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      孤島工作面巷道圍巖變形特征及修復(fù)加固技術(shù)研究

      2022-09-23 07:24:10辛崇偉邢恩睿張立明
      煤炭工程 2022年9期
      關(guān)鍵詞:孤島采空區(qū)錨桿

      周 賢,馬 建,辛崇偉,邢恩睿,張立明

      (1.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司 下溝煤礦,陜西 郴州 713500;2.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司,山東 濟(jì)南 250002;3.北京安科興業(yè)科技股份有限公司,北京 100083)

      礦井因早期的條帶開采或是生產(chǎn)布局不合理而在井田內(nèi)形成孤島工作面,這類孤島工作面在構(gòu)造應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)影響、斷層破碎帶、不規(guī)則煤柱留設(shè)等因素影響下,工作面出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)域,巷道圍巖破碎程度高,造成支護(hù)失效、冒頂、劇烈底鼓、嚴(yán)重片幫等變形破壞現(xiàn)象,巷道維護(hù)成本高,且存在巨大的安全隱患,嚴(yán)重制約工作面的正常生產(chǎn)[1-4]。

      針對(duì)厚煤層孤島工作面巷道圍巖穩(wěn)定性控制問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們進(jìn)行了大量的探討和研究。柏建彪[5]等提出了厚煤層孤島綜放面巷道圍巖控制機(jī)理,采用錨桿注漿相結(jié)合的方式將巷道圍巖的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài),使得巷道支護(hù)條件明顯改善。翟明華[6]通過(guò)建立下保護(hù)層中殘留孤島煤柱的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,應(yīng)用力學(xué)原理分析了殘留煤柱及被保護(hù)層煤體中的應(yīng)力狀態(tài),得到煤柱誘發(fā)沖擊礦壓的機(jī)理,并指出保護(hù)層中殘留的孤島煤柱使上層煤中的應(yīng)力水平成倍增加,在大采深厚煤層條件下必然會(huì)發(fā)生沖擊破壞,并提出深孔爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓是治理厚煤層孤島煤柱型沖擊礦壓的有效手段。秦忠誠(chéng)[7]以東灘煤礦厚煤層孤島工作面為研究對(duì)象,通過(guò)研究分析該礦厚煤層孤島工作面跨釆軟巖巷道實(shí)際情況,分析了厚煤層跨釆巷道穩(wěn)定性的影響因素和厚煤層跨采巷道支護(hù)基本原理,提出了巷道圍巖結(jié)構(gòu)理論和控制機(jī)理,針對(duì)厚煤層跨采巷道破壞變形狀況,實(shí)施了有效的支護(hù)措施。

      以下溝煤礦ZF303工作面為研究對(duì)象,從增加圍巖承載能力的角度,綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值模擬的方法研究高應(yīng)力下的巷道斷面支護(hù)技術(shù),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件提出了高應(yīng)力區(qū)巷道分區(qū)圍巖注漿加固技術(shù),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)確定巷道修復(fù)加固方案的可行性。以期為厚煤層孤島工作面巷道圍巖注漿加固工程提供參考。

      1 工程概況

      下溝煤礦ZF303工作面為兩側(cè)采空的孤島工作面,北鄰ZF304工作面,南鄰ZF302工作面,相鄰工作面均已采空,成為一個(gè)孤島工作面,ZF303工作面布置如圖1所示。工作面主采4號(hào)煤層,煤層厚度11.5m,平均煤層傾角20°,屬于緩傾斜厚煤層,工作面頂板存在0.2m的砂質(zhì)泥巖,煤層底板為鋁土質(zhì)泥巖,平均厚度6.5m,煤層頂?shù)装鍘r層狀況如圖2所示。

      圖1 ZF303工作面位置

      圖2 工作面頂?shù)装鍘r性

      ZF303工作面運(yùn)輸巷原支護(hù)采用“錨網(wǎng)索+鋼帶+單體支柱”作為支護(hù)方案,支護(hù)參數(shù):左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格為?22mm×2400mm,間排距為1000mm×800mm。高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為?22mm×7300mm,間排距為1000mm×2000mm。巷道圍巖受相鄰采空區(qū)以及本工作面超前采動(dòng)影響后,礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,巷道圍巖變形速度快、變形量大,底鼓嚴(yán)重,并伴有錨桿索支護(hù)失效,巷道經(jīng)多次翻修及采用常規(guī)錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后,變形破壞仍難以遏制,大變形區(qū)域巷道斷面難以滿足正常使用,巷道維護(hù)成本較高,且存在巨大的安全隱患,嚴(yán)重制約工作面的正常回采。

      2 ZF303運(yùn)輸巷破壞特征分析

      2.1 巷道頂板覆巖結(jié)構(gòu)特征與礦壓顯現(xiàn)

      ZF303工作面為孤島工作面,工作面在回采過(guò)程中,后方采空區(qū)頂板垮落,與兩側(cè)采空區(qū)垮落頂板形成一個(gè)類似C型的覆巖空間結(jié)構(gòu)[8,9],孤島工作面回采巷道前后應(yīng)力分布特征如圖3所示。隨著工作面回采上覆巖層C型空間結(jié)構(gòu)也在不斷向前移動(dòng),后方采空區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。工作面頂板上覆不規(guī)則垮落帶巖層大部分呈懸空狀態(tài),該部分頂板巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力傳遞到工作面前方煤體以及兩側(cè)煤柱內(nèi),此時(shí)采空區(qū)處于應(yīng)力降低區(qū),如圖3中C區(qū)域;隨工作面推進(jìn)距離加大,采空區(qū)破碎垮落帶不斷被壓實(shí),上覆巖層自重應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)移到采空區(qū)內(nèi),導(dǎo)致采空區(qū)后方垂直應(yīng)力逐漸增大,該部分區(qū)域內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)到接近原巖應(yīng)力,工作面后方及兩巷頂板巖層在強(qiáng)采動(dòng)影響下發(fā)生大范圍破斷,兩巷及煤體支承壓力急劇增大,屬于應(yīng)力增高區(qū),如圖3中B區(qū)域;兩巷外側(cè)靠近煤柱側(cè)采空區(qū)頂板在采動(dòng)影響下進(jìn)一步垮落破斷,充填采空區(qū),在煤柱外側(cè)一定區(qū)域內(nèi)屬于應(yīng)力降低區(qū),向采空區(qū)深部延伸,采空區(qū)應(yīng)力逐漸增大,直至達(dá)到上部巖體的自重應(yīng)力γH,并趨于穩(wěn)定。

      A—原巖應(yīng)力區(qū);B—應(yīng)力增高區(qū);C—應(yīng)力降低區(qū);D—應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)圖3 孤島工作面前后方應(yīng)力分布特征圖

      2.2 巷道圍巖特性分析

      ZF303運(yùn)輸巷在4號(hào)煤層中開掘,留設(shè)2m底煤,通過(guò)在巷道頂?shù)装邈@取巖芯,分析得到巷道頂?shù)装鍘r性主要以細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖和煤為主,巷道圍巖主要呈現(xiàn)以下特性。

      1)4號(hào)煤層平均厚度11.50m,屬于特厚煤層,煤質(zhì)較硬,但與偽頂泥質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)性較差。

      2)煤層偽頂為厚度0.2m的砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度低且遇水膨脹,泥巖與煤層、直接頂之間膠結(jié)性較差,易形成較大離層,導(dǎo)致巷道頂板處于非穩(wěn)定狀態(tài)。

      3)煤層底板為鋁土質(zhì)泥巖,平均厚度為6.5m,強(qiáng)度低且遇水膨脹;底板巖層與煤層之間滑面接觸,在高水平應(yīng)力作用下,易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),造成兩幫失穩(wěn)。

      2.3 巷道圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律分析

      針對(duì)下溝煤礦ZF303運(yùn)輸巷地質(zhì)特點(diǎn),利用ZXZ20-Z型鉆孔窺視儀對(duì)巷道圍巖內(nèi)部破壞與變形情況進(jìn)行鉆孔探測(cè)分析[10-13]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研結(jié)果得知,ZF303工作面運(yùn)輸巷導(dǎo)線點(diǎn)900~1400m范圍內(nèi)頂板下沉類型不同,其中導(dǎo)線點(diǎn)900~1100m范圍內(nèi),頂板整體完整,但是出現(xiàn)下沉現(xiàn)象;導(dǎo)線點(diǎn)1100~1400m范圍內(nèi),頂板表面破碎,局部出現(xiàn)網(wǎng)兜?;谡{(diào)研結(jié)果,在導(dǎo)線點(diǎn)900~1100m和導(dǎo)線點(diǎn)1100~1400m兩范圍段巷道中心各選取1個(gè)斷面,每個(gè)斷面頂板布置3個(gè)窺視孔,每個(gè)孔深度9m,兩幫各布置1個(gè)窺視孔,窺視孔深度6m。斷面內(nèi)窺視孔布置如圖4所示。

      圖4 斷面內(nèi)窺視孔布置示意圖(mm)

      根據(jù)2個(gè)鉆孔的窺視結(jié)果得知,ZF303運(yùn)輸巷頂板較為完整區(qū)域及頂板表面較為破碎區(qū)域內(nèi)部裂隙、離層發(fā)育狀況不完全一致,且巷道圍巖破壞呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性。其中頂板較為完整區(qū)域裂隙發(fā)育區(qū)集中在5.6~6.0m范圍內(nèi),離層集中6.0~6.7m巖層過(guò)渡位置;頂板表面破碎嚴(yán)重區(qū)域內(nèi)部破碎帶集中在0~1.6m范圍內(nèi),裂隙發(fā)育區(qū)集中在1.6~2.4m范圍內(nèi),離層集中在5.6~6.1m范圍,鉆孔內(nèi)部裂隙發(fā)育狀態(tài)如圖5、圖6所示。從分析結(jié)果中可以看出,離層發(fā)育位置主要在偽頂附近。

      圖5 完整頂板鉆孔窺視結(jié)果

      圖6 破碎頂板鉆孔窺視結(jié)果

      2.4 巷道破壞主要影響因素

      根據(jù)巷道圍巖特性分析、圍巖內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況,結(jié)合巷道現(xiàn)支護(hù)形式和施工管理等狀況,可以得出巷道嚴(yán)重變形破壞主要原因:

      1)孤島工作面超前支承壓力大。孤島工作面在工作面回采過(guò)程中,后方采空區(qū)頂板垮落,與兩側(cè)采空區(qū)垮落頂板形成一個(gè)類似C形的覆巖空間結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)上覆巖層結(jié)構(gòu)的大面積周期性破斷是產(chǎn)生工作面兩巷采動(dòng)影響的主要?jiǎng)恿υ?,該?dòng)力源是造成巷道超前支承壓力增大引起強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的主要原因。

      2)巷道圍巖整體性差。巷道頂?shù)装鍑鷰r多為軟巖,黏土礦物成分較高,遇水易膨脹,難以形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu),為巷道變形提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

      3)上覆巖層壓力大。ZF303工作面為兩側(cè)采空的孤島工作面,運(yùn)輸巷埋深383~400m,運(yùn)輸巷上覆巖層壓力較大,導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的載荷也大,當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠,承受不住其載荷時(shí),巷道將發(fā)生變形破壞,甚至造成支護(hù)體的破壞。

      4)支護(hù)方式與圍巖條件適應(yīng)性差。由于ZF303工作面運(yùn)輸巷布置在煤層中,巷道圍巖強(qiáng)度低易造成變形破壞。且巷道上部頂板存在較厚煤層,錨桿的錨固段處在松軟、破碎,裂隙發(fā)育圍巖中,錨固力降低,容易造成組合拱整體下移,使錨桿拉力難以發(fā)揮,甚至造成支護(hù)失效。錨索的支護(hù)密度有限。整體而言,支護(hù)方式與圍巖條件適應(yīng)性差,難以控制巷道的穩(wěn)定。

      綜上,孤島工作面巷道圍巖強(qiáng)度低、松軟破碎以及受采動(dòng)影響是巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的內(nèi)因;而初始支護(hù)沒(méi)有有效控制巷道圍巖的破碎帶發(fā)育是巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的外因。

      3 采動(dòng)影響下巷道圍巖控制

      針對(duì)圍巖變形破壞嚴(yán)重問(wèn)題,提出采用“錨桿+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案控制采動(dòng)影響下厚煤層孤島工作面巷道圍巖變形,并利用FLAC3D模擬修復(fù)加固方案以及原支護(hù)方案條件下巷道圍巖應(yīng)力和位移分布情況,從而分析修復(fù)加固方案和原支護(hù)方案的支護(hù)效果,數(shù)值模型尺寸為80(長(zhǎng))×40(寬)×40(高);模型共共有6個(gè)分組,模型從上往下共5個(gè)巖土層,分別是細(xì)砂巖,細(xì)粉砂巖,煤層,泥巖,細(xì)粉砂巖,固定模型頂部以外的邊界,固定巷道方向的所有平面,在模型中部開挖5.4m×3.1m的矩形隧道,綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,明確各因素對(duì)巷道安全性造成的影響程度,對(duì)模型施加應(yīng)力邊界和位移邊界,巷道地面標(biāo)高908~1025m,上邊界所加荷載為10MPa。模型內(nèi)部,豎直方向和水平方向按照重力梯度分別加上豎直應(yīng)力梯度和水平應(yīng)力梯度,重力加速度取9.81N/kg。數(shù)值模型如圖7所示,模擬方案見表1。

      表1 巷道支護(hù)模擬方案

      圖7 數(shù)值計(jì)算模型

      1)巷道圍巖位移分布特征。分析不同支護(hù)方案下巷道圍巖位移分布(圖8)可知,錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)條件下巷道區(qū)域位移量主要集中在頂板和兩幫,巷道兩幫和頂板存在大變形,巷道兩幫位移為2605mm,頂板位移為1350mm;相比無(wú)注漿支護(hù),注漿聯(lián)合支護(hù)條件下,巷道兩幫和頂板變形量明顯縮小,巷道兩幫位移為1200mm,巷道頂板位移為67mm。

      圖8 巷道圍巖位移分布

      2)巷道圍巖應(yīng)力分布特征。如圖9可知,在巷道兩幫水平方向受到0.75MPa的壓應(yīng)力,在巷道兩幫位置較為集中,是導(dǎo)致巷道兩幫發(fā)生變形的因素之一。在巷道底部,受到2.5~3.0MPa大小的剪應(yīng)力,且主要靠近兩幫底側(cè),是使巷道底鼓和兩幫底部發(fā)生位移變形的主要影響條件之一。如圖10可知,巷道兩幫受到1.2MPa的剪應(yīng)力,使巷道兩幫發(fā)生剪切破壞,發(fā)生變形。相比無(wú)注漿支護(hù),注漿聯(lián)合支護(hù)條件下,巷道兩幫應(yīng)力受到壓應(yīng)力0.045MPa,同時(shí)將塑性區(qū)主要分布在兩幫,使得巷道底部受到的剪應(yīng)力明顯減小。

      圖9 方案一巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

      圖10 方案二巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

      模擬結(jié)果表明,相比原支護(hù)方案,“錨桿+錨索+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案有效地控制了巷道圍巖變形破壞,注漿使破碎巖體形成整體,提高了巷道圍巖的承載能力,有效的控制巷道圍巖變形破壞。

      4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)及效果分析

      4.1 巷道修復(fù)加固方案

      根據(jù)模擬結(jié)果,最終確定ZF303運(yùn)輸巷修復(fù)加固方案為“錨網(wǎng)索+鋼帶+金屬網(wǎng)+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,巷道頂板分為破碎區(qū)域和完整區(qū)域,故對(duì)厚煤層孤島工作面巷道頂板分區(qū)注漿加固。具體的巷道支護(hù)方案如圖11、12所示。

      圖11 頂板表面完整區(qū)域聯(lián)合支護(hù)(mm)

      圖12 頂板表面嚴(yán)重破碎區(qū)域聯(lián)合支護(hù)圖(mm)

      注漿材料選用礦用頂板高強(qiáng)無(wú)機(jī)注漿材料[14-16];注漿壓力確定為2MPa,針對(duì)不同的頂板狀況適當(dāng)減少或增加注漿壓力,頂板表面完整區(qū)域范圍內(nèi),巷道頂煤完整性程度較高,煤體內(nèi)部不存在裂隙、離層發(fā)育,裂隙、離層發(fā)育區(qū)主要分布在巖體過(guò)渡位置,因此巖體過(guò)渡位置是需要重點(diǎn)注漿加固區(qū)域,注漿錨索、注漿錨桿也不需要特殊的封孔工藝;頂板表面破碎區(qū)域,巷道頂煤的完整性程度較差,頂板表面破碎處向內(nèi)延伸2.4m范圍內(nèi)存在裂隙發(fā)育區(qū),存在漏漿的風(fēng)險(xiǎn),因此注漿錨索、注漿錨桿要采用非常規(guī)封孔工藝。頂板表面破碎嚴(yán)重區(qū)域,為提高圍巖有效固結(jié)強(qiáng)度,應(yīng)該適當(dāng)縮小注漿錨索、注漿錨桿間排距[17]。

      4.2 巷道支護(hù)效果分析

      1)圍巖變形監(jiān)測(cè)。通過(guò)在巷道修復(fù)加固段布置檢測(cè)站,監(jiān)測(cè)巷道修復(fù)25d內(nèi)巷道表面位移變化情況,并與未修復(fù)段巷道圍巖變形情況進(jìn)行對(duì)比,注漿加固段注漿前后的圍巖變形量如圖13所示。

      圖13 注漿前后圍巖變形量曲線

      相比未修復(fù)段,注漿后工作面從超前150m左右推進(jìn)至面前30m左右區(qū)域,頂板下沉量最大為81mm,底鼓變形量最大為450mm,幫部變形量最大達(dá)到1455mm,控頂效果較好。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,聯(lián)合支護(hù)體系改善了巷道圍巖結(jié)構(gòu),基本控制了巷道圍巖的變形失穩(wěn)。

      2)注漿效果監(jiān)測(cè)。ZF303運(yùn)輸巷進(jìn)行注漿加固之后,對(duì)注漿加固后的巷道圍巖內(nèi)部裂隙分布及圍巖整體性狀況進(jìn)行鉆孔窺視,探測(cè)結(jié)果如圖14所示。

      圖14 注漿效果窺視

      觀測(cè)結(jié)果表明:注漿后漿液大范圍擴(kuò)散,圍巖內(nèi)部淡黃色膠結(jié)漿液密度非常大,連續(xù)長(zhǎng)度大。由此可見,圍巖淺部破碎接近于散體,承載能力非常有限,若受到采動(dòng)影響對(duì)于圍巖穩(wěn)定性的維護(hù)帶來(lái)巨大困難。注漿后漿液將松散破碎的巷道圍巖膠結(jié)成整體,提高了巷道圍巖的整體強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)利用圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分;且與原巖形成一個(gè)整體,注漿加固起到了預(yù)期效果。

      5 結(jié) 論

      1)通過(guò)圍巖組分分析、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視儀探測(cè)分析巷道圍巖變形主要影響因素;

      2)針對(duì)孤島工作面巷道圍巖變形破壞特征,提出”錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+注漿”聯(lián)合支護(hù)方案,并通過(guò)數(shù)值模擬確定巷道修復(fù)加固方案的可行性。

      3)提出高應(yīng)力區(qū)巷道分區(qū)圍巖注漿加固技術(shù),有效的保持巷道破碎圍巖穩(wěn)定,促使巷道形成全斷面整體控制,降低了巷道修復(fù)工程量。

      4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明,巷道注漿加固段頂板、底板和兩幫最大變形量明顯減少,巷道圍巖裂隙基本被漿液充填,巷道圍巖變形基本得到控制。

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