深部高應(yīng)力軟巖巷道破壞特征及成因分析

深部高應(yīng)力軟巖巷道破壞特征及成因分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對教育資源的需求日益增加。平方部落的財務(wù)費(fèi)用越來越少，逐漸進(jìn)入深部。然而深部巖體處于“三高一擾動”的惡劣環(huán)境但地質(zhì)條件不同，巷道采取得支護(hù)方式也不同。貴州煤礦構(gòu)造發(fā)育，造成深部高應(yīng)力且應(yīng)力復(fù)雜、圍巖松散破碎、軟巖遇水膨脹應(yīng)力大，支護(hù)效果不理想。因此以貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷為工程背景，通過現(xiàn)場調(diào)查、實驗研究、理論分析總結(jié)該巷道破壞的原因，并提出“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案。通過理論分析、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測驗證，實驗結(jié)果表明設(shè)計方案支護(hù)效果良好，為該類條件下的巷道支護(hù)提供一定借鑒。1項目總結(jié)1.1mpa貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷埋深970m，垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖多以泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，成分中以黏土礦物居多，黏土礦物中又以蒙脫石為主要成分，使得巷道圍巖的吸水性和膨脹性增強(qiáng)，屬于典型的高應(yīng)力工程軟巖巷道。1.2高強(qiáng)螺紋鋼錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索的布置巷道原斷面為半圓拱型，采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)方案，如圖1所示，采用?20mm×2400mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，其間排距700mm×700mm;?21.6mm×6000mm的預(yù)應(yīng)力錨索，其間排距1600mm×1600mm;鋼筋網(wǎng)采用?6mm鋼筋焊接，規(guī)格為1800mm×700mm，網(wǎng)格為120mm×120mm，支架是291.3x-射線衍射分析采取巖樣在室內(nèi)進(jìn)行圍巖成分分析，用Panalytical多功能粉末X射線衍射儀，分析結(jié)果見表1。通過分析可知，圍巖成分中黏土礦物含量居多，黏土礦物中親水性最強(qiáng)的蒙脫石含量占45%，使得圍巖膨脹性和吸水性顯著。2道路變形特征及原因分析2.1巷道礦壓的現(xiàn)狀井下巷道變形實拍如圖2所示，可得在高應(yīng)力軟巖條件下的回采巷道出現(xiàn)了巷道斷面變形大、兩幫收縮、托盤彎曲、錨索松脫、支架變形、網(wǎng)兜破裂等礦壓顯現(xiàn)，造成了巷道的嚴(yán)重變形和破壞。2.2巷道圍巖破壞原因巷道失穩(wěn)破壞的影響因素頗多，經(jīng)現(xiàn)場勘察和查閱相關(guān)地質(zhì)資料分析，主要包括以下原因:1)地質(zhì)條件。埋深970m，屬于深部開采，垂直應(yīng)力約20MPa。巷道圍巖巖石成分中以黏土礦物為主，所含黏土礦物中蒙脫石、高嶺石含量73%，遇水易產(chǎn)生較大的膨脹壓力，從而導(dǎo)致圍巖松散破碎，在高應(yīng)力作用下，圍巖塑性變形和流變特性顯著，巷道變形大易失穩(wěn)，這是巷道變形破壞的內(nèi)在原因。2)支護(hù)方式。該巷道支護(hù)方式為傳統(tǒng)巷道支護(hù)，由圖2可知，井下巷道支護(hù)構(gòu)件發(fā)生了嚴(yán)重的破壞與失效，說明了該支護(hù)方式在應(yīng)力高、圍巖變形大的條件不適應(yīng)。3)采動影響。在工作面推進(jìn)的過程中，巷道受到采動的重復(fù)疊加影響，使得圍巖的完整性降低。增加了圍巖與礦井水的接觸面。4)圍巖滲水。巷道圍巖表面滲水嚴(yán)重，圍巖巖性為親水性的黏土型礦物吸收后，形成了較大膨脹力，使得圍巖的破碎程度加劇，從而使得圍巖的承載能力大大降低。3回采道的投資和理論分析3.1高強(qiáng)注漿錨索支架根據(jù)巷道變形破壞的特征及原因，有針對性的對巷道進(jìn)行合理支護(hù)，提出了“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+注漿+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)，如圖3所示。采用?25mm×3000mm的高強(qiáng)注漿錨桿，其間排距800mm×800mm;采用?29mm×7000mm的高強(qiáng)注漿錨索，其間排距1600mm×1600mm;支架采用型號為36的U性可縮性支架，棚距為800mm×800mm;注漿的水泥砂漿配合比為水泥∶沙子∶水=1∶3∶0.4，速凝劑的比列為水泥用量的3%～5%此次方案根據(jù)巷道圍巖實際情況調(diào)整了錨桿索及支架規(guī)格和間排距，通過注漿對破碎圍巖進(jìn)行填充，增加巷道圍巖的完整性和穩(wěn)定性以及減少巷道圍巖與水接觸面，防止巷道圍巖遇水產(chǎn)生的膨脹力，提高了圍巖的力學(xué)性質(zhì)，讓錨桿索支護(hù)構(gòu)件不會因為圍巖破碎而失去支護(hù)效果，大大的發(fā)揮了錨桿錨索支護(hù)作用。3.2計算錨桿的間排距及錨固力根據(jù)懸吊理論，錨桿長度L可由式(1)計算:式中，L式中，f為普氏巖石堅固性系數(shù);B為巷道寬度，m;h為巷道掘進(jìn)高度，m;φ為巖體內(nèi)摩擦角，(°)。根據(jù)現(xiàn)行實測和實驗結(jié)果可得:f=2;B=5.2m;h=3.2m;φ=24°。將以上數(shù)據(jù)代入式(2)中可得L根據(jù)每根錨桿懸吊的巖重，計算錨桿的間排距S式中，Q為錨桿設(shè)計錨固力，取80kN/根;K為錨桿安全系數(shù)，取2;γ為巖石體積力，取27kN/m根據(jù)錨桿截面積計算公式:式中，A為錨桿截面積，mm錨索長度應(yīng)滿足下式:式中，L為錨索全長，m;L根據(jù)塑性芬納(Fenner)公式式中，p根據(jù)庫倫準(zhǔn)則:式中，τ為圍巖剪切強(qiáng)度，MPa;c為圍巖黏聚力，MPa;σ為剪切面上的正應(yīng)力，MPa;φ為圍巖內(nèi)摩擦角，(°)。可以用莫爾極限應(yīng)力圓直觀的表示庫倫準(zhǔn)則，如圖4所示。由圖4可知，錨注后圍巖強(qiáng)度明顯大于錨注前的圍巖強(qiáng)度。因為錨注后增加了圍巖粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而增大了圍巖的剪切強(qiáng)度，提高了圍巖穩(wěn)定性。4支出計劃的值的模擬分析4.1模型的構(gòu)建運(yùn)用Flac4.2巷道圍巖結(jié)構(gòu)特點由圖5中原支護(hù)和設(shè)計支護(hù)所對應(yīng)的位移、應(yīng)力云圖對比分析可知，應(yīng)用設(shè)計支護(hù)方案后巷道頂板最大位移量從160mm下降至45mm，巷道最大底鼓量從60mm下降至40mm;巷道兩幫最大移進(jìn)量從60mm下降至14mm;最大主應(yīng)力由24MPa增加到28MPa。注漿改變了巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角;增強(qiáng)了破碎圍巖的完整性，減少了圍巖與水的接觸面，降低了因圍巖內(nèi)所含的黏土礦物遇水膨脹所產(chǎn)生的膨脹力。5巷道斷面監(jiān)測結(jié)果分析為驗證支護(hù)方案現(xiàn)場效果，采用YJDM3.6礦用激光巷道斷面監(jiān)測儀在141713運(yùn)輸巷80m的范圍內(nèi)監(jiān)測斷面共有6個測點，每10m一個測點。并進(jìn)行了60天的現(xiàn)場監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測時期的前、中、后，在監(jiān)測數(shù)據(jù)中，選取了監(jiān)測前期、監(jiān)測中期、監(jiān)測后期3組頗具代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，巷道斷面監(jiān)測結(jié)果對比如圖6所示。從圖6中的巷道斷面監(jiān)測結(jié)果可知在巷道支護(hù)完成后20d斷面收斂率為2.92%;40d斷面收斂率為6.43%;60d的收斂率為9.87%，總的來說，巷道平均收斂率為6.41%，巷道圍巖總體變形量不大，不影響實際的生產(chǎn)。6巷道支護(hù)方案設(shè)計1)貴州土城煤礦141713運(yùn)輸巷屬于高應(yīng)力工程軟巖巷道，地質(zhì)條件差、圍巖強(qiáng)度低，圍巖黏土礦物占比大、支護(hù)方式不適應(yīng)、采動影響、高應(yīng)力和圍巖滲水是該巷道變形破壞的主要原因。2)根據(jù)巷道破壞特征及破壞原因，提出“錨桿/索