埋深對巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

李彥斌,楊永康,蘇學(xué)貴

(太原理工大學(xué)a.礦業(yè)工程學(xué)院;b.采礦工藝研究所,太原030024)

錨噴聯(lián)合支護是一種經(jīng)濟合理的支護方式。它是采用積極主動的支護原理,充分發(fā)揮圍巖的自承作用,使噴層、錨桿和圍巖緊密地結(jié)合成一個整體,以控制圍巖變形、位移和裂隙發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者在錨噴聯(lián)合支護方面已做了大量研究?？堤旌蟍1]等提出采用錨桿、金屬網(wǎng)、錨索等進行聯(lián)合錨固的方法;高明仕[2]等提出三維錨索與巷幫卸壓組合技術(shù);張開智[3]等提出軟巖巷道強殼體支護,采用“短、細、密”的錨桿支護方式：何滿潮[4]等提出預(yù)留剛隙柔層控制方法;康紅普[5]等提出全斷面強力錨索支護技術(shù)。隨著技術(shù)的實踐應(yīng)用,巷道圍巖穩(wěn)定性理論也在趨于完善。根據(jù)不同地質(zhì)條件,眾多學(xué)者提出了懸吊理論,組合梁理論,均勻壓縮拱理論,最大水平應(yīng)力理論,圍巖強度強化理論,松動圈支護理論等[6],隨著煤礦開采往深部發(fā)展,巷道圍巖支護遇到很多問題,但眾多的技術(shù)和理論都沒有考慮巷道圍巖的埋深效應(yīng)。本文以太原煤氣化南山煤礦2220工作面回風(fēng)巷為例,運用圍巖穩(wěn)定性分類、數(shù)值模擬確定了合理的錨固方式,并分析了圍巖的埋深效應(yīng)。

1 工程概況

南山煤礦2號煤平均厚度為3.15 m,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層,含矸2～4層,埋深為160～290 m,為埋深變化比較大的煤層。2號煤層的頂?shù)装鍘r層特性如表1所示。2號煤的單軸抗壓強度為10.9 MPa,屬于中硬煤。煤層直接頂板多為粉砂巖,裂隙不發(fā)育,膠結(jié)致密,老頂為細粒砂巖,單軸抗壓強度為46.3 MPa,單向抗拉強度為4.02 MPa。

2220工作面位于井田西南部2I采區(qū),相鄰的井下工作面關(guān)系為南2224設(shè)計工作面,北為F01斷層,東為運輸下山,西為2218工作面采空區(qū)。回風(fēng)巷設(shè)計全長680 m,采用矩形斷面寬×高=2.2 m×2.1 m。

表1 2號煤層及其頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù)

2 錨固參數(shù)選擇

根據(jù)我國煤礦采準(zhǔn)巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案,確定該巷道為中等冒落2類頂板。相鄰2218工作面頂板煤幫均采用?16 mm×1 600 mm的樹脂圓鋼錨桿,均采用二根為一組排列布置,間排距為1 000 mm×1 000 mm,墊板尺寸為400 mm×200 mm×50mm的松木板塊,排組距偏差幅度小于50 mm,錨桿外露長度＜30 mm。2218回風(fēng)巷埋深大的區(qū)域出現(xiàn)頂板及兩幫收斂速度明顯加快,需要返工加強支護。現(xiàn)場對樹脂金屬錨桿實測,錨固力 15 MPa,傾壓支承壓力值距煤幫低于5 m,兩幫幫體擠壓破壞低于0.8 m。根據(jù)以上參數(shù),2220工作面回風(fēng)巷應(yīng)該加強支護。由于2號煤層無偽頂,直接頂為粉砂巖,頂部錨桿主要起懸吊作用,計算測壓采用自然平衡拱法,作為錨桿支護參數(shù)設(shè)計理論。根據(jù)圍巖特點、錨桿性質(zhì)、錨固劑的力學(xué)特性等給出的錨固參數(shù)為：頂板采用?18 mm×1 800 mm的左旋螺紋鋼錨桿,煤幫采用?16 mm×1 600 mm的樹脂圓鋼錨桿,間排距為700 mm×1 000 mm。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 地質(zhì)力學(xué)條件

表1所列參數(shù)為實驗室對小試件測定數(shù)據(jù),計算時對煤和巖石的強度參數(shù)分別考慮0.7和0.8的裂隙影響系數(shù)?？紤]構(gòu)造和采空區(qū)的影響,計算時取σh=1.2συ。工作面沿2號煤底板推進,采高2.1 m,工作面長度85 m。

3.2 計算方法

采用美國大型巖土工程計算軟件FLAC3D計算。采用彈塑性模型,運用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則判斷巖體的屈服破壞,即：

式中：σ1,σ3分別為最大和最小主應(yīng)力;C,Φ分別為材料的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角;σt為抗拉強度;N=(1+sinΦ)/(1-sinΦ);當(dāng) f s=0時,材料將發(fā)生剪切破壞;當(dāng) ft=0時,材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

3.3 計算模型

模型尺寸為119.7 m×200 m×53.1 m。工作面長度為85 m,運輸巷和回風(fēng)巷兩側(cè)各留15 m的保護煤柱,加上兩條巷道寬度共119.7 m;模擬巷道長度200 m;模擬煤層厚3.1 m,頂板 40 m,底板 10 m。模型上覆巖層的重力,按均布荷載施加在模型的上部邊界。

模型的四個側(cè)面為位移邊界,限制水平移動;底部為固定邊界,限制水平移動和垂直移動。整個模型共劃分為88273個單元,90903個結(jié)點。網(wǎng)格大小過渡使用Attach語句聯(lián)接。模擬時,考慮巷道在150 m,200 m,250 m和300 m等4種埋深時的圍巖穩(wěn)定性。

3.4 結(jié)果及分析

3.4.1 圍巖屈服破壞特征隨埋深變化

圖1示出不同埋深時的回風(fēng)巷道圍巖屈服破壞特征。埋深150 m時,僅巷道頂幫兩角和幫部有深度為0.5 m的剪切破壞。埋深200 m時,底角開始出現(xiàn)深度為0.5 m的破壞,頂板和兩幫的破壞深度不變,但是破壞范圍明顯增大。埋深250 m時,頂板最大破壞深度已經(jīng)達1 m,幫底角也出現(xiàn)深度1 m的破壞。埋深300 m時,頂板與兩幫的最大破壞深度仍為1 m,但破壞范圍明顯增大,底板破壞深度增大至1 m。從圍巖屈服破壞特征分布來看,隨埋深增大,圍巖屈服破壞范圍增大。在300 m的埋深范圍內(nèi),回風(fēng)巷道圍巖處于完整狀態(tài),支護的目的是防止巷道圍巖沿原有節(jié)理、裂隙或?qū)永砣趺婵迓洹?/p>

圖1 不同埋深時圍巖屈服破壞特征

3.4.2 圍巖應(yīng)力隨埋深變化

圖2 不同埋深時圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

圖3 距巷幫不同距離處垂直應(yīng)力分布曲線

圖2 和圖3分別示出不同埋深時的回風(fēng)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖和分布曲線。可看出,由于巷道開挖,在頂?shù)装逯胁啃纬纱怪睉?yīng)力降低拱區(qū),在兩幫中部形成垂直應(yīng)力升高拱區(qū)。頂?shù)装逯胁垮^桿錨固范圍內(nèi)垂直應(yīng)力較小,其值是原巖應(yīng)力的50～75%;頂板兩側(cè)錨桿錨固段圍巖應(yīng)力為原巖應(yīng)力的70～105%;兩幫錨桿錨固范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力較大,其值是原巖應(yīng)力的130～170%,為應(yīng)力升高區(qū),分布形式上基本呈對稱分布。隨埋深增加,垂直應(yīng)力峰值增加：埋深150 m,4.77 MPa是原巖應(yīng)力3.75 MPa的1.27倍;埋深200 m,6.31 MPa是原巖應(yīng)力5.0 MPa的1.26倍;埋深250 m,7.92 MPa是原巖應(yīng)力 6.25 MPa的1.27倍;埋深300 m,9.46 MPa是原巖應(yīng)力7.5 MPa的1.26倍。隨埋深增加,錨固區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)減小,垂直應(yīng)力應(yīng)該向巷道圍巖深處轉(zhuǎn)移。峰值點位置位于距巷幫1～3 m范圍之內(nèi)。

圖4 距巷幫不同距離處水平應(yīng)力分布曲線

圖4 示出不同埋深時,回風(fēng)巷道圍巖水平應(yīng)力分布曲線?？梢钥闯?隨巷道的開挖,兩幫形成水平應(yīng)力降低拱區(qū),其范圍隨埋深增加而增大。在頂板錨桿錨固段的水平應(yīng)力為原巖應(yīng)力的1～1.2倍,基本上處于原巖應(yīng)力水平,頂板是穩(wěn)定的;兩幫中部錨桿錨固段水平應(yīng)力不到原巖應(yīng)力的三分之一,應(yīng)加強巷幫錨桿的預(yù)緊力。

3.4.3 圍巖變形量隨埋深的變化

圖5示出圍巖變形量隨埋深變化的影響曲線(錨索錨固范圍指距巷道頂板1.8～6 m位置的位移變化),顯然圍巖變形量隨埋深增大而增大。頂?shù)装逡平繛?.3～19.0 mm;錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層量為3.2～10.2 mm,錨索錨固范圍內(nèi)頂板離層量為0.7～1.4 mm,錨桿錨索范圍的總離層量為4.0～11.6 mm。由此可見巷道圍巖是穩(wěn)定的。

圖5 埋深對圍巖變形量的影響

4 結(jié)論

1)隨著埋深的增大,巷道圍巖屈服范圍擴大,變形量增加。頂?shù)装逍纬傻拇怪睉?yīng)力拱區(qū)范圍擴大,兩幫垂直應(yīng)力核有向深部轉(zhuǎn)移的趨勢。兩幫形成的水平應(yīng)力降低拱區(qū)范圍擴大,頂?shù)装逅綉?yīng)力核有向深部轉(zhuǎn)移的趨勢。巷道圍巖支護設(shè)計應(yīng)該考慮巷道的埋深效應(yīng)。

2)在無斷層或其它地質(zhì)構(gòu)造影響時,優(yōu)化方案所提供的支護參數(shù)在開采深度為300 m以內(nèi)時安全的。

3)遇到斷層、頂板破碎、陷落柱或其它構(gòu)造破碎帶等地質(zhì)條件異常時,可采用預(yù)應(yīng)力錨索進行加強支護,非常必要時可采用錨注加固或加套抬棚,并密切監(jiān)測。

4)巷道的破壞均以剪切破壞為主,施工中要特別強調(diào)頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜15°,并確保預(yù)緊力達到設(shè)計要求。

5)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),回風(fēng)巷頂板及右?guī)湾^桿工作載荷在0～11 d變化不大,基本保持10 kN的初錨力,之后緩慢增加,保持在 10～20 kN,頂部略高于右?guī)?。但左幫錨桿(即靠近采空區(qū)一側(cè))從第3天起不斷增大,隨著工作面向測點的推進,3～16 d內(nèi)由初錨力10 kN增加到50 kN,并長時間持續(xù)為高峰值。因此,回風(fēng)巷左幫錨桿受力明顯高于右?guī)秃晚敯邋^桿,高出150%。主要原因在于,回風(fēng)巷靠近采空區(qū)一側(cè)煤幫受上部頂板來壓影響,將煤壁向外擠壓,使錨桿錨托力受力增大。應(yīng)采取“護頂先護幫”的原則,加強巷道兩幫的支護管理。

6)初始設(shè)計應(yīng)用后,必須進行井下專項監(jiān)測和日常檢查,取得反饋信息后,及時分析是否需要對初始設(shè)計進一步修正,以確保礦井安全生產(chǎn)。

[1] 康天合,郜進海,潘永前.薄層狀碎裂頂板綜采切眼錨固參數(shù)與錨固效果[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(增2)：4930-4935.

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[3] 張開智,夏均民,蔣金泉.軟巖錨桿強殼體支護結(jié)構(gòu)及合理參數(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(4)：668-672.

[4] 何滿潮,郭志飚,任愛武,等.柳海礦運輸大巷返修工程深部軟巖支護設(shè)計研究[J].巖土工程學(xué)報,2005,27(9)：977-980.

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