特厚煤層綜放面軟巖巷道支護(hù)變形相似模擬研究

特厚煤層綜放面軟巖巷道支護(hù)變形相似模擬研究

此外，跨采區(qū)的連續(xù)提升不僅不需要留下保護(hù)立柱，更少的開(kāi)挖和切割，還節(jié)省了設(shè)備的移動(dòng)時(shí)間和成本。然而，由于采空的影響和影響較小，傳統(tǒng)的提升維護(hù)技術(shù)很少，但受到強(qiáng)烈的采空的影響后，道路維護(hù)變得困難，難以使用。例如，自采礦1304-1井以來(lái)，波甸-北翼煤礦的開(kāi)采區(qū)域一直位于1304-1號(hào)斷面。下井的巖石主要為泥巖，巖石性質(zhì)較差，裂縫發(fā)育。因此，在動(dòng)壓的作用下，軌道大、皮條和主要巖石集中道路受到嚴(yán)重破壞。到目前為止，一些地區(qū)已經(jīng)修復(fù)了4.5次。在修復(fù)過(guò)程中，采用馬蹄形29u鋼支撐仍損壞底鼓和框架。因此，對(duì)提高礦山安全生產(chǎn)和采礦效率具有重要意義。1深灰色粉砂巖鮑店煤礦北翼采區(qū)軌道石門(mén)、皮帶石門(mén)、軌道大巷、皮帶大巷及主要巖石集中巷,主要位于3煤底板太原組灰黑色泥巖至五灰之間的地層中,與3煤底板的距離約45m左右,巷道埋深在410～430m之間.其間的主要巖層有灰黑色泥巖、深灰色粉砂巖、淺灰色鋁質(zhì)泥巖,局部含三灰和薄煤層等,它們的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)有以下特點(diǎn):1)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖中的主要粘土礦物成分為高嶺石、伊利石及伊蒙混層礦物.泥巖中伊蒙混層含量最大,其力學(xué)性質(zhì)和工程特性也最差.2)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的結(jié)構(gòu)特征基本上屬于紊流狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu),宏觀表現(xiàn)為干燥狀態(tài)下巖塊有一定強(qiáng)度,各向異性比較明顯.但巖石中含有許多尺寸不一的微裂隙、微孔隙,這些微觀缺陷的存在不但削弱了巖石的強(qiáng)度,同時(shí)使得水分子極易滲入到巖石內(nèi)部,削弱巖石顆粒間的粘結(jié)力,從而引起巖石膨脹、軟化、崩解.3)泥巖遇水后膨脹性不大,破壞方式主要是崩解與碎裂.但由于水的存在,使得泥巖的軟化系數(shù)達(dá)0.24～0.10,而抗拉強(qiáng)度更是大幅度降低.2支護(hù)形式模擬試驗(yàn).為了確定跨采軟巖巷道合理、有效的加固支護(hù)形式,在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)巖層控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相似材料模擬試驗(yàn).試驗(yàn)旨在通過(guò)對(duì)同一圍巖和外部條件的巷道在不同支護(hù)形式及加固后的變形情況的對(duì)比,確定出合理、有效的加固支護(hù)形式.實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高=3200mm×400mm×1850mm的平面應(yīng)變相似模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,外載采用液壓穩(wěn)壓器伺服控制的千斤頂實(shí)施.2.1模擬道路及其維護(hù)特點(diǎn)2.1.1巷道圍巖密度模型幾何相似比為1∶30,模型布置如圖1所示.巷道圍巖的平均密度γ=2.5g/cm3;巷道埋深H=420m;巷道為半圓拱形,寬×高=4400mm×3700mm.模擬試驗(yàn)有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.2.1.2模擬錨桿支護(hù)模擬巷道原支護(hù)形式有錨網(wǎng)噴支護(hù)、料石碹支護(hù)和U型鋼半圓拱支護(hù),巷道加固為錨桿加注漿.模型設(shè)計(jì)支護(hù)方案(模型1～5)為:1)錨網(wǎng)噴支護(hù);2)在錨網(wǎng)噴支護(hù)的基礎(chǔ)上錨注;3)料石碹支護(hù)加錨注;4)U型鋼半圓拱支護(hù);5)在U型鋼半圓拱支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行錨注.a.模擬錨桿采用ue001φ1.5mm,拉斷力為55N的鋁絲模擬ue001φ22mm的無(wú)縫管注漿錨桿;采用ue001φ1.8mm,拉斷力為65N的鋁絲模擬ue001φ16mm的螺紋鋼錨桿.兩種模擬錨桿的受力與拉伸特性如圖2所示.b.注漿壓力試驗(yàn)中注漿壓力為40～50kPa,相當(dāng)于實(shí)際注漿壓力為2.0～3.0MPa.c.料石碹支護(hù)實(shí)際料石碹支護(hù)的厚度為250mm,材料為石灰?guī)r,試驗(yàn)中選用的模擬材料為石膏,按水膏比=1∶1配制,預(yù)制厚度為8mm.d.U型鋼半圓拱支護(hù)試驗(yàn)中采用薄鐵皮制作而成,支架排距為26.7mm,相對(duì)應(yīng)的實(shí)際支架排距為800mm.2.2模型加載與集中首先按設(shè)計(jì)要求鋪好模型,干燥20d后開(kāi)挖巷道,然后打錨桿.錨桿排距為800mm,巷道斷面上布置17根錨桿,其中幫上各3根,半圓拱上9根,巷道底角各1根.打好錨桿后鋪網(wǎng)噴漿,噴層厚度為3mm,噴層材料為石膏加碳酸鈣與水配制而成.繼續(xù)干燥3d后開(kāi)始加載,加載時(shí)首先在豎直方向上加載到原始應(yīng)力水平(模型值為0.227MPa),水平應(yīng)力為豎直方向的三分之一,以確保水平邊界條件.初始加載后進(jìn)行注漿,并凝固3d.而后對(duì)模型施加集中應(yīng)力以模擬因開(kāi)采引起的應(yīng)力集中.試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際巷道的變形量確定開(kāi)采引起的應(yīng)力集中系數(shù)為3.1左右.加載步驟為:第一步加載至原始應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)力水平為0.227MPa;第二步模擬開(kāi)采引起的應(yīng)力集中,如圖3所示,峰值從右邊的第一個(gè)千斤頂開(kāi)始依次向前推進(jìn),峰值應(yīng)力為0.704MPa.每加載一次,過(guò)0.5h后測(cè)量巷道變形,包括兩幫相對(duì)位移和頂?shù)装逑鄬?duì)位移,直至整個(gè)加載過(guò)程完成.3結(jié)果與分析3.1巷道支護(hù)方式對(duì)采時(shí)動(dòng)壓的影響圖4為模型1——普通錨噴網(wǎng)支護(hù)(未注漿)的變形破壞情況.模型2～5的圍巖條件及跨采時(shí)動(dòng)壓的影響程度均與模型1相同,而巷道支護(hù)方式分別為錨網(wǎng)噴加錨注支護(hù)、料石碹加錨注支護(hù)、U型鋼半圓拱支護(hù)、U型鋼半圓拱加錨注支護(hù).模型2～5模擬巷道的破壞情況如圖5所示;模型1～5模擬巷道的頂?shù)紫鄬?duì)位移、兩幫相對(duì)位移和底臌量見(jiàn)表2和圖6.3.2錨網(wǎng)噴支護(hù)后巷道力學(xué)性狀的變化從加載過(guò)程中巷道的變形曲線(圖6)可以看出,不受采動(dòng)影響即處于原始應(yīng)力水平時(shí),不同支護(hù)形式的巷道變形情況差別不大.但受跨采影響時(shí),不同支擴(kuò)與加固巷道的變形量相差較大,沒(méi)有進(jìn)行錨注加固的巷道變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加固處理后的巷道,最大相差達(dá)10倍以上,底鼓現(xiàn)象尤其突出.采用U型鋼支架支護(hù)時(shí),由于其支護(hù)的被動(dòng)性,在達(dá)到一定工作阻力前,圍巖已經(jīng)產(chǎn)生了較大的位移,支架已經(jīng)產(chǎn)生了較大變形.當(dāng)受到跨采的影響時(shí),支架因變形而產(chǎn)生局部應(yīng)力集中,使得支架首先發(fā)生局部破壞,承載條件進(jìn)一步惡化,承載能力不斷下降,最后導(dǎo)致支護(hù)失效.錨網(wǎng)噴支護(hù)雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖體的主動(dòng)支護(hù),但在受跨采影響的軟巖巷道中,圍巖力學(xué)性能逐漸弱化,使得錨桿失去了可靠的著力基礎(chǔ),因而不能發(fā)揮錨桿應(yīng)有的作用.由表2和圖5,6可以看出,采取錨注加固后,由于圍巖得到加固,巷道在經(jīng)歷跨采動(dòng)壓影響后仍然保持完好狀態(tài).這說(shuō)明在錨噴支護(hù)、金屬支架支護(hù)和料石碹支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿,將松散破碎的圍巖膠結(jié)成整體,裂隙因注漿充填而阻止了水對(duì)巖體的侵蝕,從而提高了巖體的粘聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量,使巖體強(qiáng)度顯著提高.利用注漿錨桿注漿充填圍巖裂隙,再配合金屬網(wǎng)和噴漿封閉圍巖,能形成一個(gè)多層組合拱(即噴網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散加固拱),從而擴(kuò)大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效承載范圍,提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力.此外,注漿后使得作用在拱頂上的壓力能有效地傳遞到兩幫,通過(guò)對(duì)兩幫的加固,又能把荷載傳遞到底板.由于組合拱厚度加大,能減小作用在底板上的荷載,從而減小底板巖石中的應(yīng)力和底板塑性變形,加之底角錨桿的作用,使底鼓減小.而底板的穩(wěn)定有助于兩幫的穩(wěn)定,底板和兩幫的穩(wěn)定又為拱頂?shù)姆€(wěn)定創(chuàng)造了有利條件.因此,注漿支護(hù)(加固)的重要作用之一是保證兩幫與底板的穩(wěn)定,從而保證整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.上述試驗(yàn)結(jié)果已應(yīng)用于鮑店煤礦,盡管該礦北翼采區(qū)采用綜采放頂煤采煤法,動(dòng)壓影響較大,但對(duì)跨采巷道在原支護(hù)基礎(chǔ)上采取錨注加固措施后,跨采5個(gè)月后巷道加固段斷面收縮率不超過(guò)9%.4錨注加固的效果1)首次采用物理模型模擬受跨采影響的軟巖巷道支護(hù),試驗(yàn)研究成果成功地應(yīng)