常村礦巷道底鼓破壞特征及支護(hù)方案優(yōu)化研究

常村礦巷道底鼓破壞特征及支護(hù)方案優(yōu)化研究

底部鼓是礦山開采中常見的礦壓顯示形式。當(dāng)?shù)装骞捏w積較大時(shí)，對道路圍巖的穩(wěn)定性和礦山的高效開采帶來了嚴(yán)重威脅。針對底鼓難題,許多學(xué)者就底鼓產(chǎn)生的機(jī)理和治理措施進(jìn)行大量研究,并取得了重要的成果?，F(xiàn)針對常村礦3#煤層回風(fēng)巷底鼓問題,提出了鉆孔卸壓+混凝土反拱+底板錨桿交替聯(lián)合支護(hù)方案,并有效的控制了底鼓的產(chǎn)生。1采空巷道,回采巷道常村煤礦是設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600Mt/a的超大型礦井,目前主采3#煤層。3#煤層平均厚度為6m,直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度為1.18m;老頂為中粒砂巖,平均厚度7.09m;直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度1.88m;老底為細(xì)粒砂巖,平均厚度0.97m。南6采區(qū)綜放工作面回采巷道,寬5m,高3.5m,沿3#煤頂板掘進(jìn),埋深為500m左右。隨著礦井開采深度的增加,礦山壓力顯現(xiàn)明顯加大,兩幫移近量已達(dá)到211mm,頂?shù)装逡平恳殉^630mm,底鼓量是頂板下沉量的6倍以上,因此底鼓是引起巷道圍巖變形的主要原因。2道路底部鼓的機(jī)理分析2.1巷道底板破壞特征1)底鼓呈現(xiàn)擠壓流動(dòng)性。在應(yīng)力作用下,巷道開挖后深部圍巖開始鼓起,鼓起量隨著深度的增加而減少,在2.5m煤層和巖層交界處,底鼓量基本為0,說明巷道底板煤層在開掘后應(yīng)力釋放引起彈性回彈且兩幫煤壁受支撐壓力影響向巷道內(nèi)擠壓流動(dòng)產(chǎn)生底鼓。2)底板變形量大。根據(jù)測站表面位移監(jiān)測情況,巷道底鼓變形量最大值達(dá)到了638mm,而頂板變形量最大僅為121mm,兩幫移近量最大為211mm,因此巷道底鼓變形量級較大。3)底板易發(fā)生拉剪破壞,底角發(fā)生剪切破壞。通過對巷道圍巖應(yīng)力測試,可以分析出圍巖底板在水平應(yīng)力下受拉,在垂直應(yīng)力下受剪,易發(fā)生拉剪破壞;巷道底角處應(yīng)力集中易發(fā)生剪切破壞。2.2最大水平應(yīng)力場場1)根據(jù)分析底板巖石完整性和均質(zhì)性較好,礦物成分中石英砂含量較高,對巖石遇水膨脹性影響極小,因此對底鼓影響較小。2)該區(qū)域應(yīng)力場以水平應(yīng)力場為主,最大水平主應(yīng)力為11.31MPa,最小水平主應(yīng)力為5.92MPa,垂直應(yīng)力為8.63MPa,總體屬于中等應(yīng)力場,且最大水平主應(yīng)力方向幾乎與巷道掘進(jìn)方向垂直,對圍巖控制產(chǎn)生重要影響。通過以上分析可以看出該巷道底鼓機(jī)理為:在較大的垂直自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力共同作用下,巷道底板下2.5m煤層以底板為沿空自由面,受兩幫擠壓,使煤體發(fā)生拉剪破壞,且底角處于應(yīng)力集中區(qū)域,產(chǎn)生壓膜效應(yīng),同時(shí)底板煤層在開掘后應(yīng)力釋放引起彈性回彈向巷道內(nèi)流動(dòng)形成底鼓,本質(zhì)為擠壓流動(dòng)型底鼓。3優(yōu)化方案的值模擬3.1有限元單元模型模型尺寸為60m×1.8m×40m;巷道斷面尺寸為寬5m,高3.5m;網(wǎng)格劃分為28800個(gè)單元;上邊界施加邊界荷載p=8.63MPa用來模擬垂直應(yīng)力,其他3個(gè)邊界均為位移約束。土體本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則模擬,開挖部分用null模型取代。3.2錨索間排距及錨索布置計(jì)算模型選取的巖石物理力學(xué)指標(biāo)見表1。方案1模擬參數(shù)選取錨桿為ue78822mm×2400mm,間排距為900mm×900mm;錨索型號為ue78816.8mm×6300mm,采用三花布置,錨索間排距為2000mm×900mm,并分別在底板中軸線處打入2.5m卸壓孔和距離底板1.5m兩幫處打入長度為9m的卸壓孔,間距0.9m,孔徑50mm。方案2是在方案1的基礎(chǔ)上,在未鉆孔區(qū)利用混凝土反拱+底板錨桿對底板再次進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)?；炷梁穸热?00mm,底角錨桿取3排,1排位于底板中軸線處,垂直打入底板;其它2排位于距中軸線0.9m處,呈對稱分布,且與底板成75°夾角。3.3數(shù)值模擬結(jié)果的分析3.3.1巷道圍巖塑性區(qū)分析1)方案1塑性區(qū)分析。采用鉆孔卸壓法后塑性區(qū)范圍有所增加,底板和兩幫受拉剪破壞趨勢增加,同時(shí)外圍塑性區(qū)所受剪切破壞范圍也有所增加。鉆孔卸壓條件下巷道塑性區(qū)情況如圖1(a)。2)方案2塑性區(qū)分析。采用聯(lián)合支護(hù)方案后巷道圍巖塑性區(qū)有所縮小,屬幫角處最為明顯,且僅受剪切破壞的作用。同時(shí)底板僅在巷道兩幫表面受到較小范圍的拉剪破壞。鉆孔卸壓+混凝土反拱+底板錨桿聯(lián)合支護(hù)下巷道塑性區(qū)情況如圖1(b)。3.3.2圍巖底鼓量對比1)方案1位移場分析。如圖2(a)采用鉆孔卸壓方案后圍巖底鼓得到有效控制,最大底鼓量為192mm,為原有底鼓量的30.1%;同時(shí)最大頂板下沉量為64mm和兩幫移近量為174mm,兩者與原有變形量相比均有所增加。2)方案2位移場分析。如圖2(b)采用聯(lián)合支護(hù)方案后圍巖底鼓量最大值僅為157mm,僅為原有底鼓量的24.6%;同時(shí)最大頂板下沉量為39mm和兩幫移近量為114mm,兩者與原有變形量相比均有所降低。3.3.3種方案的影響效果根據(jù)2種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果,將巷道圍巖兩幫移近量、頂板下沉量及底板鼓起量與原巷道表面位移量相比較統(tǒng)計(jì)情況如圖3。通過對2種方案的模擬分析表明:雖然2種治理方案均可以對底鼓達(dá)到控制效果,但方案1在治理過程中會增加兩幫及頂板位移量和圍巖塑性區(qū)范圍,從而破壞圍巖穩(wěn)定性,對后期綜放面回采帶來不利影響。采用方案2聯(lián)合治理方案,圍巖塑性區(qū)范圍減少,底板幾乎沒有拉剪破壞,且圍巖變形量均有不同程度減小,因此采用方案2治理底鼓效果最佳。4現(xiàn)場試驗(yàn)4.1巷道底板錨桿加固通過對2種方案數(shù)值模擬結(jié)果分析,決定采用鉆孔卸壓+混凝土反拱+底板錨桿聯(lián)合治理方案對圍巖進(jìn)行加固。首先采用接長式鉆桿打底板鉆孔,控制好鉆孔打鉆深度,到達(dá)預(yù)定位置后停止打鉆,抽出鉆桿,然后打左幫鉆孔,最后施工右?guī)豌@孔。巷道底板中軸線鉆孔直徑為30cm,深度為2.5m,排距為0.9m;同時(shí)兩幫鉆孔直徑為30cm,深度為9m,距巷道底板高度為1.5m;然后在未鉆孔區(qū)采用混凝土反拱和底板錨桿對底板進(jìn)行加固,反拱厚度為150mm,錨桿長度為3.3m,型號為ue78822mm×2400mm,間距為1.8m,每排3根;采用端錨形式,錨固段長0.8m,且在3#煤底板砂質(zhì)泥巖中。其中巷道中軸線處的錨桿垂直巷道底板表面打入,另外2根錨桿以與巷道底板表面呈75°斜向下打入。為了不影響底板鉆孔施工,混凝土反拱設(shè)計(jì)為條帶狀,便于錨桿安裝。4.2巷道圍巖結(jié)構(gòu)采用聯(lián)合支護(hù)方案后巷道圍巖變形量,如圖4。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)表明:巷道圍巖最大底鼓量為146mm,頂板下沉量為48mm,巷道兩幫移近量為121mm。因此采用聯(lián)合支護(hù)方案后,無論是在頂?shù)装逦灰屏窟€是兩幫移近量的控制上,均達(dá)到了控制圍巖變形、治理底鼓的最佳效果。5支護(hù)方案對底鼓的控制效果1)通過對模擬分析表明僅采用單一措施治理底鼓不能有效控制巷道圍巖變形,采用鉆孔卸壓+混凝土反拱+底角錨桿聯(lián)合支護(hù)治理方案對底鼓具有明顯的控制效果。