高膨脹軟化圍巖巷道穩(wěn)定性影響因素及錨桿支護技術研究

高膨脹軟化圍巖巷道穩(wěn)定性影響因素及錨桿支護技術研究

中國的煤炭生產條件越來越復雜，開采深度也在不斷增加。進入深層開采階段后，道路充滿的地質和應力環(huán)境是不同的，深部道路圍巖的變形和破壞特征明顯不同于平面圍巖。深部軟巖道路的保護和維護問題越來越突出。國內外專家學者在軟巖巷道圍巖變形破壞機理及控制技術方面做了大量研究。李剛以上研究對軟巖巷道控制技術發(fā)展起到了重要的促進作用，但上述研究主要圍繞軟巖巷道條件，通過提出不同支護方案、提高支護強度加以維護和解決，針對軟巖巷道的失穩(wěn)破壞機制開展深入研究較少，對膠結性極差，松散易垮落頂板條件的巷道失穩(wěn)破壞相關的報道更為少見。高膨脹松軟圍巖巷道賦存條件相對復雜、巷道斷面多樣，對巷道支護技術提出了更高要求，為此，以某煤礦6-1C西二片工作面高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道為研究對象，在工程類比的基礎上，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗手段，確定了高膨脹松軟圍巖斜梯形回采巷道錨桿支護方案，研究結果可為同類賦存煤層回采巷道錨桿支護提供工程借鑒。1巷道圍巖特點某礦6-1C西二片試驗工作面開采六煤組6-lC煤層，該煤層南厚北薄，最大厚度1.9m，最小厚度1.5m，平均厚度1.7m。煤層結構簡單，無夾矸存在，煤層層理不發(fā)育，傾角12°～20°，平均15°。6-1C煤層頂?shù)装寰鶠楦吲蛎浰绍泿r層，其中頂板為粉砂巖、細砂巖或泥巖，膠結性極差，松散易垮落，單軸抗壓強度多在5MPa以下，底板為粉砂巖，單軸抗壓強度為12.47～27.55MPa，且頂?shù)装鍘r層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達到20.11%～34.91%，巷道圍巖具有很大的膨脹性，吸水性大、易軟化、強度和穩(wěn)定性差。與6-1C西二片試驗工作面相鄰的6-1C西一片工作面在開采過程中，回采巷道多次出現(xiàn)頂板變形量大、錨桿脫落失效等情況，嚴重影響礦井安全生產，因此，亟需對高膨脹松軟圍巖控制技術進行研究。6-1C西二片工作面位置如圖1，工作面回風巷采用內錯布置，與6-1C西一片工作面間留設20m區(qū)段煤柱，回風巷埋深平均360m，斷面呈斜梯形斷面，寬3.6m，中高2.7m，掘進斷面積為9.72m2巖石破壞和影響的特點及影響因素2.1圍巖破壞特征為給出6-1C西二片斜梯形回風巷合理支護方案，采用類比分析法對6-1C西一片工作面回采巷圍巖破壞特征及原因進行分析。西一片工作面回風巷開掘后，頂板破碎嚴重，頂板下沉破碎形成較多網兜，但兩幫變形量不明顯。在受采動影響時，頂板膨脹變形進一步加劇，造成部分工字鋼梁斷裂、錨桿托盤拉進頂板及錨桿-錨索尾端破斷等現(xiàn)象。2.2巷道圍巖強度1）易膨脹軟巖頂板。巷道頂板巖層中黏土成分含量較大，多為蒙脫石、高嶺石、石英、伊利石的組合，其中蒙脫石的含量達到20.11%～34.91%，強度較低，遇水易膨脹軟化，巷道圍巖強度弱化是頂板破壞失穩(wěn)的主要內因。2）高集中應力。受工作面采動影響時，其前方回風巷應力集中系數(shù)達到3.5，在高集中應力作用下，巷道頂板軟化、破碎，易造成圍巖失穩(wěn)。3）支護強度不足。從頂板離層及部分地段錨桿或錨索不同破斷情況可知，原支護方案錨桿-錨索支護不耦合且支護強度較低，造成錨桿-錨索破斷，不能使錨固圍巖形成有效承載結構體，錨桿-錨索主動支護能力不能有效發(fā)揮。支護強度不足和高集中應力是巷道破壞失穩(wěn)的外因。3線路維護優(yōu)化參數(shù)的數(shù)值模擬3.1留設煤柱錨桿-錨索支護方案1）方案(1)：優(yōu)化巷道位置。為降低上覆及本煤層鄰近工作面采動應力對其回風巷道的影響，已通過前期研究確定了回風巷道位置，即與上覆及鄰近工作面回采巷道內錯布置，與6-1C西一片工作面間留設20m區(qū)段煤柱，如圖1。2）方案(2)：優(yōu)化巷道斷面。為使錨桿-錨索垂直作用于頂板軟巖，充分發(fā)揮其支護能力，降低煤巖界面離層，巷道斷面設計為斜梯形，沿煤層頂板傾斜掘進。3）方案(3)：提高頂板支護強度。通過對鄰近工作面回采巷道變形特征分析，對于西二片工作面回風巷，可通過改變錨桿支護間排距、錨固長度等方式提高頂板支護強度以保證支護效果。方案(1)和方案(2)已在實際工作中實施，主要針對方案(3)，對錨桿支護的間排距、錨索數(shù)量、錨桿預緊力等進行數(shù)值模擬研究，以期得到優(yōu)化的巷道支護參數(shù)，為6-1C西二片工作面及后續(xù)工作面的巷道穩(wěn)定性維護提供依據(jù)。3.2模型的構建根據(jù)西二片工作面地質資料及煤巖物理力學參數(shù)，利用FLAC以巷道實際斜梯形斷面為基準，并借助FLAC3.3模擬結果分析3.3.1頂板錨桿間距根據(jù)回風巷斷面尺寸，分別模擬分析錨桿間距1500mm(3根錨桿）、1200mm(3根錨桿）、1000mm(4根錨桿）和800mm(5根錨桿）時巷道圍巖破壞，不同錨桿間距時巷道圍巖變形破壞情況如圖4。隨著頂板錨桿數(shù)量的增加，巷道頂板的塑性區(qū)范圍進一步減小，巷道圍巖的位移量也進一步減小，但減小的幅度越來越小。當頂板錨桿數(shù)增加到一定的程度，對頂板下沉量的影響已相差不大。這說明對一定的巷道圍巖條件，存在1個合理的錨桿間排距，不但能保證錨桿支護效果，而且能降低支護成本。對比不同間距下頂板的破壞情況可知，當頂錨桿間距減小時，頂板破壞范圍在一定程度上減少，當間距為800mm時，頂板破壞狀態(tài)得到顯著改善。不同間距條件下巷道圍巖變形情況如圖5。隨著巷道頂錨桿數(shù)量的增加，巷道圍巖變形量顯著降低，尤以頂板位移量增幅明顯?？梢姰旐敯邋^桿數(shù)增加到5根時，頂板下沉量的降幅已不明顯，頂板錨桿合理間距為800mm，即采用5根頂錨桿進行支護可起到較理想的支護效果。3.3.2不同排距下圍巖的位移分別模擬分析了錨桿排距為1500、1300、1100、900mm時巷道圍巖破壞及變形情況，不同排距下圍巖的位移統(tǒng)計如圖6。由圖6可知，隨著錨桿布置排距的減小，巷道圍巖的位移量也呈逐漸減小的趨勢。錨桿排距從1300mm到900mm時兩幫和頂板位移量都有較大幅度降低，而錨桿排距小于900mm，巷道圍巖位移量的降幅變小，因此巷道頂板合理錨桿排距為900mm。3.3.3頂板錨索對巷道變形的控制效果分別模擬分析了頂板錨索數(shù)量為0根、1根、2根、3根時巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨索數(shù)量時圍巖的位移如圖7。隨著頂板錨索數(shù)量的增加，回風巷兩幫移近量及頂板下沉量明顯減小，但減小的幅度逐漸變小，頂板錨索對于巷道頂板變形的控制效果較為顯著，說明了頂板錨索對于頂板安全的重要性。但隨著頂板錨索的增多，巷道頂板巖體的破壞范圍縮小，破壞狀況明顯得到改善。由以上對巷道變形的分析并考慮到支護的經濟性，確定巷道頂板同排布置2根錨索。3.3.4錨桿預緊力時圍巖位移情況預緊力是錨桿支護中的關鍵參數(shù)，對支護效果起著決定性作用。分別模擬分析了錨桿預緊力為20、40、60、80kN時巷道圍巖破壞及變形情況，不同錨桿預緊力時圍巖的位移統(tǒng)計如圖8。由圖8可知，隨著錨桿施加的預緊力不斷增加，錨桿對巷道圍巖的主動控制作用逐漸加強，巷道圍巖變形量隨之減小。建議錨桿預緊力不小于60kN，對應預緊扭矩應不小于400N·m。由上述巷道錨桿支護參數(shù)數(shù)值模擬可確定西二片回風巷頂板錨桿間排距為800mm×900mm，錨索間排距1600mm×1800mm，錨桿預緊力為60kN，巷道頂板同排布置2根錨索，為巷道支護方案確定提供依據(jù)。4道路防護效果分析4.1錨索支護對圍巖的完整性將優(yōu)化后的巷道支護參數(shù)在6-1C西二片試驗工作面回采巷道進行了應用，采用鉆孔窺視法對巷道支護效果進行觀測。根據(jù)西二片試驗工作面回采前其頂板鉆孔窺視情況，頂板上方0.6m范圍內煤巖較為破碎，并未有明顯離層現(xiàn)象及大的裂隙存在，有效的控制住了淺部錨固區(qū)圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形與破壞，使圍巖處于受壓狀態(tài)，保持了錨固區(qū)圍巖的完整性。同時錨索將錨桿支護形成的預應力承載結構與深部圍巖相連，提高預應力的承載結構的穩(wěn)定性，同時與錨桿形成的壓力區(qū)組合成骨架網狀結構，保持了圍巖的完整性，錨索錨固及支護范圍內，淺部及深部范圍內頂板均較完整。工作面回采時采動影響下，頂板錨桿錨固區(qū)內存在小的裂隙，同時局部巷道上方1.5m的位置處出現(xiàn)了破碎區(qū)，但是由上圖可以明顯的看出，錨桿錨固區(qū)形成的承載結構有效的阻止了錨固區(qū)外巖層的離層，保證了頂板的完整性；錨索錨固區(qū)內頂板較為完整，未發(fā)現(xiàn)裂隙及離層的存在，同時其錨索范圍內頂板完整性較好?？傮w來講，錨桿、錨索錨固范圍內巷道上方頂板在采動應力影響下未發(fā)生大的離層現(xiàn)象，取得了較好的支護效果。4.2頂?shù)装遄冃瘟吭黾庸ぷ髅媲胺?0m范圍內巷道變形量如圖9。結合現(xiàn)場觀測可知，回采期間，采空區(qū)側超前工作面50m巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵七M量逐漸增加，同時在工作面來壓期間（如第1個折點處）巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟吭黾臃茸兇?，至工作面前?6m左右巷道頂?shù)装遄冃瘟考眲≡黾印Ρ纫郧盎夭晒ぷ髅嫦锏赖淖冃味?，該支護條件下頂板及煤幫的變形得到了較好的維護，為安全高效生產創(chuàng)造了條件。5確定錨固錨桿錨索組合支護方案1）對于高膨脹軟巖巷道，易膨脹軟巖頂板強度低，遇水易膨脹軟化，這是頂板破壞失穩(wěn)的內因，圍巖高集中應力及支護強度不足是外因；可通過優(yōu)化巷道布置方式、加強支護提高巷道穩(wěn)定性。2）確