綜采工作面瓦斯尾巷圍巖穩(wěn)定性分析及軟巖巷道支護設(shè)計

綜采工作面瓦斯尾巷圍巖穩(wěn)定性分析及軟巖巷道支護設(shè)計

官地煤礦北回采區(qū)位于官地井田西部的邊界。兩個大擾動分別發(fā)生在130米和80米之間。地應(yīng)力明顯，巖性變化較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，伴有許多擾動。煤層節(jié)理發(fā)育和道路維護是該地區(qū)面臨的重要課題。30407工作面位于北四采區(qū)右翼2#煤層第二階段,走向長度1200m,工作面長度200m,煤層厚度3.0～4.2m,頂板為泥巖或泥沙巖。工作面設(shè)有三條巷道,軌道巷、副巷及回風(fēng)尾巷。1煤柱支護穩(wěn)定性分析綜采工作面回風(fēng)尾巷是用于排放瓦斯的巷道,它的穩(wěn)定性受地應(yīng)力大小、煤柱尺寸大小、支護方式及采動影響程度等制約。另外它不僅受本工作面初次采動影響,還受到下工作面二次采動影響。1.1官地礦北四采區(qū)民法應(yīng)力的現(xiàn)存狀況回采巷道開挖后引起應(yīng)力重新分布。垂直應(yīng)力主要顯現(xiàn)于兩幫,導(dǎo)致兩幫煤體破壞;水平應(yīng)力主要顯現(xiàn)于頂?shù)装鍘r層,引起頂板離層或底板鼓起。實測結(jié)果表明,官地礦北四采區(qū)32407工作面水平應(yīng)力存在,并且最大水平應(yīng)力δmax和最小水平應(yīng)力δmin二者在方向上是正交關(guān)系。δmax為δmin的1.75～2.5倍,水平應(yīng)力的顯現(xiàn)具有明顯的方向性。開采時,超前支承壓力及側(cè)向支承壓力的峰值均比原巖垂直應(yīng)力高2～5倍,水平應(yīng)力增大的機理是:當垂直應(yīng)力增大后,巖層由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生側(cè)向變形造成水平應(yīng)力增大,同時巖層之間沿內(nèi)摩擦力較低的層面出現(xiàn)相對滑動而形成附加水平應(yīng)力作用于頂?shù)装鍘r層(圖1)。1.2回風(fēng)尾巷圍巖變形破壞特征(1)巷道圍巖膨脹壓力下覆巖主方面變形頂板巖層在水平應(yīng)力作用下會出現(xiàn)剪切破壞,破壞區(qū)的巖層因剪切擴容而發(fā)生側(cè)向膨脹,巖層松動,使巷道承受水平應(yīng)力的能力下降,水平應(yīng)力隨之進一步上移,并在上部形成新的破壞區(qū),如果不進行支護,在自重及新破壞區(qū)膨脹壓力的共同作用下發(fā)生冒落,如圖2。(2)煤體內(nèi)部破壞力學(xué)分析巷道兩幫煤體在垂直應(yīng)力的作用下出現(xiàn)煤體內(nèi)部的剪切破壞和沿煤層與頂?shù)装鍘r石界面中(煤層界面)的變形破壞。煤體內(nèi)部的變形在一定的巖壓力作用下,煤體的破壞多數(shù)為剪切破壞,如圖3。其破壞條件符合莫爾一庫侖條件:T>C+δtg∮式中,T—剪切面上的剪切力;C—煤體的內(nèi)聚力;∮—煤體的內(nèi)磨擦力;δ—剪切面上的正應(yīng)力。(3)巷道底板壓力出現(xiàn)塑性區(qū)工作面開采煤柱上應(yīng)力引起集中,垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力明顯增大,當集中應(yīng)力由煤柱傳遞到巷道底板時,作用在底板上的支承壓力達到或超過其臨界值,底板巖層會出現(xiàn)塑性變形,形成塑性區(qū)。2錨桿和錨索保護機制的分析2.1由錨桿產(chǎn)生的約束錨桿的作用是控制水平載荷作用下的剪切破壞,錨桿使水平應(yīng)力方向上增加約束,頂板由于錨桿軸向約束,使其承受水平應(yīng)力的能力增大,同時,錨桿的經(jīng)向約束作用使剪切破壞受到抑制。2.2保證頂板上的承載層高錨索將錨桿固定范圍內(nèi)的巖層加固并施加一定預(yù)應(yīng)力,并把支護應(yīng)力傳遞到頂板深度穩(wěn)定巖層內(nèi),使得松散巖層和弱面在彈性壓縮下形成承載層,增大了承載層高度。它把下拉錨固承載層固定在深高部穩(wěn)定巖層中懸吊,有效地控制了巖層變形,提高了巷道圍巖強度和整體性。2.3錨桿和錨索保護的效果分析(1)錨索對錨桿的影響完整的頂板用錨桿支護后,巷道頂板下位巖層未出現(xiàn)松動離層,打上錨索并施加預(yù)應(yīng)力,頂板下拉巖層沒有向上位移,錨索對錨桿受力影響不大。(2)施加預(yù)應(yīng)力后頂板下拉覆巖位移頂板破碎,即使打上錨桿,頂板下拉巖層仍有一定的離層膨脹,這時安裝錨索并施加預(yù)應(yīng)力后,頂板下拉巖層將向上位移,錨桿保持對頂板有支承作用,位移較大,超過錨桿彈性變形,錨桿支護力降低,頂板下拉巖層載荷轉(zhuǎn)移到錨索上。如果錨索間距設(shè)計不合理,雖然錨索有懸吊作用,但頂板下拉巖層仍有較大的下沉量。(3)錨桿支護對錨固體的強化作用加大錨索預(yù)緊力,達到其屈服載荷的50%～60%,對錨桿的影響較小,錨桿已把頂板下拉巖層錨固成整體結(jié)構(gòu),錨索預(yù)應(yīng)力有效地增加了錨固體的壓應(yīng)力,提高了其承載力,如圖4。(a)軸向約束;(b)徑向約束。3表1中左螺線鋼硬化學(xué)性能分析3.1高、桿長等選取其粘結(jié)力與桿體的攪拌特性、螺紋的螺距、牙高、桿長等密切相關(guān)。左旋螺紋桿體,右旋推進有利充填螺距高度,使藥劑由孔心向孔壁橫向流動,充滿空間,達到最大粘結(jié)強度。3.2螺紋的制作螺紋鋼錨桿的桿體是具有一定牙高和螺距的外螺紋,當樹脂劑填滿鉆孔時,桿體螺紋與樹脂粘合在一起,所以螺紋鋼錨桿的承受外載荷時,要克服螺紋與藥劑間剪切作用力。4錨固結(jié)構(gòu)的確定采用動態(tài)信息設(shè)計法進行設(shè)計,確定巷道的支護方式及錨桿、錨索支護參數(shù)。根據(jù)試驗巷道頂板巖層條件,確定采用高強度加長樹脂錨固的螺紋鋼錨桿及小孔徑預(yù)應(yīng)力樹脂錨索方式,高強度錨桿以加固作用為主,使其錨固范圍內(nèi)的頂板上拉巖層形成錨固承載結(jié)構(gòu);錨索以懸吊作用為主,把潛在冒落范圍內(nèi)的頂板下拉巖層懸吊在上部比較穩(wěn)定的頂板巖層上,如圖5。5監(jiān)測和分析效果5.1巷道表面位移特征一條巷道從開始掘進到回采結(jié)束巷道報廢,巷道表面位移量有明顯的階段性,官地礦2#煤軟巖回采巷道在采取了錨桿錨索支護后,表面位移的主要特點為:在掘進階段,巷道掘出14d內(nèi)變化較大,頂?shù)装逡平?7mm,兩幫位移量位30mm;在初采動階段,測得頂?shù)装逦灰屏繛?18mm,兩幫位移量為135mm,總體來說,采動后頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏坎淮?巷道狀況良好,表明支護效果較好。5.2錨固區(qū)內(nèi)離層值巷道頂板離層觀測表明:頂板5m范圍內(nèi)總離層值為28mm,錨固區(qū)內(nèi)的離層值為22mm;頂板3m范圍內(nèi)總離層為24mm;頂板1m范圍內(nèi)的離層值為14mm。離層主要發(fā)生在圍巖淺部,說明錨桿錨索支護有效地控制了頂板移動。6頂板錨桿支護作用通過理論分析、井下試驗及礦壓監(jiān)測等綜合方法,對松軟頂板回風(fēng)尾巷錨桿錨索支護進行了研究,其主要結(jié)論如下:(1)回風(fēng)尾巷頂板巖層主要受水平應(yīng)力的作用,兩幫煤體主要受垂直應(yīng)力的作用,頂板巖層在水平載荷下出現(xiàn)剪切破壞,兩幫煤體在垂直載荷下出現(xiàn)煤體破壞及沿層界面滑移松動。(2