急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理及支護研究-wjc課件

1、急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理及支護研究 摘 要：急傾斜煤層巷道支護大多采用單一的支護體系，巷道變形破壞嚴重.為了找出適合急傾斜煤層巷道的支護體系，對急傾斜巷道圍巖變形破壞特征進行了深入的分析。以趙家壩煤礦3964運輸平巷作為研究對象，借助巖石點荷載試驗、圍巖松動圈測試和數(shù)值模擬軟件，對該巷道圍巖力學性質(zhì)、圍巖松動范圍、應力分布、變形情況分別進行研究，得出急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機理，并通過工程實踐也取得了非常好的效果，為控制急傾斜煤層巷道穩(wěn)定性提供了科學依據(jù)。關鍵詞：急傾斜煤層；點荷載試驗；松動圈測試；數(shù)值模擬；圍巖變形破壞機理 我國急傾斜煤層占15%20% 的儲量，其年產(chǎn)量占全國煤炭總產(chǎn)

2、量的10%左右。近年來，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展對煤炭資源需求的快速增長，急傾斜煤層在我國煤礦開采中所占的比重將逐年增加。大量研究與實踐表明1-5，急傾斜煤層開采所造成的圍巖變形破壞較一般條件下煤層不同，其圍巖結構也具有特殊特征，由于缺乏對其圍巖變形破壞機理等基本科學問題的系統(tǒng)研究，造成了開采方法選擇失誤工作面災害事故頻發(fā)。因此，研究急傾斜煤層開采的基本科學問題，可以為該類煤層開采關鍵技術的解決奠定理論基礎，減少安全生產(chǎn)事故，大幅度地提高能源的利用效率。1 圍巖力學性質(zhì)測試試驗段巷道圍巖強度較低，且節(jié)理發(fā)育，極易破碎，難以采集到較為完整的巖樣，在西安科技大學巖樣加工試驗室按照巖石力學測定規(guī)范利用點荷載

3、儀進行了不規(guī)則巖樣的載荷強度測定。1.1試驗儀器本次進行現(xiàn)場點荷載測試的儀器為美國GCTS公司點荷載測試儀，其最大施加載荷為100kN，可自動記錄試件破壞峰值，可測試試件最大尺寸高125mm，寬100mm，行程達54mm?，F(xiàn)場調(diào)查表明，巷道圍巖節(jié)理發(fā)育，煤層松散破碎，有兩層夾矸，特別是巷道頂板巖層層理特征明顯。其中偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，老頂為中厚層狀細砂巖，局部夾有粉砂巖，底板為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。1.2 測試結果通過對所收集巖樣進行點荷載測試，取部分巖樣及其破壞特征見圖1-圖3，測試結果見表1。 圖1 直接頂巖樣以及點荷載破壞特征圖Fig.1 Direct roof r

4、ock and failure characteristics of point load 圖2 底板巖樣以及點荷載破壞特征圖Fig.2 floor rock and failure characteristics of point load 圖3 煤樣以及點荷載破壞特征Fig.3 coal and failure characteristics of point load根據(jù)現(xiàn)場實測，巷道圍巖層理發(fā)育，且層理間的粘結強度較低，其中老頂層理厚度在1525cm左右，直接頂在1530cm左右，煤層在3050cm左右，底板在2540cm左右；同時，圍巖的節(jié)理也較發(fā)育，其中煤層節(jié)理發(fā)育程度最大，直接頂

5、次之，老頂最少。表1 圍巖力學特征點荷載測試結果Tap.1 Mechanical characteristics of surrounding rock pointload test results類別編號壓力/(kN)破壞直徑/(mm)試樣厚度/(mm)強度指標/(MPa)抗壓強度/(MPa)老頂10.8626.2225.711.2820.0221.353.1425.430.9624.1532.5129.3127.243.1452.72直接頂12.9455.0027.961.9149.2423.480.621.831.9367.0632.0999.8628.820.7330.09底板15.3

6、975.228.42.5282.8224.1383.2740.341.2343.8231.2499.7834.750.3614.81煤層11.6458.3333.240.8522.7721.24139.4342.240.2111.6431.3753.3430.270.8521.36根據(jù)點荷載測試數(shù)據(jù)，由平均點荷載強度指標和 平均抗壓強度公式： 得出老頂巖樣抗壓強度為49.24MPa；直接頂巖樣抗壓強度為52.66MPa；煤樣抗壓強度為15.00MPa，底板巖樣的抗壓強度為42.18MPa。2 圍巖松動圈測試巷道開挖前，地下巖體處于三向受壓平衡狀態(tài)。開挖后，該平衡系統(tǒng)遭到破壞，一方面圍巖應力將進

7、行重新分布與調(diào)整，另一方面巷道表面圍巖由原來的三向受壓變?yōu)殡p向受力狀態(tài)，其強度將大大降低。在開巷初期，由于巷道周邊產(chǎn)生很大的集中應力，當其超過圍巖強度時，該處圍巖將發(fā)生破壞，導致圍巖承載能力和所受應力降低；之后，應力峰值和圍巖破壞范圍向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至達到新的三向應力平衡狀態(tài)為止。此時圍繞巷道的一圈巖層中將出現(xiàn)一定厚度的破裂區(qū)，這個破裂區(qū)稱為圍巖松動圈。大量研究結果揭示，巷道支護的主要對象是松動圈形成發(fā)展過程中的碎脹變形。松動圈厚度越小，圍巖碎脹變形就越小，巷道圍巖也越穩(wěn)定，支護越容易；相反松動圈越大，由此產(chǎn)生的碎脹變形量也越大，巷道圍巖就越不穩(wěn)定，支護越困難，因此有必要進行巷道松動圈的測試

8、，以便更好的依據(jù)松動圈的范圍進行巷道支護設計。2.1 測試儀器圍巖松動圈測試選用的是美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20探地雷達，其精度高、性能穩(wěn)定、可靠。SIR-20地質(zhì)雷達系統(tǒng)包括硬件（主機、天線、傳輸電纜等）和軟件（現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預處理、后處理等)兩大部分。從數(shù)據(jù)采集、儲存、到數(shù)據(jù)處理都已實現(xiàn)數(shù)字化，邊采集數(shù)據(jù)邊顯示波形，數(shù)據(jù)后處理軟件功能強大，目前SIR-20地質(zhì)雷達系統(tǒng)可用于工程地質(zhì)勘查。采用SIR-20型多通道雷達透視儀，對趙家壩煤礦3964平巷圍巖頂、底板及兩幫進行了松動圈探測，最大探測深度12m,本次共設置4個測站，每個測站布置4條測線,分別放在頂?shù)装逡约皟蓭蜕稀?.2 探測成果

9、分析根據(jù)所分析的結果，得到3964平巷圍巖松動范圍，見表2。表2松動圈測試結果Tap.2 Loose circle test results測站測線編號松動范圍測站測線編號松動范圍一測站第1測線2.54.0m三測站第1測線2.02.4m第2測線2.14.2m第2測線2.73.2m第3測線1.22.3m第3測線2.02.4m第4測線1.74.2m第4測線1.92.2m二測站第1測線1.21.8m四測站第1測線2.53.8m第2測線2.53.2m第2測線2.04.2m第3測線1.83.0m第3測線1.32.2m第4測線3.54.3m第4測線2.04.2m對數(shù)據(jù)進行分析整理后，得到3964底板松動圈

10、范圍為1.652.6m,右?guī)退蓜尤Ψ秶鸀?.683.93m，頂板松動圈范圍為1.732.85m，左邦松動圈范圍為2.43.7m。從中可以看出，巷道左幫的松動圈范圍明顯大于右?guī)?，其原因是急傾斜巷道上幫巖層在沿層面法向力作用下，向開掘空間移動，造成了急傾斜巷道上幫圍巖的松動圈范圍值較大。由此可知急傾斜巷道圍巖松動圈范圍呈現(xiàn)非對稱分布特征。根據(jù)圍巖松動圈理論7，該巷道屬于類大松動圈不穩(wěn)定圍巖，其中左幫和右?guī)筒糠值囟芜_到了類大松動圈極不穩(wěn)定圍巖，結合圍巖性質(zhì)，巷道圍巖屬于破碎性軟巖。3 數(shù)值模擬分析通過數(shù)值計算分析了解3964巷道變形破壞的基本特征，從而為得出急傾斜巷道圍巖的變形破壞機理提供依據(jù)。本次

11、數(shù)值計算的方法為有限差分法，采用的計算程序為大型巖土工程專用軟件FLAC5.08，利用該程序?qū)ΜF(xiàn)3964平巷的變形破壞特征進行了數(shù)值模擬分析，巷道斷面選取拱形作為典型進行研究。3.1 圍巖應力分析 圖4 水平應力及垂直應力云圖Fig.4 Horizontal stress and vertical stress cloud chart巷道開挖后，圍巖應力分布變化明顯，呈明顯的非對稱分布。從水平應力云圖可看出，巷道左幫水平應力釋放明顯，在靠近幫部范圍內(nèi)（3m左右），圍巖應力輪廓呈現(xiàn)半圓狀分布，隨著向深部延伸應力輪廓呈不規(guī)律分布；巷道右?guī)偷蛻Ψ秶^左幫小；底板亦存在小范圍低水平應力區(qū)，頂部零應力

12、特征不明顯，高水平應力集中區(qū)域處于巷道頂部直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，且影響范圍較大，最大應力值達到11MPa，右?guī)涂拷享數(shù)膸r體也出現(xiàn)水平應力集中，但應力值較小。從垂直應力特征中可看出，巷道圍巖應力分布特征與巖層賦存特征具有明顯的一致性，其中巷道附近煤巖層大范圍應力釋放明顯，靠近巷道表明圍巖的垂直應力值接近零值，其中頂板和底板低應力輪廓向深部巖體延伸范圍較大，兩幫相對較??；高應力集中區(qū)域位于巷道右?guī)屠享攷r層內(nèi)，最大值達到20MPa，左幫應力集中程度較低，且距離幫部較遠。3.2 變形破壞分析位移矢量特征表明，巷道左側整體變形較右側大，即兩側變形呈現(xiàn)明顯的非對稱性，從圖6看出，最大變形出現(xiàn)在底部，位

13、移量達到0.617m，底臌明顯，左幫位移量次之，最大值為0.4m左右。同時，左幫偏上區(qū)域的大部分巖層均出現(xiàn)大幅度的運移。 圖5位移矢量及塑性區(qū)特征圖Fig.5 Displacement vector and the characteristics of plastic zone 塑性區(qū)特征表明，巷道圍巖破壞范圍較大，其中靠近左幫巷道破壞深度較大，最大值達到6m左右，以剪切破壞為主；底板和左幫表面圍巖以拉伸破壞為主，底板拉伸破壞深度較大（最大值為1m）；同時可以看出，在急傾斜煤層巷道開挖過程中，圍巖的塑性破壞具有明顯沿巖層賦存方向延伸的特點，由于不同巖層具有不同的塑性破壞特性，所以其塑性破壞深度

14、也有所不同，從圖中可以明顯看出：偽頂巖層塑性破壞范圍沿傾斜方向延伸范圍最大。3.3 巷道圍巖位移分析 圖6兩幫以及頂?shù)装逦灰魄€Fig.6 Two help and roof and floor displacement curve從位移曲線圖6看出，左幫水平位移整體大于右?guī)停渲?，左幫下部位移較左幫上部大，右?guī)退轿灰谱兓^?。豁?shù)装宕怪蔽灰票砻?，巷道底板中部垂直位移最大，靠近左幫的底板次之，最后為靠近右?guī)偷牡装?，頂板位移變化量較小，巷道的變形呈明顯的非對稱分布。4 工程實踐4.1 巷道的變形破壞情況四川廣旺集團趙家壩煤礦目前回采巷道全部采用梯形斷面，11#礦用工字鋼梯形棚支護。巷道掘出后不

15、久致棚腿鉆底、歪斜、扭轉(zhuǎn)等失穩(wěn)現(xiàn)象，使得工字鋼棚喪失支護能力，從而巷道變形破壞嚴重，特別是巷道底板的底臌變形劇烈，如巷道右側頂板下沉，巷道左側底板臌起等。在采面采動影響作用過程中必須隨時加密或替換金屬支架，不但返修率高，而且嚴重影響正常運輸和安全。4.2 支護形式與參數(shù)由理論分析和數(shù)值模擬研究成果得知，急傾斜巷道圍巖承受非對稱載荷而引起圍巖變形破壞呈現(xiàn)非對稱性，變形破壞方式為“頂板下滑和底板臌起”，因此對急傾斜巷道的支護應采用非對稱支護體系，對頂幫和底角加強支護。針對3964巷道實際情況，巷道斷面采用半斜墻圓拱形，采用高強度錨桿+錨索+W鋼帶網(wǎng)+注漿錨桿+噴砼非對稱支護形式，巷道支護施工布置斷

16、面圖如圖7所示。圖7 錨網(wǎng)索非對稱耦合支護示意圖Figure 7 Cable anchor and asymmetric coupling support schematic diagram(1)主要支護技術參數(shù)巷道頂部采用規(guī)格202500mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，全長等強，預緊力不小于70KN，間排距800800mm，采用兩支樹脂藥卷全長錨固，每組布置11根，拱頂布置3根，每根錨桿垂直于拱頂，兩幫各布置3根錨桿，巷道右側底板也布置2跟錨桿。錨索采用規(guī)格15.247000mm雙股籠形錨索。采用全長注漿錨固，巷道頂中2根錨索，下幫中部、下部各1根，上幫中部各1根，間距1000mm，排距30

17、00mm。金屬網(wǎng)采用10#鉛絲編制，網(wǎng)片尺寸為2000mm1000mm，頂網(wǎng)片尺寸為4100mm1000mm，網(wǎng)格規(guī)格8080mm。錨桿托盤采用規(guī)格為200mm200mm14mm可調(diào)心托盤，錨索托盤采用規(guī)格為300mm300mm20mm高強度可調(diào)心托盤及配套鎖具。W鋼帶型號WD280-3.0，寬度280mm，厚度3.0mm，高度23.5mm，孔徑40mm。二次噴砼。在錨網(wǎng)索+鋼帶+注漿錨桿安裝后，進行二次噴層，噴層厚度為20mm。4.3 支護效果分析4.3.1 現(xiàn)場觀測為了掌握支護試驗段的錨桿（索）承載工況、圍巖變形特征以及巷道支護效果，同時為支護設計進行修改、調(diào)整提供依據(jù)，應對巷道進行系統(tǒng)性

18、的觀測。對巷道圍巖的表面位移、頂板離層以及圍巖深部變形和位移等進行了觀測。巷道斷面收斂儀：本次試驗觀測巷道斷面收斂采用鋼卷尺。試驗采用MYJ-10、MYJ-20型錨桿液壓枕來觀測錨桿錨索受力情況。對于頂板離層觀測則是采用雙高度橫式頂板離層儀。4.3.2 礦壓觀測結果分析從試驗巷道表面位移觀測數(shù)據(jù)圖8圖9，錨桿（索）受力觀測數(shù)據(jù)圖10，頂板多點位移計觀測數(shù)據(jù)圖11來具體介紹試驗巷道的礦壓觀測結果。（1）巷道表面位移觀測數(shù)據(jù)及分析試驗段巷道觀測斷面的巷道表面位移觀測數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線如圖910所示。圖8巷道圍巖表面位移-時間曲線Fig 8 the roadway surface displace

19、ment time curve圖9巷道圍巖移近速度-時間變形曲線Fig 9 the roadway near speed time deformation curve由圖8圖9可以看出：頂?shù)装?、兩幫相對移近量在?9天左右基本趨于穩(wěn)定，頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為243m和120mm，相差123mm。頂?shù)装逑鄬σ平吭谇?9天的平均變形速率為7.9mm/d，最大變形速率為12.7mm/d，初期變形速率較大，隨著時間的延長，頂?shù)装逑鄬σ平俾手饾u降低。在19天后，頂?shù)装逑鄬σ平钠骄俾蕿?.7mm/d。兩幫相對移近量在前19天的平均變形速率為3.5mm/d，最大變形速率為7mm/d，初期變形速

20、率較大，隨著時間的延長，兩幫相對移近速率逐漸降低。在19天后，兩幫相對移近的平均速率為0.9mm/d。（2）錨桿（索）的受力觀測數(shù)據(jù)及分析試驗段巷道觀測斷面的頂錨桿和幫錨桿的錨固力隨著時間的變化曲線如圖10所示。圖10錨桿受力變化曲線Figure 10 Variation curve of anchor bar stress從圖10可以看出：頂板和右?guī)湾^桿受力開始有所下降，之后逐漸趨于穩(wěn)定。左幫錨桿受力緩慢增加。這說明，在此觀測期間內(nèi)，巷道圍巖變形緩慢，錨桿錨固效果良好。（3）頂板多點位移觀測數(shù)據(jù)及分析圖11 巷道圍巖內(nèi)部位移變化曲線Fig.11 the curve of roadway su

21、rrounding rock displacement試驗段巷道觀測斷面的頂?shù)装宥帱c位移計觀測數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線如圖11所示。由圖11可以看出：頂板深部位移測點的觀測結果顯示，2m范圍的位移變化量較小，最大累計變化量4mm，2m-6m范圍內(nèi)位移量開始增長，逐漸緩慢，最大累計量為19mm。說明在整個支護過程中，2m范圍內(nèi)的頂板保持完好，2m-6m之間位移有較小的變形，巷道頂板穩(wěn)定性較好，錨網(wǎng)索非對稱耦合支護有效的控制了巷道的頂板位移。5 結 論(1)急傾斜煤層巷道頂?shù)装鍑鷰r為煤巖共存、兩幫所處不同力學性質(zhì)的煤（巖）層中，造成了巷道圍巖力學性質(zhì)的非均勻性，導致了急傾斜煤層巷道圍巖應力載荷呈現(xiàn)非對

22、稱分布；(2)通過地質(zhì)雷達探測圍巖松動圈的成果可知，巷道左幫側松動圈范圍明顯大于右?guī)蛡?，主要是左幫側圍巖在上覆巖層法向力和剪應力作用下，向開掘空間運移，造成松動圈范圍在急傾斜巷道中呈非對稱分布；(3)數(shù)值分析表明：急傾斜巷道圍巖應力分布的不均勻性，引起巷道圍巖變形破壞在同一斷面內(nèi)具有明顯的非對稱性和不均衡性；（4）針對急傾斜巷道圍巖載荷的非對稱性，支護方案采用錨網(wǎng)索非對稱耦合支護，對巷道圍巖進行了有效的控制，巷道沒有發(fā)生頂板冒頂和片幫事故，巷道的穩(wěn)定性和安全性得到極大的改善。參考文獻1 石平五,高召寧.急斜特厚煤層開采圍巖與覆蓋層破壞規(guī)律J.煤炭學報,2003,28 (1):13-16.Shi

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