傾斜軟煤層巷道圍巖變形機制分析

傾斜軟煤層巷道圍巖變形機制分析

Summary：傾斜軟煤層巷道圍巖支護的核心是通過錨固、黏結(jié)、支撐等技術(shù)手段使圍巖形成為一個穩(wěn)定整體，達到實現(xiàn)圍巖自穩(wěn)性的目的。因此，本文以某礦山為例研究巷道變形破壞機制,得出了產(chǎn)生非對稱變形破壞的關(guān)鍵部位,提出了有效的控制方案。Keys：傾斜；軟煤層；巷道圍巖；變形機制；1巷道圍巖變形破壞特征煤炭資源是能源結(jié)構(gòu)中的主要組成部分，早期的煤炭開采主要在地表下淺層作業(yè)，地應(yīng)力造成的危害不是早期開采的主要問題，隨著地下開采的埋深逐年增加，高地應(yīng)力原因造成的離層、滑動等變形作用于巷道圍巖，導(dǎo)致頂板下沉、底鼓、錨桿斷裂等問題日漸突出，冒頂片幫事故也頻頻發(fā)生。以礦山12350巷道為例，巷道布置觀測區(qū)域,通過鉆孔窺視試驗、巷道圍巖表面位移監(jiān)測及巷道斷面形狀觀測的方法探測巷道圍巖的變形破壞特征,現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明:1)巷道幫部破壞范圍較頂部明顯大,且頂板右側(cè)破壞范圍大于頂板左側(cè),巷道右?guī)推茐姆秶笥谙锏雷髱汀?)巷道圍巖兩幫移近量>頂?shù)装逡平?圍巖位移量由大到小依次為底板>右?guī)?gt;左幫>頂板;巷道圍巖歷經(jīng)快速變形—緩慢變形—流變變形3個階段。3)巷道頂板右側(cè)較左側(cè)、右?guī)拖虏枯^上部、左幫上部較下部及底板右側(cè)較左側(cè)變形更為明顯。2傾斜軟煤層巷道圍巖變形機制對策2.1控制思路研究結(jié)果表明,此類巷道圍巖變形量由大到小依次為底板>右?guī)?gt;左幫>頂板,且頂?shù)装寮皟蓭透鱾?cè)均存在不對稱變形現(xiàn)象?；谏鲜鼋Y(jié)果,首先明確此類巷道圍巖重點治理區(qū)域,并依據(jù)治幫先治底及不對稱支護的基本方略,結(jié)合增大堅硬頂板厚度與增大煤體C、φ值可有效減小此類巷道圍巖變形破壞范圍的規(guī)律,參考U型鋼為主的被動支護被動支撐上覆巖層施加的載荷,而主動支護可有效增強頂板巖層的自承載能力且主動支護須有較好的力學(xué)承載環(huán)境的實際情況,最終提出“底板錨桿孔擴孔灌漿+幫部注漿+非對稱錨網(wǎng)索支護”的聯(lián)合支護方案?！暗装邋^桿孔擴孔灌漿”就是根據(jù)底板變形破壞實際情況,在巷道底板布置不對稱正楔形孔,之后往所布置的孔里灌漿;“幫部注漿”即在巷幫布置不對稱注漿孔,對其進行注漿加固?？筛鶕?jù)現(xiàn)場探測情況調(diào)整聯(lián)合支護強度,如頂板堅硬巖層厚度及地質(zhì)應(yīng)力異常區(qū)域。12350進風(fēng)巷道圍巖治理區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)劃如圖1所示。漿液擴散加固煤巖體的實質(zhì)就是通過提高煤巖體的C、φ值來實現(xiàn)巷道圍巖改性。底板正楔形孔灌漿不但能提高煤巖體的C、φ值,而且孔中漿體凝結(jié)后形成的正楔形柱體可有效阻止底板滑移破壞。不對稱支護參數(shù)設(shè)計可改善支護與圍巖之間變形協(xié)調(diào)性。圖112350進風(fēng)巷道圍巖治理區(qū)域結(jié)構(gòu)規(guī)劃2.2裝置設(shè)計底板正楔形孔布置采用課題組自行研發(fā)的錨桿孔鉆擴機具[1],煤體注漿加固采用課題組自行研發(fā)的可重復(fù)使用的新型封孔注漿裝置[2]。錨桿孔鉆擴機具及可重復(fù)使用的新型封孔注漿裝置如圖2所示。圖2擴孔機具及新型封注裝置錨桿孔鉆擴機具主要由推刀桿、彈簧和刀具等部分組成,該機具可成正楔形鉆孔,如圖2(a)所示。錨桿孔鉆擴機具使用方法:鉆打錨桿孔到設(shè)計深度,退出鉆頭;將安裝有單翼擴孔裝置的鉆桿推入孔底,連接鉆機進行擴孔,在鉆進旋轉(zhuǎn)推進過程中,擴孔裝置內(nèi)的推桿將刀具逐漸推開,刀具將切削孔底煤巖,直至推桿完全被推入;停止推進,推桿在內(nèi)部彈簧作用下被彈出,刀具進入刀具槽內(nèi)退出孔外,完成孔底擴孔。新型封注裝置主要由快速注漿部位(中空注漿管)、推力傳動部位(由扭矩增效扳手、鋼套管、螺母組成)、膨脹封孔部位(由橡膠套與鋼墊片組成)及防止倒流部位(鴨嘴閥)組成,如圖2(b)所示。新型封注裝置使用方法:將裝置塞進已打好的注漿鉆孔中;通過扭矩增效扳手轉(zhuǎn)動螺母推動套管向注漿管尾端方向旋進,此時橡膠套受到擠壓向外凸起并與孔壁緊密接觸,實現(xiàn)封孔;連接注漿泵開始注漿,待注漿結(jié)束后尾端鴨嘴閥會在內(nèi)部壓力的作用下自動關(guān)閉,防止?jié){液上返;一定時長后,打開閥門,卸下預(yù)緊螺母,解除封孔狀態(tài),取下注漿裝置。2.3支護參數(shù)設(shè)計根據(jù)上述控制思路,以12350進風(fēng)巷道為例進行支護參數(shù)設(shè)計。2.3.1鉆孔布置底板灌漿孔用?42mm鉆頭打孔,再用擴孔機具鉆擴正楔形孔,鉆孔深度2.5m,垂直于底板布置,底板鉆孔布置,最右側(cè)鉆孔距離巷道右?guī)?.8m,最左側(cè)鉆孔距離巷道左幫1.5m;右?guī)妥{孔用?42mm鉆頭打孔,鉆孔深度3m,垂直于幫部,間距為1m,鉆孔距離巷道底板0.8m,右?guī)豌@孔布置;左幫注漿孔用?42mm鉆頭打孔,鉆孔深度2.5m,垂直于幫部,間距為1.2m,鉆孔距離巷道底板1.2m,左幫鉆孔布置。2.3.2漿液配制因12350進風(fēng)巷道底幫煤巖體強度均較低,淺部破壞嚴重,裂隙高度發(fā)育,因此須用粘度大、凝結(jié)時間短的水灰比。綜合底板錨桿孔擴孔灌漿漿液既有較大的擴散范圍,且能形成正楔形結(jié)石體,選用水灰比為0.3∶1;兩幫注漿漿液選用水灰比為0.7∶1,配合注漿壓力1MPa。2.3.3錨網(wǎng)索支護參數(shù)設(shè)計根據(jù)12350進風(fēng)巷道圍巖變形破壞特征,進行錨桿(索)不對稱支護設(shè)計。錨網(wǎng)索支護參數(shù)為:錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿,尺寸?22mm×2400mm,巷道右?guī)湾^桿間距600mm,左幫錨桿間距800mm,右側(cè)頂板錨桿間距700mm,左側(cè)頂板錨桿間距800mm。錨索鋼絞線?17.8mm×6300mm,間距1200mm。在地質(zhì)異常區(qū)域,可輔以型鋼支護。2.4新掘巷道應(yīng)用效果分析12182工作面回風(fēng)巷道與12350工作面進風(fēng)巷道地質(zhì)條件及設(shè)計巷道斷面大致相同,在12351回風(fēng)巷道掘進時采用上述針對12350進風(fēng)巷道設(shè)計的“底板錨桿孔擴孔灌漿+幫部注漿+非對稱錨網(wǎng)索支護”的聯(lián)合支護參數(shù),待試驗段巷道支護完成后,在該試驗段布置2個監(jiān)測斷面,監(jiān)測巷道圍巖的表面位移,監(jiān)測周期為120d,巷道圍巖表面位移隨時間變化曲線如圖3所示。由圖3可知,1#監(jiān)測斷面與2#監(jiān)測斷面監(jiān)測結(jié)果大致相同,在觀測的120d內(nèi),兩幫位移量的最大值為164mm,頂?shù)装逦灰屏康淖畲笾禐?33mm,巷道圍巖變形仍以兩幫變形為主,但與12350進風(fēng)巷道原支護圍巖變形量相比,巷道表面位移量大幅減小?？梢?該聯(lián)合支護方案有效控制了厚硬頂板緩傾斜軟煤層巷道的變形,具有現(xiàn)實工程意義。圖3實驗巷道圍巖變形圖結(jié)論1)通過現(xiàn)場實測掌握了厚硬頂板緩傾斜軟煤層巷道圍巖特征,結(jié)果表明,此類巷道圍巖變形破壞明顯不對稱,并得出了此類巷道圍巖易發(fā)生變形破壞的大致位置。2)通過建立厚硬頂板緩傾斜軟煤層巷道圍巖力學(xué)計算模型,揭示了此類巷道圍巖變形破壞機制。3)通過數(shù)值模擬的方法,分析了多因素影響下此類巷道圍巖的位移及塑性區(qū)變化規(guī)律,結(jié)果表明,增大厚硬直接頂厚度與增大煤幫C(φ)值可有效減小巷道圍巖不對稱變形破壞范圍。4)基于上述研究成果,提出了針對此類巷道圍巖治理的方案,即“底板錨桿孔擴孔灌漿+幫部注漿+非對稱錨桿(索)支護”的聯(lián)合治理方案,現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,該方案可有效控制此類巷道圍巖變形。Reference：［1］黃耀光,張?zhí)燔?深部高地應(yīng)力巷道塑性破壞特征及注漿支護［J］.采礦與安全工程學(xué)報,2019,36(05):949-958