看出,錨索變化量小于錨桿2和錨桿3的變化量,說明巷道頂板支護中起主導作用和主要承載結(jié)構(gòu)是有錨桿組成的錨巖支護體,而錨索起到了補強支護的作用.4頂板控制方案設計1