急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究-wjc課件

1、急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)研究 摘 要：急傾斜煤層巷道支護(hù)大多采用單一的支護(hù)體系，巷道變形破壞嚴(yán)重.為了找出適合急傾斜煤層巷道的支護(hù)體系，對(duì)急傾斜巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行了深入的分析。以趙家壩煤礦3964運(yùn)輸平巷作為研究對(duì)象，借助巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試和數(shù)值模擬軟件，對(duì)該巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)、圍巖松動(dòng)范圍、應(yīng)力分布、變形情況分別進(jìn)行研究，得出急傾斜煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理，并通過(guò)工程實(shí)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(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；點(diǎn)荷載試驗(yàn)；松動(dòng)圈測(cè)試；數(shù)值模擬；圍巖變形破壞機(jī)理 我國(guó)急傾斜煤層占15%20% 的儲(chǔ)量，其年產(chǎn)量占全國(guó)煤炭總產(chǎn)

2、量的10%左右。近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭資源需求的快速增長(zhǎng)，急傾斜煤層在我國(guó)煤礦開(kāi)采中所占的比重將逐年增加。大量研究與實(shí)踐表明1-5，急傾斜煤層開(kāi)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(jié)構(gòu)也具有特殊特征，由于缺乏對(duì)其圍巖變形破壞機(jī)理等基本科學(xué)問(wèn)題的系統(tǒng)研究，造成了開(kāi)采方法選擇失誤工作面災(zāi)害事故頻發(fā)。因此，研究急傾斜煤層開(kāi)采的基本科學(xué)問(wèn)題，可以為該類煤層開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)的解決奠定理論基礎(chǔ)，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(xué)性質(zhì)測(cè)試試驗(yàn)段巷道圍巖強(qiáng)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(xué)巖樣加工試驗(yàn)室按照巖石力學(xué)測(cè)定規(guī)范利用點(diǎn)荷載

3、儀進(jìn)行了不規(guī)則巖樣的載荷強(qiáng)度測(cè)定。1.1試驗(yàn)儀器本次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)荷載測(cè)試的儀器為美國(guó)GCTS公司點(diǎn)荷載測(cè)試儀，其最大施加載荷為100kN，可自動(dòng)記錄試件破壞峰值，可測(cè)試試件最大尺寸高125mm，寬100mm，行程達(dá)54mm?，F(xiàn)場(chǎng)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(xì)砂巖，局部夾有粉砂巖，底板為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。1.2 測(cè)試結(jié)果通過(guò)對(duì)所收集巖樣進(jìn)行點(diǎn)荷載測(cè)試，取部分巖樣及其破壞特征見(jiàn)圖1-圖3，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。 圖1 直接頂巖樣以及點(diǎn)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(diǎn)荷載破壞特征圖Fig.2 floor rock and failure characteristics of point load 圖3 煤樣以及點(diǎn)荷載破壞特征Fig.3 coal and failure characteristics of point load根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，巷道圍巖層理發(fā)育，且層理間的粘結(jié)強(qiáng)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(shí)，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(xué)特征點(diǎn)荷載測(cè)試結(jié)果Tap.1 Mechanical characteristics of surrounding rock pointload test results類別編號(hào)壓力/(kN)破壞直徑/(mm)試樣厚度/(mm)強(qiáng)度指標(biāo)/(MPa)抗壓強(qiáng)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(diǎn)荷載測(cè)試數(shù)據(jù)，由平均點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)和 平均抗壓強(qiáng)度公式： 得出老頂巖樣抗壓強(qiáng)度為49.24MPa；直接頂巖樣抗壓強(qiáng)度為52.66MPa；煤樣抗壓強(qiáng)度為15.00MPa，底板巖樣的抗壓強(qiáng)度為42.18MPa。2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試巷道開(kāi)挖前，地下巖體處于三向受壓平衡狀態(tài)。開(kāi)挖后，該平衡系統(tǒng)遭到破壞，一方面圍巖應(yīng)力將進(jìn)

7、行重新分布與調(diào)整，另一方面巷道表面圍巖由原來(lái)的三向受壓變?yōu)殡p向受力狀態(tài)，其強(qiáng)度將大大降低。在開(kāi)巷初期，由于巷道周邊產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，當(dāng)其超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，該處圍巖將發(fā)生破壞，導(dǎo)致圍巖承載能力和所受應(yīng)力降低；之后，應(yīng)力峰值和圍巖破壞范圍向圍巖內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。此時(shí)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(gè)破裂區(qū)稱為圍巖松動(dòng)圈。大量研究結(jié)果揭示，巷道支護(hù)的主要對(duì)象是松動(dòng)圈形成發(fā)展過(guò)程中的碎脹變形。松動(dòng)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(hù)越容易；相反松動(dòng)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(hù)越困難，因此有必要進(jìn)行巷道松動(dòng)圈的測(cè)試

8、，以便更好的依據(jù)松動(dòng)圈的范圍進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。2.1 測(cè)試儀器圍巖松動(dòng)圈測(cè)試選用的是美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20探地雷達(dá)，其精度高、性能穩(wěn)定、可靠。SIR-20地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括硬件（主機(jī)、天線、傳輸電纜等）和軟件（現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理等)兩大部分。從數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、到數(shù)據(jù)處理都已實(shí)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(qiáng)大，目前SIR-20地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)可用于工程地質(zhì)勘查。采用SIR-20型多通道雷達(dá)透視儀，對(duì)趙家壩煤礦3964平巷圍巖頂、底板及兩幫進(jìn)行了松動(dòng)圈探測(cè)，最大探測(cè)深度12m,本次共設(shè)置4個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置4條測(cè)線,分別放在頂?shù)装逡约皟蓭蜕稀?.2 探測(cè)成果

9、分析根據(jù)所分析的結(jié)果，得到3964平巷圍巖松動(dòng)范圍，見(jiàn)表2。表2松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果Tap.2 Loose circle test results測(cè)站測(cè)線編號(hào)松動(dòng)范圍測(cè)站測(cè)線編號(hào)松動(dòng)范圍一測(cè)站第1測(cè)線2.54.0m三測(cè)站第1測(cè)線2.02.4m第2測(cè)線2.14.2m第2測(cè)線2.73.2m第3測(cè)線1.22.3m第3測(cè)線2.02.4m第4測(cè)線1.74.2m第4測(cè)線1.92.2m二測(cè)站第1測(cè)線1.21.8m四測(cè)站第1測(cè)線2.53.8m第2測(cè)線2.53.2m第2測(cè)線2.04.2m第3測(cè)線1.83.0m第3測(cè)線1.32.2m第4測(cè)線3.54.3m第4測(cè)線2.04.2m對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后，得到3964底板松動(dòng)圈

10、范圍為1.652.6m,右?guī)退蓜?dòng)圈范圍為2.683.93m，頂板松動(dòng)圈范圍為1.732.85m，左邦松動(dòng)圈范圍為2.43.7m。從中可以看出，巷道左幫的松動(dòng)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(kāi)掘空間移動(dòng)，造成了急傾斜巷道上幫圍巖的松動(dòng)圈范圍值較大。由此可知急傾斜巷道圍巖松動(dòng)圈范圍呈現(xiàn)非對(duì)稱分布特征。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論7，該巷道屬于類大松動(dòng)圈不穩(wěn)定圍巖，其中左幫和右?guī)筒糠值囟芜_(dá)到了類大松動(dòng)圈極不穩(wěn)定圍巖，結(jié)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(guò)數(shù)值計(jì)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(jī)理提供依據(jù)。本次

11、數(shù)值計(jì)算的方法為有限差分法，采用的計(jì)算程序?yàn)榇笮蛶r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(jìn)行了數(shù)值模擬分析，巷道斷面選取拱形作為典型進(jìn)行研究。3.1 圍巖應(yīng)力分析 圖4 水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力云圖Fig.4 Horizontal stress and vertical stress cloud chart巷道開(kāi)挖后，圍巖應(yīng)力分布變化明顯，呈明顯的非對(duì)稱分布。從水平應(yīng)力云圖可看出，巷道左幫水平應(yīng)力釋放明顯，在靠近幫部范圍內(nèi)（3m左右），圍巖應(yīng)力輪廓呈現(xiàn)半圓狀分布，隨著向深部延伸應(yīng)力輪廓呈不規(guī)律分布；巷道右?guī)偷蛻?yīng)力范圍較左幫?。坏装逡啻嬖谛》秶退綉?yīng)力區(qū)，頂部零應(yīng)力

12、特征不明顯，高水平應(yīng)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(yīng)力值達(dá)到11MPa，右?guī)涂拷享數(shù)膸r體也出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，但應(yīng)力值較小。從垂直應(yīng)力特征中可看出，巷道圍巖應(yīng)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(yīng)力釋放明顯，靠近巷道表明圍巖的垂直應(yīng)力值接近零值，其中頂板和底板低應(yīng)力輪廓向深部巖體延伸范圍較大，兩幫相對(duì)較??；高應(yīng)力集中區(qū)域位于巷道右?guī)屠享攷r層內(nèi)，最大值達(dá)到20MPa，左幫應(yīng)力集中程度較低，且距離幫部較遠(yuǎn)。3.2 變形破壞分析位移矢量特征表明，巷道左側(cè)整體變形較右側(cè)大，即兩側(cè)變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，從圖6看出，最大變形出現(xiàn)在底部，位

13、移量達(dá)到0.617m，底臌明顯，左幫位移量次之，最大值為0.4m左右。同時(shí)，左幫偏上區(qū)域的大部分巖層均出現(xiàn)大幅度的運(yùn)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(dá)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(shí)可以看出，在急傾斜煤層巷道開(kāi)挖過(guò)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(diǎn)，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^小；頂?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(duì)稱分布。4 工程實(shí)踐4.1 巷道的變形破壞情況四川廣旺集團(tuán)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(hù)。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(hù)能力，從而巷道變形破壞嚴(yán)重，特別是巷道底板的底臌變形劇烈，如巷道右側(cè)頂板下沉，巷道左側(cè)底板臌起等。在采面采動(dòng)影響作用過(guò)程中必須隨時(shí)加密或替換金屬支架，不但返修率高，而且嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸和安全。4.2 支護(hù)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(duì)稱載荷而引起圍巖變形破壞呈現(xiàn)非對(duì)稱性，變形破壞方式為“頂板下滑和底板臌起”，因此對(duì)急傾斜巷道的支護(hù)應(yīng)采用非對(duì)稱支護(hù)體系，對(duì)頂幫和底角加強(qiáng)支護(hù)。針對(duì)3964巷道實(shí)際情況，巷道斷面采用半斜墻圓拱形，采用高強(qiáng)度錨桿+錨索+W鋼帶網(wǎng)+注漿錨桿+噴砼非對(duì)稱支護(hù)形式，巷道支護(hù)施工布置斷

16、面圖如圖7所示。圖7 錨網(wǎng)索非對(duì)稱耦合支護(hù)示意圖Figure 7 Cable anchor and asymmetric coupling support schematic diagram(1)主要支護(hù)技術(shù)參數(shù)巷道頂部采用規(guī)格202500mm高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，全長(zhǎng)等強(qiáng)，預(yù)緊力不小于70KN，間排距800800mm，采用兩支樹(shù)脂藥卷全長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(qiáng)度可調(diào)心托盤及配套鎖具。W鋼帶型號(hào)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(jìn)行二次噴層，噴層厚度為20mm。4.3 支護(hù)效果分析4.3.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為了掌握支護(hù)試驗(yàn)段的錨桿（索）承載工況、圍巖變形特征以及巷道支護(hù)效果，同時(shí)為支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、調(diào)整提供依據(jù)，應(yīng)對(duì)巷道進(jìn)行系統(tǒng)性

18、的觀測(cè)。對(duì)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(jìn)行了觀測(cè)。巷道斷面收斂?jī)x：本次試驗(yàn)觀測(cè)巷道斷面收斂采用鋼卷尺。試驗(yàn)采用MYJ-10、MYJ-20型錨桿液壓枕來(lái)觀測(cè)錨桿錨索受力情況。對(duì)于頂板離層觀測(cè)則是采用雙高度橫式頂板離層儀。4.3.2 礦壓觀測(cè)結(jié)果分析從試驗(yàn)巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)圖8圖9，錨桿（索）受力觀測(cè)數(shù)據(jù)圖10，頂板多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)圖11來(lái)具體介紹試驗(yàn)巷道的礦壓觀測(cè)結(jié)果。（1）巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析試驗(yàn)段巷道觀測(cè)斷面的巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線如圖910所示。圖8巷道圍巖表面位移-時(shí)間曲線Fig 8 the roadway surface displace

19、ment time curve圖9巷道圍巖移近速度-時(shí)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?duì)移近量在第19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?duì)移近量在前19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(shí)間的延長(zhǎng)，頂?shù)装逑鄬?duì)移近速率逐漸降低。在19天后，頂?shù)装逑鄬?duì)移近的平均速率為1.7mm/d。兩幫相對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)，兩幫相對(duì)移近速率逐漸降低。在19天后，兩幫相對(duì)移近的平均速率為0.9mm/d。（2）錨桿（索）的受力觀測(cè)數(shù)據(jù)及分析試驗(yàn)段巷道觀測(cè)斷面的頂錨桿和幫錨桿的錨固力隨著時(shí)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(kāi)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(shuō)明，在此觀測(cè)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(diǎn)位移觀測(cè)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(yàn)段巷道觀測(cè)斷面的頂?shù)装宥帱c(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)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(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果顯示，2m范圍的位移變化量較小，最大累計(jì)變化量4mm，2m-6m范圍內(nèi)位移量開(kāi)始增長(zhǎng)，逐漸緩慢，最大累計(jì)量為19mm。說(shuō)明在整個(gè)支護(hù)過(guò)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(duì)稱耦合支護(hù)有效的控制了巷道的頂板位移。5 結(jié) 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(xué)性質(zhì)的煤（巖）層中，造成了巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，導(dǎo)致了急傾斜煤層巷道圍巖應(yīng)力載荷呈現(xiàn)非對(duì)

22、稱分布；(2)通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的成果可知，巷道左幫側(cè)松動(dòng)圈范圍明顯大于右?guī)蛡?cè)，主要是左幫側(cè)圍巖在上覆巖層法向力和剪應(yīng)力作用下，向開(kāi)掘空間運(yùn)移，造成松動(dòng)圈范圍在急傾斜巷道中呈非對(duì)稱分布；(3)數(shù)值分析表明：急傾斜巷道圍巖應(yīng)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(duì)稱性和不均衡性；（4）針對(duì)急傾斜巷道圍巖載荷的非對(duì)稱性，支護(hù)方案采用錨網(wǎng)索非對(duì)稱耦合支護(hù)，對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了有效的控制，巷道沒(méi)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(xiàn)1 石平五,高召寧.急斜特厚煤層開(kāi)采圍巖與覆蓋層破壞規(guī)律J.煤炭學(xué)報(bào),2003,28 (1):13-16.Shi

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