深部高水平應力巷道協調控制技術研究

馬 力,殷帥峰,劉志高

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

0 引言

隨著我國煤炭開采強度逐漸增加,煤炭資源開發逐漸轉向具有復雜力學環境和應力狀態的深部[1]。深部巖巷具有明顯的高地應力特征,且應力環境復雜,同時還會受到巷道掘進以及回采期間強擾動作用[2],巖巷掘進速度和效率會對后續工序接替造成直接影響[3-6]。在開采引起的強擾動以及復雜應力環境疊加作用下,深部巖巷容易發生大變形甚至引起巷道災害事故,因此研究深部開采圍巖穩定性控制技術具有重要的意義。國內外專家學者在研究巷道圍巖穩定性方面開展了大量研究,文獻[7]認為深部巖巷掘進較慢的原因是地質環境復雜和高應力共同作用,采用爆破技術能有效推進巖巷掘進速度。文獻[8]采用數值模擬和室內實驗方法分析了深部巷道圍巖的損傷特性,文獻[9-15]分析了淮南礦區以及南方其他深部巷道圍巖特征,提出了錨桿“三高”支護原則和錨桿索聯合支護以及運用改善應力、增強巖性以及應力轉移等方法控制深部巷道圍巖穩定。

許多學者對深部巷道的掘進及支護技術有了較為深入的研究,但對深部高水平應力作用下巷道協調調控機制研究較少。本文以朱集西煤礦西翼11煤軌道大巷為研究對象,采用理論分析,實驗室實驗以及數值模擬等方法深入分析深部高水平應力作用下大巷圍巖穩定性,提出深部巷道圍巖穩定性協調控制技術,為深部礦井巖巷圍巖控制提供理論和技術支撐。

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煤層巷道群包括運輸大巷、回風大巷、軌道大巷和煤矸石運輸大巷組成,長期服務于朱集西煤礦主要生產采區各工作面。本文研究對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。巷道掘進過程中主要揭露巖層為泥巖、細砂巖和粉砂巖。直接頂板巖性為砂質泥巖、泥巖,局部為粉砂巖,厚度0～6.2m,平均厚度2.8m,屬于不穩定頂板;老頂巖為中細砂巖,厚度為1.4～7.8m,平均厚度1.9m。老頂細砂巖抗壓強度13.23～20.41MPa,平均為16.78MPa,抗拉強度0.67～0.94MPa,平均為0.81MPa,抗剪強度1.01～1.32MPa,平均為1.16MPa。巷道兩幫和煤層底板為砂質泥巖、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 深部高水平應力巖巷變形破壞影響因素分析

高水平應力巷道指的是:深部開采中,水平應力較高的一類巷道。為了揭示深部巷道的變形破壞機理和圍巖變形破壞的影響因素,通過對朱集西煤礦深部巖巷工程地質條件、巷道圍巖結構、物化成分、地質力學等的綜合分析,結合原先不同支護工況的變形破壞分析結果,確定影響深部巖巷穩定性的主控因素主要包括埋深、支護長度、支護密度和側壓系數等因素。通常在研究多因素變量問題時,可以采用正交實驗法便于統計分析,可以減少計算量,分析結果較好。

本次分析采用FLAC3D數值模擬方法對巷道變圍巖變形特征進行分析,依照朱集西礦11煤軌道大巷設計尺寸建模,模型尺寸為60m×20m×40m;巷道埋深940m,覆巖平均重度為2.5×104N/m3;垂直應力取23.5MPa,力學模型選用莫爾-庫侖準則。模型建立后,在兩側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,在前后表面施加側向的位移約束,頂面施加應力邊界。模型如圖2所示,模型中選取的巖層力學參數依據現場實際測量數據,進行實驗室強度實驗和折減法所得,煤巖體力學參數見表1。

表1 模型物理力學參數

圖2 數值模型建立

為分析不同因素對巷道變形的影響,現將埋深(A)、支護長度(B)、支護密度(C)以及側壓系數(D)作為實驗因素進行數值模擬分析?？捎肔9(34)正交表進行實驗分析,數值模擬結果見圖3和圖4,實驗匯總結果見表2,其中LD是巷道左幫位移;RD代表巷道右幫位移;MS代表最大剪應力。

表2 正交實驗結果

圖3 位移結果圖

圖4 最大剪應力結果圖

對圖3和圖4中不同方案的模擬實驗結果圖進行分析,總結正交實驗結果于表2中進行對比可知,側壓系數對巷道穩定性影響最大,其次是巷道埋深,也可理解為水平應力是影響巷道穩定性的主要因素。支護參數中,通過表2中各方案的對比,可知支護密度比支護長度對巷道穩定性影響更強。正交實驗結果中,以左幫位移量和右幫位移量來表征巷道形變量,深部巷道圍巖變形受最大剪應力為主,不同因素對巷道圍巖穩定性的影響次序為:構造應力、巷道埋深、支護密度、支護長度。當埋深一定時,構造應力起主要作用,在無法改變應力環境的條件下,通過改變巷道支護參數和支護工藝優化對深部高水平應力巷道圍巖進行協調控制保證圍巖穩定性。

3 深部高水平應力巷道協調控制技術

3.1 深部高水平應力巷道圍巖協調控制原則

專家學者們提出的錨網噴支護、錨網索支護、錨網梁支護及鋼架支護等多種支護形式的復合支護技術解決了巷道圍巖控制的許多難題,但是深部巷道圍巖在強擾動和復雜應力場的作用下會導致巷道圍巖變形量大、底鼓嚴重、支護體失效,嚴重的還會造成頂板大面積垮落等安全事故,難以保證圍巖穩定性。因此,針對深部高應力巷道圍巖的變形破壞特征,應充分利用巷道頂板圍巖的承載能力,結合深井巷道的強力—分次支護力學機制,提出與深部巷道圍巖變形相適應的強力—分次協調支護技術,以有效提高巷道圍巖的穩定性,可為深部高應力巷道支護提供借鑒和參考。

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

圖5 支護阻力與圍巖變形關系曲線

3.2 深部高水平應力巷道圍巖協調控制技術

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。以及幫側內擠,墻角處最為嚴重,以及較大范圍的底鼓現象。

依據西翼11煤軌道大巷變形特點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力,最大水平主應力的釋放及切向應力的壓剪作用將導致圍巖產生嚴重變形破壞,故深部高應力作用為巷道圍巖變形破壞的直接誘因。因此,針對以上變形特點,實現圍巖協調控制的主要技術途徑有:

(1) 巷道圍巖應力改善,防止出現難以控制的塑性區

巷道圍巖應力改善的實質是合理巷道布置位置,將巷道布置在低應力區域以及對圍巖進行卸壓措施,使巷道圍巖一定深度形成弱化區,將圍巖淺部的應力集中區轉移到深處,改變圍巖的應力狀態。

(2) 提高巷道塑性區破碎圍巖強度,防止塑性區邊界惡性擴展

提高巷道塑性區破碎圍巖強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,固結破碎巖體,提高塑性區圍巖的強度,促進圍巖塑性區邊界的穩定;二是在目前的支護技術上,采用以錨桿(索)為主,通過合理支護技術,防止塑性區破碎圍巖失穩。

基于上述分析,西翼11煤軌道大巷的合理支護思路為:根據巷道圍巖變形分析結果,采用錨桿索支護以及鉆孔卸壓組合作用,控制圍巖塑性區范圍內巖體穩定,有效改善圍巖強度,合理控制巷道圍巖變形量。

具體支護參數為:錨桿采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿,其直徑型號為Ф22,其長度為2800mm,間排距700mm×700mm;錨桿托盤長寬高規格為150mm×150mm×12mm碟形鋼板。網片采用Ф6mm圓鋼編織平網。網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,嚴禁采用退錨方式進行網片壓接。噴漿混凝土初噴厚度30～50mm,復噴厚度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股高強錨索,規格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,對西翼11煤軌道大巷進行注漿。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。注漿桶規格:Ф600mm、高850mm,經計算,注漿桶內加水量為500mm深時,需加水泥2.3～2.8袋,現場可按2.5～3袋執行。大巷支護斷面如圖6所示。

圖6 大巷支護參數圖

將大巷支護加固后進行數值模擬驗證,結果如圖7所示。由圖7可知,大巷垂直應力在巷道頂部和底部以受拉為主,在大巷幫部應力最大為23.73MPa,同時錨桿索受力降低13%,大巷幫部的塑性區位置由原來1.33～1.39m擴展至1.2m,底板塑性區由原1.92～1.96m擴展至1.8m大巷圍巖趨于穩定。

圖7 大巷加固效果模擬圖

此外,在高應力區圍巖中打一定數量的鉆孔,應力作用下鉆孔孔壁被壓塌,鉆孔周圍形成一定的破碎區,相鄰鉆孔破壞區相連形成大范圍破壞帶。圖8為大巷進行鉆孔卸壓的模擬結果,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對比可知,巷道垂直方向的應力于巷道拱頂和底板部位降低范圍擴大,同時兩幫鉆孔周圍應力有輕微的降低。拱腰、邊墻底腳等角點部位仍有輕微的應力集中。應力集中帶轉移至鉆孔周圍,錨桿索受力明顯降低,大巷幫部和底板的塑性區范圍減小,分散集中應力,整體穩定性提高。大巷幫部最大應力由23.73MPa降低為22.5MPa,減小5.18%,卸壓情況較好。

圖8 鉆孔卸壓后應力分布圖

3.3 現場驗證

西翼11煤軌道大巷之前由于高水平應力影響導致大巷變形,墻體開裂,巷道出現底鼓現象,制約安全生產,對大巷采取協調控制技術后,現場觀測大巷破壞情況如圖9所示,治理前后大巷穩定性對比見表3.

表3 治理前后大巷穩定性對比

圖9 大巷加固現場驗證圖

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

4 結論

(1) 確定影響深部巖巷穩定性的主控因素,并基于正交實驗方法確定不同因素對深部巖巷穩定性影響的方案,采用數值模擬方法分析了不同方案的圍巖穩定性結果,確定了深部軌道對大巷圍巖穩定性的影響從大到小依次為:高構造應力、巷道埋深、支護密度、支護長度。

(2) 基于理論分析和數值模擬分析結果,提出了“注漿加固與高強度高預應力錨桿及鉆孔卸壓相結合”協調控制技術并進行數值模擬驗證,大巷的最大應力降低為22.5MPa,錨桿索受力明顯降低,大巷幫部和底板的塑性區范圍減小。

(3) 現場試驗結果表明,所提出的修復加固方案能夠有效地控制住圍巖變形,實現了對深部高水平應力大巷圍巖穩定性的有效控制。