高突礦井復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

高突礦井復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究

四川洛伊木馬集團(tuán)的白鹿煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。這是一座煤和石頭含量非常低的礦山。礦井煤系地層受燕山運(yùn)動的擠壓作用,形成了逆斷層為主的斷裂構(gòu)造,井田范圍內(nèi)的斷層發(fā)育。自建井投產(chǎn)至今,共揭露大小斷層1500條,平均每1km2就有25.4條。多年來,礦井雖然采取多種巷道支護(hù)方式(錨桿、錨索、金屬可縮支架等聯(lián)合支護(hù)),但巷道變形仍然難以得到控制,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。此外,煤系地層普遍存在地質(zhì)構(gòu)造破碎帶,圍巖破碎松散。同時(shí),煤層底板大多為黏土巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖,此類巖層強(qiáng)度低、變形大,遇水軟化甚至膨脹,屬于典型的軟巖。由于軟巖巷道圍巖本身的復(fù)雜性,加上構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力的復(fù)合效應(yīng),使得白皎礦軟巖巷道支護(hù)長期以來成為制約礦區(qū)安全高效生產(chǎn)的重大技術(shù)難題。綜上所述,開展高突礦井復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的研究,對白皎礦具有直接實(shí)踐指導(dǎo)意義,對豐富和發(fā)展軟巖巷道支護(hù)技術(shù)也具有普遍理論意義。因此,白皎礦在綜采2422上工作面引進(jìn)了恒阻型大變形錨索對巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)試驗(yàn)。1地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)特征2422上工作面屬于二煤層上分層(B4上),屬保護(hù)層開采,為節(jié)約資源和提高巷道的使用率,2422上工作面機(jī)巷進(jìn)行沿空護(hù)巷。采用恒阻型大變形錨索對巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)試驗(yàn),從2422上工作面機(jī)巷沿空護(hù)巷段中選取100m(即機(jī)巷從斷層切眼起240～340m位置)進(jìn)行。2422上工作面位于24盤區(qū)西翼第二分段,北為2412上工作面(未布置);南為2442上工作面(未布置);西為井田邊界;東為24區(qū)軌道上山、24區(qū)總風(fēng)上山、24區(qū)膠帶上山(正在布置)。工作面走向長483m,傾斜長171m,可采儲量81767t,地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。二煤層上分層(B4上)堅(jiān)固性系數(shù)f=2～4,密度1.65t/m3,分為上、下段,上段(B4上1)厚度為0.5～0.7m,平均厚度為0.6m,下段(B4上2)厚度為0.4～0.9m,平均厚度為0.6m,含夾矸0.2～1.5m,平均厚度0.6m;二煤層(B4)厚度為0.3～1.8m,平均厚度1.0m;三煤層(B3)厚度為1.0～2.0m,平均厚度1.3m;四煤層(B2)厚度為1.4～3.1m,平均厚度1.8m。二煤層上分層與二煤層層間距為16.5～27.0m,平均間距為22.0m;二、三煤層層間距1.8～6.1m;三、四煤層層間距1.8～4.2m。煤層傾角7～14°,平均傾角10°?；卷敒轱w仙關(guān)頁巖,厚度85m,灰綠色泥巖夾少許砂質(zhì)泥巖,有時(shí)變?yōu)榛規(guī)r;直接頂為淺-深灰色灰?guī)r(含生物碎屑),厚度0.2～1.0m,堅(jiān)固性系數(shù)f=6～8;偽頂為灰色炭質(zhì)泥巖,厚度0.1～0.2m。底板為黏土巖,厚度0.2～1.3m,灰色,不顯層理,含植物碎屑。工作面內(nèi)有3條正斷面,落差0.35～4.5m,對回采有一定影響,F3斷層落差1.5～4.5m,對回采影響嚴(yán)重。2硬軸連接技術(shù)2.1固定干擾大變形錨運(yùn)行原理(1)應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性區(qū)、拉力區(qū)井下工程開挖后,破壞了原已穩(wěn)定的巖體,一方面由于應(yīng)力重新調(diào)整,巖體自身的力學(xué)屬性承受不了新出現(xiàn)的應(yīng)力集中,產(chǎn)生塑性區(qū)或拉力區(qū);另一方面由于施工將引起圍巖松弛,加上地質(zhì)構(gòu)造的影響,降低了圍巖的穩(wěn)定程度。因此,在圍巖尚未發(fā)生大變形破壞前,要根據(jù)地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)要求,按照傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝,安裝恒阻大變形錨索,如圖1(a)所示。(2)恒阻大變形錨索地下工程圍巖出現(xiàn)大變形破壞初期,能量較大,當(dāng)圍巖的變形能超出錨索的恒阻力范圍,恒阻體在恒阻套管內(nèi)發(fā)生滑移,也即恒阻大變形錨索隨著圍巖大變形而發(fā)生徑向拉伸的大變形,以此來吸收變形能,避免由于巖土體大變形而發(fā)生錨索斷裂、失效現(xiàn)象,如圖1(b)。(3)摩擦阻力下圍巖穩(wěn)定性分析當(dāng)圍巖發(fā)生大變形之后,巖土體內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到新的平衡,其能量得到釋放,圍巖的變形能小于恒阻器的設(shè)計(jì)恒阻力T,錨索軸力P小于恒阻體與恒阻套管的摩擦阻力,圍巖在恒阻大變形錨索的支護(hù)作用下再次處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖1(c)。恒阻大變形錨索和傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索的主要差別就是其具有“讓中有抗,抗中有讓,防斷恒阻”的特性,在以該新型錨索作為支護(hù)材料的地下工程中,當(dāng)圍巖發(fā)生一定變形時(shí),該錨索也可以隨之拉伸變形,圍巖中的變形能得到釋放,而該新型錨索拉伸之后仍然能夠保持恒定的工作阻力,不會出現(xiàn)突然斷裂失效,實(shí)現(xiàn)了地下工程圍巖的穩(wěn)定,消除了冒頂、塌方、偏幫、底鼓等安全隱患。2.2圍巖變形規(guī)律根據(jù)白皎煤礦的具體情況,確定此次聯(lián)合支護(hù)的總體思路是針對井下具體復(fù)雜的地質(zhì)條件,特別是在采場推進(jìn)過程中對上覆巖層賦存情況及其變化以及由此變化導(dǎo)致的覆巖運(yùn)動規(guī)律及支承壓力分布規(guī)律的差異,對下位巖梁限定變形定載荷,即“給定變形”:在基本頂裂斷來壓時(shí)的支架(或支柱)阻抗力足以平衡直接頂?shù)淖饔昧?縮量能夠完全適應(yīng)下位巖梁觸矸(沉到底)時(shí)的采場頂板最大下沉值);上位巖梁給定變形定縮量,即“限定變形”:在對直接頂“給定變形”的同時(shí),把基本頂下位巖梁單獨(dú)裂斷來壓時(shí)的采場頂板下沉值控制到足以排除上位堅(jiān)硬巖梁裂斷來壓時(shí)刻出現(xiàn)動壓的可能性。圍巖的變形為巷道幫側(cè)軟弱造成的頂板下沉和頂板圍繞下幫側(cè)向采空區(qū)的回轉(zhuǎn)兩大運(yùn)動。巷道支護(hù)必須以控制頂板下沉和阻止頂板的回轉(zhuǎn)為主。(1)重要部門加強(qiáng)公共保護(hù)原則深部巷道承受很大的垂直壓力,幫側(cè)的承載性能要強(qiáng)化。所以,在對頂板和兩幫的處理上要加強(qiáng)支護(hù),并對巷道頂?shù)捉莾蓚€(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)化加固。(2)白渾礦工作面圍巖支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀高預(yù)應(yīng)力(桿體屈服載荷的30%～50%)、防沖擊性能強(qiáng);預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散,增大護(hù)表構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度;組合支護(hù),保證支護(hù)整體性能;支護(hù)構(gòu)件與圍巖變形在強(qiáng)度、剛度上耦合,讓圍巖和支護(hù)構(gòu)件變形協(xié)調(diào),應(yīng)力均勻化;高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性,低密度。根據(jù)白皎礦礦壓觀測的經(jīng)驗(yàn),巷道圍巖巖層的變形、運(yùn)移和破壞是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性控制,合理控制巷道的變形量是巷道支護(hù)技術(shù)成功與否的核心,是實(shí)現(xiàn)巷道滿足使用要求的關(guān)鍵所在。白皎礦工作面頂板活動呈現(xiàn)3個(gè)階段:第1個(gè)階段為堅(jiān)硬直接頂周期性垮落,垮落步距為5～15m,此階段直接頂?shù)目迓涑上锔?.5～1.7m;第2個(gè)階段為泥巖逐漸垮落實(shí)現(xiàn)與上覆細(xì)砂巖接頂,垮落步距為15～40m,此階段隨著泥巖的垮落不斷充填巷幫,將巷幫堵滿;第3個(gè)階段為泥巖垮落接頂后,上覆基本頂細(xì)砂巖觸矸,發(fā)生彎曲緩慢下沉,逐漸壓實(shí)垮落矸石,最終隨著矸石的壓實(shí),基本頂彎曲變形終止,巷道變形趨于穩(wěn)定。綜上所述,采用“巷內(nèi)基本支護(hù)”+“巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)”+“動壓臨時(shí)支護(hù)”這種聯(lián)合支護(hù)的原則是比較合理的。圖2、圖3巷道支護(hù)分布圖表示了巷道各階段支護(hù)方式及布置空間分布。3合支護(hù)體系支護(hù)效果(1)恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)實(shí)驗(yàn)段未出現(xiàn)頂板來壓拉斷錨索現(xiàn)象,恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)體系支護(hù)效果明顯,防止了頂板冒頂?shù)仁鹿省?2)恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)體系以其較大的變形能力適應(yīng)了巷道的大變形特征,恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)試驗(yàn)段沿空留巷頂板下沉量明顯比普通聯(lián)合支護(hù)段減小、側(cè)幫和底板也未出現(xiàn)片幫、鼓底現(xiàn)象,如圖4所示。4恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)體系的未來研究恒阻大變形錨索恒阻值為200～300kN、最大變形量為300～600mm,具有普通錨桿或錨索無法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢,恒阻大變形錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)