細(xì)粒砂巖頂板掘進(jìn)巷道穩(wěn)定性分析

細(xì)粒砂巖頂板掘進(jìn)巷道穩(wěn)定性分析

新豐采礦二礦測定生產(chǎn)能力為21.14噸/a，井距長430m，傾斜寬1600m，井距6.9.14m。井田采用斜井雙水平開拓,第一水平采用片盤斜井開拓;第二水平標(biāo)高為-210m,采用暗斜井分區(qū)式上、下山開拓,礦井采用中央并列抽出式通風(fēng)。礦井開采二疊系石盒子組五2煤層,煤層厚度一般為1.0～1.2m,煤層普氏系數(shù)f=3～4;井田范圍內(nèi)煤層屬單斜構(gòu)造,煤層傾角16°左右;煤層容重為1.6t/m2;五2煤層屬于煙煤,低瓦斯煤層,但煤塵有爆炸危險性,爆炸指數(shù)為22.34%。礦井-210m水平運輸大巷變形破壞嚴(yán)重,影響到巷道的安全使用和礦井生產(chǎn)的正常接替,巷道維護(hù)費用高,困繞著礦井經(jīng)濟(jì)效益的提高,所以對運輸大巷變形破壞機(jī)理和治理措施進(jìn)行研究十分必要。根據(jù)運輸大巷附近的礦井0473鉆孔資料,五2煤層直接頂為頁巖,厚度5.09m;老頂為灰色中細(xì)粒砂巖,含有結(jié)核,厚度13.68m;煤層底板為厚層砂質(zhì)泥巖。五2煤層采用走向長壁采煤法,采煤工作面爆破落煤,利用單體液壓支柱與兀型鋼梁組合成主、副梁支護(hù)頂梁,刮板輸送機(jī)運煤,采煤工作面實現(xiàn)正規(guī)循環(huán)作業(yè)。1運輸大巷圍巖結(jié)構(gòu)及圍巖應(yīng)力分析-210m水平運輸大巷沿五2煤層砂巖老頂掘進(jìn),巷道位于五2煤層直接頂頁巖內(nèi)。為保持砂巖頂板的完整性,巷道選用梯形斷面,斷面規(guī)格寬度×(下幫高+上幫高)為4.0m×(2.5m+3.5m);巷道頂板為裸體,兩幫采用料石墻支護(hù),料石墻厚度為500mm,其中巷道上幫的料石墻上部采用石墩支撐頂板,石墩高度800mm。運輸大巷內(nèi)鋪設(shè)軌道,采用7t架線式電機(jī)車運輸,同時作為二水平上下山階段進(jìn)風(fēng)、行人大巷,大巷服務(wù)年限長達(dá)十余年。運輸大巷地面標(biāo)高+225m,巷道埋深435m,1996年掘出使用后,在原巖應(yīng)力作用下,料石墻支護(hù)的巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。直到2000年大巷上、下兩側(cè)工作面采完后,運輸大巷處于兩側(cè)采空的大巷保護(hù)煤柱內(nèi),保護(hù)煤柱寬度為90～110m,如圖1所示,受到煤柱固定支承壓力的作用,運輸大巷圍巖應(yīng)力升高,巷道圍巖持續(xù)變形,主要表現(xiàn)在底板鼓起、兩幫內(nèi)移,造成巷道下幫料石墻中部開裂成縫,縫寬達(dá)到50mm;上幫料石墻開裂,墻上部石墩壓碎,上幫片幫嚴(yán)重,料石墻處于極限破壞狀態(tài)。水準(zhǔn)測量結(jié)果表明運輸大巷砂巖頂板無下沉,裸體狀態(tài)的頂板處于穩(wěn)定狀態(tài),僅巷道兩幫和底板發(fā)生移動。由于巷道反復(fù)臥底后,導(dǎo)致底板五2煤層露出,說明臥底高度達(dá)到0.5～1.0m,底鼓速度達(dá)到0.4～0.8mm/d,巷道圍巖移動范圍較大,圍巖松動破壞區(qū)較大。2-210m水平運輸走廊變形破壞機(jī)及處理2.1圍巖有效載荷系數(shù)巷道掘出后圍巖應(yīng)力重新分布,當(dāng)圍巖應(yīng)力大于圍巖長時強(qiáng)度時,圍巖應(yīng)力調(diào)整和重新分布的結(jié)果,在巷道周圍出現(xiàn)了塑性區(qū),其中塑性區(qū)內(nèi)低于原巖應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的巖石,對應(yīng)于巖石全應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后區(qū)內(nèi)破壞巖石狀態(tài),該區(qū)內(nèi)巖石處于破裂狀態(tài)稱為巷道圍巖松動圈。只有當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于圍巖應(yīng)力時,巷道周邊不產(chǎn)生松動圈,此時松動圈值為零,巷道實際不存在支護(hù)問題,為裸體巷道或巷道僅進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)可以保持圍巖的長期穩(wěn)定。巷道圍巖松動圈發(fā)展形成有一時間過程,小松動圈需要3～7d,大松動圈需要1～3個月。同一圍巖的巷道中,圍巖應(yīng)力愈大,松動圈也愈大;同一應(yīng)力條件下,巖石強(qiáng)度越低,松動圈也越大;采動造成圍巖松動圈擴(kuò)張。相似材料模擬試驗表明,圍巖松動圈具有一定的形狀,在靜水應(yīng)力場中,圍巖松動圈為圓形;如果圍巖為非均質(zhì)性巖層,在巖石強(qiáng)度低的層位將產(chǎn)生較大的松動圈。巷道支護(hù)的作用是減少和抵抗松動圈內(nèi)破碎巖石的碎脹變形;松動圈愈大,巷道支護(hù)愈困難,所以松動圈大小與巷道支護(hù)的難易程度相關(guān)。由于在一定支護(hù)條件下巷道圍巖穩(wěn)定與變形狀態(tài)是圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度作用的結(jié)果,為此引用圍巖有效載荷系數(shù)C來反映不同采深、不同巖性和不同采動條件下巷道圍巖的穩(wěn)定性、巷道圍巖松動圈的大小以及圍巖變形特性:C=KγH/R0(1)式中:K——圍巖應(yīng)力集中系數(shù):以自重應(yīng)力為主的原巖應(yīng)力作用下K為巷道周邊應(yīng)力集中系數(shù),取1.3;采動影響時,K為支承壓力在巷道位置引起的應(yīng)力集中系數(shù)的1.3倍;γ——上覆巖層平均容重,MN/m3;H——巷道埋深,m;R0——巖石單向抗壓強(qiáng)度,MPa。實測結(jié)果表明,當(dāng)有效載荷系數(shù)C≤0.45時,圍巖變形速度V=0,巷道圍巖長期處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)有效載荷系數(shù)C>0.45時,巷道圍巖開始流變,隨有效載荷系數(shù)的增大,巷道圍巖變形速度單調(diào)增大。對于錨噴支護(hù)和料石砌碹支護(hù)的巷道,當(dāng)圍巖有效載荷系數(shù)一定時,巷道圍巖變形速度在某一區(qū)間內(nèi)變化,平均變形速度VˉˉˉVˉ與有效載荷系數(shù)C的關(guān)系為:Vˉˉˉ=0.79C?0.36(2)Vˉ=0.79C-0.36(2)式中:VˉˉˉVˉ——巷道頂?shù)装迤骄平俣?mm/d。對于煤層底板巷道,跨采時移動支承壓力在底板巷道引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)K,是移動支承壓力影響區(qū)范圍L、采動在工作面前方煤體上引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)Km,以及底板巷道距上方煤層底板垂距Z的函數(shù),即K=f(L,Km,Z),隨L,Km增大和Z值減小,K值增大。由于跨采時,在移動支承壓力作用下,底板巷道圍巖變形速度大、變形量大,但移動支承壓力對底板巷道作用時間短,為此用有效載荷系數(shù)來反映不同采深、不同巖性的底板巷道,跨采期間圍巖變形量的大小,即:U=368(C-0.439)1/2(3)式中:U——跨采引起底板巷道頂?shù)装逡平?mm。開灤礦務(wù)局趙各莊礦對不同采深、不同巖性的開拓巷道圍巖松動圈實測結(jié)果表明,巷道圍巖松動圈厚度與圍巖應(yīng)力、圍巖巖性之間,具有下列關(guān)系:LP=1.315(C-0.451)1/2(4)式中:LP——松動圈厚度,m;新峰二礦-210m水平運輸大巷,頂板為強(qiáng)度高的特厚層砂巖(R0≥75MPa)。五2煤層開采后,由于直接頂厚度與采高的比(充填系數(shù))為3.39,直接頂冒落后能充滿采出空間,造成老頂下沉量很小,老頂來壓不明顯;但由于老頂強(qiáng)度高,周期來壓步距大,可以大面積懸頂,引起工作面前方支承壓力影響區(qū)范圍和應(yīng)力集中系數(shù)較大。數(shù)值模擬計算表明,大巷保護(hù)煤柱處于兩側(cè)采空后,煤柱中部大巷圍巖應(yīng)力集中系數(shù)K=1.4～1.8。由于運輸大巷兩幫和底板為強(qiáng)度低(R0=20MPa)、遇水泥化的軟巖,在原巖應(yīng)力作用下,巷道圍巖有效載荷系數(shù)為0.76,巷道圍巖松動圈LP=0.73m,圍巖處于較穩(wěn)定狀態(tài),采用剛性支護(hù)的料石墻可以保持圍巖的長期穩(wěn)定;但受采動影響后,特別是受兩次采動影響后,巷道圍巖有效載荷系數(shù)增大為1.06～1.37,巷道圍巖松動圈增大為LP=1.03～1.26m,計算值與現(xiàn)場利用超聲波實測的巷道兩幫圍巖松動圈厚度相一致,巷道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài),造成剛性支護(hù)的料石墻內(nèi)移開裂,巷道底鼓嚴(yán)重,影響到巷道的安全使用和礦井接替的正常進(jìn)行。所以圍巖巖性差、采動影響以及支護(hù)方式選擇不當(dāng),是運輸大巷變形破壞的主要原因,也是三者綜合作用的結(jié)果。2.2巷道兩幫和底板圍巖的長期穩(wěn)定性由于運輸大巷還必須為礦井接替的下山采區(qū)服務(wù),服務(wù)年限長達(dá)十余年,因此要求大巷翻修后必須保持圍巖的長期穩(wěn)定,特別是巷道兩幫和底板圍巖的長期穩(wěn)定。根據(jù)運輸大巷變形破壞機(jī)理、組合拱理論和松動圈支護(hù)理論,巷道翻修刷大后,首先噴射一層混凝土封閉巷道兩幫圍巖,然后采用以內(nèi)加固為主的錨注支護(hù)技術(shù),利用水泥注漿提高破碎圍巖強(qiáng)度和整體性能,并利用錨桿加固圍巖,提高圍巖承載能力,是保持運輸大巷長期穩(wěn)定的有效措施。3圍巖穩(wěn)定性分析特厚層堅硬頂板梯形斷面的運輸大巷,兩幫和底板位于頁巖中,頂板處于裸體狀態(tài),采用