大傾角煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究

代小飛，王俊超

>(四川廣旺能源(發(fā)展)集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 廣元 648200)

隨著中西部淺部煤炭資源的不斷開采，大多數(shù)老礦井已經(jīng)進(jìn)入到深部開采，由緩傾斜煤層過渡到大傾角煤層，尤其作為四川而言，大傾角煤層所占比重相當(dāng)高，局部煤礦占到62%.由近年來的理論研究及工程實(shí)踐分析看出[1-5]，與緩傾斜煤層圍巖變形不同，大傾角煤層圍巖結(jié)構(gòu)體受力的非均勻性使得其圍巖變化特征呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此，采用常規(guī)的對(duì)陣結(jié)構(gòu)支護(hù)無法保證巷道的穩(wěn)定性，時(shí)常導(dǎo)致頂板事故發(fā)生。本文以代池壩煤礦3963運(yùn)輸巷為例，對(duì)圍巖變形非對(duì)稱結(jié)構(gòu)受力及支護(hù)體系進(jìn)行分析研究，為后期安全回采提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步降低事故發(fā)生的概率。

1 圍巖力學(xué)性質(zhì)測(cè)試

1.1 測(cè)試儀器及地質(zhì)特征

為進(jìn)一步研究大傾角煤層開采期間的圍巖力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形較為松散，無法正規(guī)取樣的特點(diǎn)，利用點(diǎn)荷載測(cè)試儀，綜合取值進(jìn)行評(píng)定?，F(xiàn)場(chǎng)使用的點(diǎn)荷載測(cè)試儀器參數(shù)：最大施加載荷100 kN，可以自行收錄試件的破壞峰值；可測(cè)試的試件最大尺寸為高125 mm×寬100 mm，行程最大為54 mm.

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及煤層柱狀圖分析可知，該巷道煤層松軟，極易破碎，圍巖節(jié)理也較為發(fā)育，尤其是該巷道的頂板巖層層理特征十分明顯。該煤層頂?shù)装逄匦裕簜雾敒樘抠|(zhì)泥巖；直接頂為淡灰色層狀+泥質(zhì)粉砂巖；老頂為中厚層狀+細(xì)砂巖，局部含有粉砂巖；而底板則是薄層狀+泥質(zhì)粉砂巖。可見，該巷道的圍巖結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，增加了巷道回采期間的維護(hù)難度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)，選取能夠反映全部地質(zhì)特征的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)部分試件進(jìn)行局部修剪，再進(jìn)行測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見表1. 由表1中數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)分析可知：該煤層巷道的圍巖層理較為發(fā)育，同時(shí)其各層理間區(qū)分較為明顯，黏結(jié)強(qiáng)度也較低。

各頂?shù)装鍖永砗穸龋豪享?5～25 cm，直接頂15～30 cm，煤層30～50 cm，底板25～40 cm.測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，雖然頂?shù)装寮懊簩庸?jié)理發(fā)育程度都較大，但是也有所差異性，相比較而言，發(fā)育程度為：煤層>直接頂>老頂,該項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)今后的支護(hù)提供了一定的方向。

結(jié)合表1中數(shù)據(jù)，對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行算術(shù)平均，測(cè)算出平均抗壓強(qiáng)度：

表1 圍巖力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表

式中：

n—各個(gè)樣本取樣數(shù)。

計(jì)算得出各頂?shù)装?、煤層的抗壓?qiáng)度：老頂49.24 MPa，直接頂52.66 MPa，煤樣15.00 MPa，底板42.18 MPa.可見，頂?shù)装蹇箟簭?qiáng)度基本一致，相差不大，而煤層最低，也是最易破壞的。

2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

2.1 測(cè)試儀器

本次對(duì)代池壩煤礦3963運(yùn)輸巷圍巖頂?shù)装寮皟蓭瓦M(jìn)行圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，測(cè)試儀器為SIR-20探地雷達(dá)，是美國(guó)GSSI公司最新生產(chǎn)的一種先進(jìn)探地雷達(dá)儀器，該儀器主要優(yōu)點(diǎn)就是精度高，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠，且測(cè)試過程中其性能也十分穩(wěn)定可靠，測(cè)試的最大深度可以達(dá)到12 m.

本次測(cè)試共設(shè)置4個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置一樣，分別在頂?shù)装寮皟蓭?個(gè)點(diǎn)上布線，共布置4條測(cè)線。

2.2 探測(cè)成果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及數(shù)據(jù)處理，探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見表2.

對(duì)表2數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1) 對(duì)表2測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均得出3963運(yùn)輸巷頂?shù)装寮白笥覂蓭退蓜?dòng)圈范圍：頂板2.4～3.7 m，底板1.65～2.6 m,右?guī)?.73～2.85 m，左幫2.68～3.93 m.

表2 松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表

2) 由測(cè)試數(shù)據(jù)看出，3963運(yùn)輸巷左幫松動(dòng)圈范圍明顯大于右?guī)?，基本達(dá)到1.1 m.分析其原因主要是：大傾角煤層巷道的左幫(上幫)煤(巖)層在沿層面法向力作用下，逐步移動(dòng)至回采空間，導(dǎo)致大傾角煤層巷道左幫(上幫)圍巖松動(dòng)圈范圍明顯大于右?guī)?下幫)。故可以得出，3963運(yùn)輸巷圍巖變形呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，左幫變形明顯大于右?guī)停ёo(hù)重點(diǎn)就是要把這部分變形量縮小，使之與右?guī)妥冃瘟炕疽恢?，保證整個(gè)巷道的穩(wěn)定可靠。

3) 以表2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論推斷出3963運(yùn)輸巷屬于Ⅴ類大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖，加之頂?shù)装寮懊簩拥牧W(xué)性質(zhì)，判斷出該巷道的圍巖為極易破碎性軟巖。

3 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步了解代池壩煤礦3963運(yùn)輸巷圍巖變形破壞的基本特征，利用數(shù)值計(jì)算分析軟件進(jìn)行模擬，為得出大傾角煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理提供基礎(chǔ)參數(shù)依據(jù)。

采用FLAC5.0程序?qū)?963運(yùn)輸巷開挖后圍巖變形破壞特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，具體分析結(jié)論如下：

3.1 應(yīng)力分析

由水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力云圖(見圖1)可以看出，受開挖破壞影響，巷道的圍巖應(yīng)力分布范圍變化明顯，呈現(xiàn)出極具明顯的非對(duì)稱分布特征。

從水平應(yīng)力云圖可以看出，巷道左幫應(yīng)力釋放范圍明顯大于右?guī)蛻?yīng)力釋放范圍，且低應(yīng)力范圍上右?guī)蛣t比左幫小；低水平應(yīng)力區(qū)主要集中在底板小范圍區(qū)域內(nèi)，而高水平應(yīng)力區(qū)主要集中在左幫頂板的老頂與直接頂?shù)慕唤缑嫔?，最大高?yīng)力為10.5 MPa；右?guī)晚敳坷享斉c直接頂交界面處也有一定的水平應(yīng)力集中，但值較小，僅有1.2 MPa.

從垂直應(yīng)力云圖可以看出，垂直方向上的應(yīng)力釋放范圍主要集中在煤層附近，相比較煤層而言，靠近巖體的垂直應(yīng)力釋放范圍較小，基本無應(yīng)力釋放，應(yīng)力值也趨于零。但是右?guī)屠享攨^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了一定的高應(yīng)力集中，且集中范圍較大，值域也較大，最大值達(dá)到18 MPa；相對(duì)右?guī)蛠碚f，左幫在垂直應(yīng)力集中程度上比右?guī)偷秃芏啵狄草^小，同時(shí)距離左幫也比較遠(yuǎn)，對(duì)圍巖變形基本無影響。

圖1 水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力云圖

3.2 變形破壞分析

從巷道位移矢量特征圖(見圖2)可以看出，圍巖變形范圍底板大于左幫，左幫大于右?guī)?，底板最大變形量，即底鼓量達(dá)到0.62 m；左幫稍小，也達(dá)到0.5 m，故控制底板變形是支護(hù)的關(guān)鍵。

圖2 位移矢量及塑性區(qū)特征圖

由圖2分析可知，受巷道開挖影響，整個(gè)圍巖空間變形破壞均較大，主要還是剪切破壞，破壞范圍最大達(dá)到6.1 m；圍巖拉伸破壞主要位于底板及巷道左幫，尤其是底板拉伸破壞深度最為嚴(yán)重。

由此可以分析得出：受巷道開挖及圍巖性質(zhì)的雙重影響，大傾角煤層巷道的塑性破壞通常是沿著煤巖層賦存方向延伸，加之各個(gè)巖層的塑性特性有所不同，造成的塑性破壞范圍也有一定的差異，范圍變化較大，其中，尤以左幫頂部沿著煤層傾斜方向的拉伸塑性破壞范圍最大，故控制該范圍的塑性破壞較為關(guān)鍵。

3.3 位移分析

從兩幫及頂?shù)装逦灰魄€圖(見圖3)分析得出，在水平方向上，左幫明顯大于右?guī)?，下部比上部略大；而垂直方向上，底板變形量最大，尤其是中部底板變形極為突出，左幫底板次之，右?guī)妥钚?，基本無明顯變形位移。從垂直位移看出，頂板基本上未發(fā)生大的下沉位移。綜上可知，整個(gè)巷道的變形位移曲線呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱走向趨勢(shì)。

圖3 兩幫以及頂?shù)装逦灰魄€圖

4 工程應(yīng)用

4.1 支護(hù)形式與參數(shù)

根據(jù)圍巖力學(xué)性質(zhì)及數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，大傾角煤層巷道圍巖承受的巖體載荷呈現(xiàn)出非對(duì)稱性，左幫明顯大于右?guī)停绕涫亲髱晚敳繕O為突出。根據(jù)非對(duì)稱載荷所引起的非對(duì)稱圍巖變形，圍繞“非對(duì)稱”這一特征，通過合理的支護(hù)體系使之變成對(duì)稱變形，故提出一種非對(duì)稱支護(hù)體系對(duì)大傾角煤層巷道進(jìn)行強(qiáng)力支護(hù)；同時(shí)對(duì)極為薄弱的區(qū)域，如頂幫、底角等加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)一步穩(wěn)固支護(hù)體。

根據(jù)代池壩煤礦3963運(yùn)輸巷實(shí)際變形情況，將巷道斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化為半斜墻圓拱形，支護(hù)體系為非對(duì)稱，支護(hù)形式選用錨網(wǎng)索+鋼帶+噴砼(二次)，支護(hù)施工斷面見圖4.

圖4 錨網(wǎng)索非對(duì)稱支護(hù)示意圖

具體選用的支護(hù)材料如下：

1) 錨桿選用規(guī)格d20 mm×2 500 mm高強(qiáng)度左旋螺紋鋼，全長(zhǎng)等強(qiáng)，預(yù)緊力不小于70 kN，間排距800 mm×800 mm，巷道每圈布置11根，拱頂3根，左右兩幫各3根，底板2根。

2) 錨索采用規(guī)格d15.24 mm×7 000 mm雙股籠形錨索，全長(zhǎng)注漿錨固，頂板中間布置2根，下幫中下部及上幫中部各1根，間距1 000 mm，排距3 000 mm.

3) 金屬網(wǎng)采用10#鉛絲，網(wǎng)片尺寸2 000 mm×1 000 mm，頂網(wǎng)片尺寸為4 100 mm×1 000 mm，網(wǎng)格規(guī)格80 mm×80 mm.

4) 錨桿、索托盤尺寸為200 mm×200 mm×14 mm、300 mm×300 mm×20 mm.

5) W鋼帶選用WD280-3.0，寬度280 mm，厚度3.0 mm，高度23.5 mm，孔徑40 mm.

6) 二次噴砼。在錨網(wǎng)索+鋼帶安裝后，進(jìn)行二次噴層，噴層厚度為20 mm.

4.2 支護(hù)效果分析

為進(jìn)一步了解該支護(hù)體系支護(hù)效果，選擇一段采用新支護(hù)形式的試驗(yàn)段巷道進(jìn)行觀察。

1) 位移觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析。

對(duì)所觀測(cè)的表面位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出巷道圍巖表面位移-時(shí)間曲線圖(見圖5)及巷道圍巖移近速度-時(shí)間變形曲線圖(見圖6).

圖5 巷道圍巖表面位移-時(shí)間曲線圖

圖6 巷道圍巖移近速度-時(shí)間變形曲線圖

由圖5,6可得：

a) 從第18天開始，頂?shù)装寮皟蓭拖鄬?duì)移近量基本趨于平穩(wěn)，無明顯上升趨勢(shì)，從圖8分析可知頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為245 m和124 mm.

b) 從前18天位移變形數(shù)據(jù)來看，頂?shù)装逑鄬?duì)移近量平均變形速率為7.5 mm/d，最大變形速率為12.2 mm/d，初期變形速率上升較快在變形量趨于穩(wěn)定后，變形速率逐漸下降至穩(wěn)定，穩(wěn)定后頂?shù)装逑鄬?duì)移近平均速率為1.3 mm/d.

c) 從前18天位移變形數(shù)據(jù)來看，兩幫相對(duì)移近量平均變形速率為3.3 mm/d，最大變形速率為6.7 mm/d，初期變形速率上升較快在變形量趨于穩(wěn)定后，變形速率逐漸下降至穩(wěn)定，穩(wěn)定后頂?shù)装逑鄬?duì)移近平均速率為0.82 mm/d.

2) 頂板多點(diǎn)位移觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析。

試驗(yàn)段巷道頂板深部觀測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線見圖7.

圖7 巷道圍巖內(nèi)部位移變化曲線圖

由圖7可知：淺部即0～2 m內(nèi)的位移變化量較小，基本無明顯變化，累計(jì)變化量?jī)H有5 mm；而深部即2～6 m內(nèi)位移量卻較大，明顯上升，上升至一定量后開始趨于平穩(wěn)，累計(jì)變形達(dá)到18 mm. 表明非對(duì)稱支護(hù)體系對(duì)整個(gè)大傾角煤層巷道的支護(hù)起到了一定的作用，尤其是對(duì)頂板有較好的控制，減弱了巷道頂板的變形，使之更加穩(wěn)固可靠。

5 結(jié) 論

根據(jù)圍巖力學(xué)分析及圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，結(jié)合數(shù)值模擬，提出非對(duì)稱支護(hù)體系，工程應(yīng)用也取得了一定的成效，為此得出以下結(jié)論：

1) 大傾角煤層巷道頂?shù)装逄幱诿簬r體共存狀態(tài)，兩幫也處于不同塑性破壞的煤巖體，從而引起左右兩幫不同的變形破壞，導(dǎo)致整個(gè)巷道所承受的載荷為非對(duì)稱分布，加劇了圍巖力學(xué)性質(zhì)的非均勻性。

2) 圍巖松動(dòng)圈探測(cè)結(jié)果表明，左幫由于受到其上覆巖層法向力及地應(yīng)力作用，持續(xù)不斷地向回采空間轉(zhuǎn)移，使得松動(dòng)圈范圍明顯大于右?guī)停髢A角煤層巷道呈現(xiàn)出非對(duì)稱變化。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明：大傾角煤層巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出不均勻性，引起巷道的圍巖變形破壞具有明顯的非對(duì)稱性及不均衡性。

4) 針對(duì)大傾角煤層巷道圍巖變形的非對(duì)稱性，提出適合非對(duì)稱錨網(wǎng)索支護(hù)方案，從觀測(cè)數(shù)據(jù)得出，該方案有效控制了巷道的圍巖變形，增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)定性及可靠性。