大傾角煤層巷道沖擊破壞及支護技術(shù)研究

大傾角煤層巷道沖擊破壞及支護技術(shù)研究

中國約87%的地壓發(fā)生在挖掘和開采道路上，這對道路的正常使用造成了重大威脅。平莊礦區(qū)古山煤礦開采煤層傾角大，風(fēng)化嚴重，沖擊地壓頻繁發(fā)生，巷道非對稱破壞嚴重，常規(guī)支護控制難以滿足要求，而以往的有關(guān)大傾角巷道圍巖控制研究基本集中于軟煤等非沖擊地壓巷道1巷道圍巖破壞特征古山煤礦主采煤層為褐煤，煤層厚度平均為15m，傾角為28°左右，開采深度為500m，綜采放頂煤開采工藝。煤層具有弱沖擊傾向性；頂板為輝綠巖，具有強沖擊傾向性；煤層底板為中粒砂巖，具有弱沖擊傾向性。礦井最大主應(yīng)力為22MPa；中間主應(yīng)力為10MPa；最小主應(yīng)力為9MPa?；夭晒ぷ髅鎯上锶坎贾迷诿簩又?，采用錨(索)網(wǎng)橫斷面對稱支護。兩幫錨桿采用單向左旋無縱筋螺紋鋼，規(guī)格為Φ22mm×L2200mm，間排距800mm×800mm；頂板采用規(guī)格為Φ21.8mm×L6300mm的錨索，間排距1200mm×1600mm。工作面超前支護范圍及圍巖破碎區(qū)域采用了工字鋼與單體柱加強支護。至今，累計發(fā)生4次較為嚴重的沖擊地壓顯現(xiàn)，造成數(shù)百米巷道嚴重破壞。統(tǒng)計歷次沖擊地壓案例，沖擊地壓主要發(fā)生在兩幫實體煤的運輸巷，其變形、破壞具有兩大特征：1)錨桿支護錨固體整體脫落。沖擊地壓發(fā)生在回采工作面的實體煤巷道(圖1)，巷道兩幫收縮，底板瞬間鼓起，并且局部區(qū)域出現(xiàn)錨索拉斷、錨桿脫落，連同頂煤冒落，較嚴重區(qū)域巷道幾乎閉合。2)巷道變形具有非對稱性。沖擊發(fā)生后的大部分巷道圍巖變形表現(xiàn)出非對稱性，即與煤層傾斜垂直方向，巷道一側(cè)肩窩和對應(yīng)的底角變形劇烈。2大傾角頂板對地壓道路的破壞2.1道路圍巖的固體作用2.1.1錨桿軸力波動式變化采用錨網(wǎng)、桿、索聯(lián)合支護的巷道，發(fā)生沖擊地壓后，淺部圍巖連同錨桿脫落，頂錨索被拉斷，為了對該礦巷道支護質(zhì)量進行評價，分析圍巖大變形原因，以錨桿軸力為檢測指標(biāo)，在三井西067-1運輸巷開口向里50～500m范圍選取若干斷面進行無損檢測。每個斷面的頂板、上下兩幫各測量2～3根錨桿的軸力，每個斷面測量6～9根錨桿。由圖2可知，三井西067-1運輸巷從巷道口開始向里錨桿軸力呈波動式變化，軸力整體上逐漸減小，距離巷口77～307m巷道的平均軸力在60kN左右，340～435m巷道的平均軸力在40kN左右，下降了約20kN。同一斷面軸力最大值和最小值差別較大，最大差值可達65kN。具體對每個測量斷面不同位置的錨桿軸力進行統(tǒng)計(圖3)發(fā)現(xiàn)，部分斷面存在明顯差異，例如341,387m處等。在距巷道口77～275m這段距離頂板錨桿的軸力最大，而在352～435m這段距離頂板錨桿的軸力最小，下幫錨桿的軸力最大。三井西067-1運輸巷錨桿軸力的區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。由圖可見，24%錨桿軸力位于10～39kN這個區(qū)間，軸力偏低，說明近四分之一錨桿的能力未得到充分利用。2.1.2錨固體力學(xué)分析根據(jù)能量守恒理論，能量只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。而沖擊地壓的發(fā)生即是巨大能量瞬間作用在巷道周圍的錨固體上，導(dǎo)致其發(fā)生破壞。在更大的錨桿軸力作用下，錨固體的破壞更為困難，縱使發(fā)生破壞也能夠吸收更多的能量，有效地降低沖擊地壓的劇烈程度。因此，錨桿軸力的大小是維護圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減弱巷道變形，以及防沖、減沖的關(guān)鍵參數(shù)。由現(xiàn)場測試可得，三井西067-1運輸巷錨桿軸力從外向內(nèi)逐漸減低(圖2)，由平均60kN降低至40kN，并且同一巷道斷面頂板與上下幫錨桿軸力差異也較大(圖3)，考慮到這段巷道由同一掘進隊施工，人為因素影響相對較小。再考慮地質(zhì)因素，6-2煤層為褐煤，強度較低，裂隙較為發(fā)育。煤體破碎使得單個錨桿與圍巖形成的錨固體之間相互獨立，錨固結(jié)構(gòu)的整體性差，從而使得形成的有效壓應(yīng)力區(qū)范圍小、孤立分布，如圖5所示。錨桿支護在零壓力區(qū)幾乎沒有加固圍巖的作用，多數(shù)錨固體發(fā)生整體外移，在巷道圍巖變形破壞過程中，錨固體受到的拉力和剪切力較小，此時錨桿軸力就會相對較弱。并且，隨著時間的推進，巷道表面煤體逐漸風(fēng)化，錨桿托盤附近煤體受風(fēng)化作用開始掉落，也會導(dǎo)致錨桿軸力的降低。軸力較低表明巷道圍巖內(nèi)的錨固結(jié)構(gòu)整體性差，在每個錨固體之間存在零壓力區(qū)。這些零壓力區(qū)中的弱面及節(jié)理沒有錨桿的作用，在沖擊載荷作用下迅速破壞，連同錨桿整體沖出，起不到抵抗沖擊載荷的作用，因而表現(xiàn)出如圖1的全斷面破壞。2.2道路圍巖的非對稱破壞原理2.2.1巷道圍巖非對稱變形載荷由現(xiàn)場觀察，沖擊地壓發(fā)生后，巷道一側(cè)肩窩和對應(yīng)的底角變形劇烈?，F(xiàn)對其原因進行分析。巷道兩側(cè)的支承壓力和頂?shù)装鍍?nèi)的構(gòu)造應(yīng)力是沖擊地壓發(fā)生的重要力源。如圖6(a)所示，運輸巷掘進開挖后，圍巖應(yīng)力進行調(diào)整，巷道兩側(cè)形成支承壓力區(qū)，該區(qū)域?qū)ο锏理敯寮吧细矌r體起到主承載作用，也將上部載荷傳遞到巷道底板內(nèi)，與水平構(gòu)造應(yīng)力共同對巷道底板形成擠壓作用，經(jīng)過一段時間，圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。巷道圍巖內(nèi)主作用力的方向與煤層傾角相垂直。巷道準平衡狀態(tài)圍巖承載：水平方向P巷道沖擊狀態(tài)圍巖承載：水平方向P如圖6(b)所示，在巷道掘進過程中，距離巷道不遠處巖漿巖局部侵入程度高，煤層頂板為輝綠巖，底板為玄武巖，在該煤巖組合處多發(fā)生大能量微震事件，以應(yīng)力波的形式迸發(fā)大量彈性能，應(yīng)力波擾動下巷道支承壓力水平和構(gòu)造應(yīng)力水平瞬時升高，主作用力也相應(yīng)升高，當(dāng)動靜載荷疊加后的總載荷超過沖擊地壓的臨界載荷時發(fā)生沖擊顯現(xiàn)。沖擊發(fā)生后圍巖應(yīng)力將會經(jīng)歷先降低再升高的再調(diào)整期，如圖6(c)所示。本煤層傾角28°左右，水平構(gòu)造應(yīng)力近似于垂直應(yīng)力的2倍，促使巷道圍巖主作用合力大致與煤層傾向正交，導(dǎo)致傾斜煤層巷道沖擊方向與煤層傾向方向正交。2.2.2彈性能對角分布對于沖擊地壓巷道的支護系統(tǒng)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定是基礎(chǔ)任務(wù)，更重要的任務(wù)是抵抗動載沖擊破壞。圖7是巷道圍巖內(nèi)彈性能分布云圖和煤巖體加速度矢量分布圖。由圖可知，巷道圍巖內(nèi)彈性能集中在巷道的頂?shù)装鍍?nèi)，加速度較大的區(qū)域呈對角分布，并且表現(xiàn)為彈性能較大的區(qū)域煤巖體加速度卻較小。當(dāng)系統(tǒng)達到?jīng)_擊地壓發(fā)生臨界值時，加速度最大的區(qū)域最先運動，能量大多是沿著加速度最大的路徑流動。因此巷道圍巖內(nèi)加速度最大的區(qū)域即是最有可能的沖擊能量迸發(fā)通道，加速度方向正對的圍巖即是最可能的沖擊顯現(xiàn)地點，即巷道的左上角和右下角圍巖，無論煤層賦存如何傾斜，沖擊能量迸發(fā)通道大致與巷道圍巖主作用力方向一致，即與煤層傾向方向近似垂直。3大傾角煤層影響地壓道路圍巖維護3.1錨索網(wǎng)噴復(fù)合支護工藝通過前文分析，隨著破碎煤層巷道淺部圍巖強度劣化，錨桿軸力下降明顯，錨桿支護區(qū)域處于低應(yīng)力區(qū)域，遭受動力沖擊時，錨固體整體脫落；同時沖擊地壓巷道存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，在煤層傾角的調(diào)整作用下，產(chǎn)生了與煤層傾角近似垂直的沖擊能量迸發(fā)通道，導(dǎo)致巷道破壞具有非對稱性。為了解決這兩方面的問題，針對錨固體整體脫落問題提出將幫錨桿改為幫錨索，并增加防風(fēng)化噴漿；針對非對稱破壞問題，提出針對沖擊能量迸發(fā)區(qū)域進行非對稱加強支護，即在煤層傾向垂直方向的肩部與底角加強錨索支護。巷道全斷面錨索、網(wǎng)、噴聯(lián)合非對稱支護如圖8所示，具體參數(shù)如下：1)錨索：材質(zhì)為鋼絞線，錨索直徑21.8mm，具體錨索長度詳見圖8，間排距900mm×900mm，外露長度≤300mm，孔徑28mm，錨固長度2000mm，張拉強度25MPa，緊跟工作面打設(shè)，不大于1個排距1600mm，錨索攪拌位置上均勻布置3mm厚的卡箍。2)鋼筋網(wǎng)：由Φ6mm盤條上下焊接編織而成，網(wǎng)孔100mm×100mm，規(guī)格為1.0m×1.3m，鋼筋網(wǎng)緊貼煤壁，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間采用對接方式，扣扣相連，鋼筋鉤盤回角度不小于180°。3)錨網(wǎng)噴復(fù)合支護工藝及要求：(1)噴射材料為不低于32.5級硅酸鹽水泥、河砂、碎石和速凝劑(型號為J85)。(2)壓風(fēng)機供風(fēng)壓力為0.5MPa左右，水壓比風(fēng)壓高0.1MPa左右，保證噴嘴處風(fēng)壓0.1MPa左右、水壓0.2MPa左右。邊墻回彈率控制小于15%，拱部小于25%。(3)混凝土配比為m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（骨料）∶m（速凝劑）=1∶0.45∶2.78∶3.40∶0.03，并根據(jù)實際取最佳配比值。(4)速凝劑必須在加料的同時加入。(5)噴射作業(yè)時，噴頭口至噴射面的距離為0.5～1.0m。(6)噴頭與噴射面應(yīng)保持垂直。(7)混凝土噴層厚度為100mm。巷道幫壁不許有露筋現(xiàn)象。其他設(shè)計參數(shù)如圖8所示。3.2支出的分析3.2.1索的底部周邊應(yīng)力為了分析上述方法對巷道沖擊破壞的適應(yīng)性，如圖9所示，采用FLAC在云圖中可以看到，錨索的尾部附近出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，約為60kPa。由等值線圖可以觀察到，巷道的左上角和右下角的支護強度有了大幅升高，使得支護應(yīng)力場峰值出現(xiàn)在巷道的左上角，巷道右下角的支護應(yīng)力也較大，說明從支護應(yīng)力場角度最為適合該煤礦的地質(zhì)及地應(yīng)力條件，符合防沖要求。3.2.2動載擾動下巷道圍巖塑性區(qū)分布為了確定動載擾動較為頻繁的沖擊地壓巷道的支護形式，對動載擾動下巷道圍巖內(nèi)塑性區(qū)分布進行分析。其中，動載包括底板和上幫內(nèi)釋放的10由圖10可知，非對稱支護方法在104巷道圍巖變形量監(jiān)測古山礦三井西068工作面平均開采深度為530m，工作面傾斜長110m，走向長650m，工作面位置如圖11所示。本工作面開采6-2煤層，煤層平均厚度為15m，傾角為30°，輝綠巖頂板厚度為200m左右，砂巖底板厚度為40m。在距離三井西068工作面運輸巷巷口300～500m范圍采用了論文提出的全斷面錨索、網(wǎng)、噴聯(lián)合非對稱支護方式?；夭蛇^程中超前支護范圍采用單體液壓支柱進行輔助支護。支護試驗范圍都在ARAMIS微震監(jiān)測范圍內(nèi)，并且都設(shè)置了圍巖多點位移計進行變形量監(jiān)測。圖12為全斷面監(jiān)測點示意圖。采用圍巖多點位移計對巷道各方位的圍巖變形進行監(jiān)測，淺基點布置深度2.5m，深基點布置深度6.5m。西068工作面推進過程中，在試驗區(qū)發(fā)生一次震級達ML2.6級沖擊地壓。圖13為沖擊事件發(fā)生后2種支護方法下不同觀測深度巷道全面變形量對比柱狀圖。由圖13可見，在相同的卸壓措施條件下，無論是淺基點還是深基點觀測，采用全斷面非對稱錨索支護方法后圍巖變形量都較小，表明該方法不僅提高了巷道圍巖抵抗沖擊地壓破壞的能力，而且大大減小了巷道圍巖變形量。5非對稱支護機理1)隨著巷道淺部圍巖強度劣化，錨桿軸力衰減嚴重，錨固體處于壓力降低區(qū)，在沖擊載荷作用下易發(fā)生整體脫落。全斷面錨索支護能夠擴大有效壓應(yīng)力區(qū)的范圍，形成更大、更穩(wěn)定的主動支護區(qū)，對于減緩巷道變形、保持圍巖穩(wěn)定、抵抗沖擊載荷均能起到重要的作用。2)沖擊地壓巷道