深部構造應力作用下的巷道穩定控制技術

袁秋新

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.山東新汶礦業集團協莊煤礦,山東省泰安市,271221)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

深部構造應力作用下的巷道穩定控制技術

袁秋新1,2

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221116; 2.山東新汶礦業集團協莊煤礦,山東省泰安市,271221)

AbstractThis article analyses the mechanism of deformation and failure of the surrounding strata of the track dip-roadway of No.2 mining section at-850m in a certain coal mine.The article points out that bulking deformation and long-term rheological properties of the surrounding rock under the action of strong tectonic stress are the main causes leading to such roadway’s deformation,destruction and difficulty in its support.Hence the paper puts forward the technique of high strength and high pre-tightening force bolt-net supporting and the grouting reinforcement as a control technology.Field practice indicates that once the above-mentioned control technology is applied,not only the bulking deformation of surrounding rock is checked,but also the long-term rheological changes are controlled,thus the long-term stability of such roadway is ensured.

Key wordsdeep coal seam,roadway stability,roadway support,bolt support,tectonic stress,grouting reinforcement

近年來隨著礦井開采深度的增加,越來越多的巷道掘進工程面臨著復雜的應力環境,以往對此類巷道的支護設計多參考淺部巷道的成功支護經驗,支護方案的選取和確定不夠科學、合理,巷道常常出現前掘后修、多次翻修、甚至冒頂、片幫的被動局面,給深部礦井的安全開采帶來巨大威脅,因而對深部復雜應力環境下巷道的支護研究具有重要的意義。

1 工程概況

某礦開采煤系地層屬石炭二疊系,-850 m二采區軌道下山埋深998～1065 m,依次揭露中砂巖、砂質頁巖、細砂巖,層位結構極為復雜,采用應力解除法對該區域地應力進行了測試,測試結果見表1。該區域水平最大主應力大于垂向應力,水平最大主應力達到39.77 MPa,比垂直應力高出約40%,最小水平應力也達到了20.64 MPa,顯然該區域存在強構造應力。在強構造應力作用下, -850 m二采區軌道下山按以前正常的掘進支護 (錨網噴),巷道變形嚴重,圍巖運動比較劇烈,錨桿破斷現象嚴重,大量噴層開裂,底板破裂鼓起,巷道變形長時間不能穩定,嚴重影響了礦井的正常生產。

表1 地應力測量值

2 構造應力作用下巷道圍巖變形破壞機理分析

2.1 圍巖的碎脹性

-850 m二采區軌道下山依次揭露中砂巖、砂質頁巖、細砂巖,這類圍巖的試塊在單軸壓縮破壞之前所達到的極限變形量很小,一般為1/1000應變量級,如果巷道出現幾毫米的位移就表明巷道周邊圍巖已開始進入破壞狀態。進入破壞狀態的巖體在強構造應力的作用下,巖體內部裂隙擴展匯集,引起破碎巖體沿破裂面張開、轉動、滑移等,從而形成非連續的碎脹變形。

相關研究表明,在巷道圍巖收斂變形中由圍巖破裂和破裂巖塊滑移引起的變形占到85%～95%之多,尤其在-850 m二采區軌道下山這樣的強構造應力條件下,巷道圍巖不但破裂范圍大,而且圍巖的碎脹性在強構造應力作用下表現得更為顯著,造成巷道掘出后初期變形十分劇烈。如果采用及時有效的初次支護,碎脹變形一定程度上是可控的,但這種控制的程度非常有限。由于現有地下工程支護的施工方法,一般不能在巷道開挖后立即形成有效的支護,雖然錨噴被認為是較為及時與密貼的支護方式,但也有一段滯后支護時間,所以,對于-850 m二采區軌道下山的初期劇烈變形,巷道支護控制的對象就是圍巖進入峰后破裂狀態時的碎脹大變形。

2.2 圍巖的長期流變性

-850 m二采區軌道下山經過開挖初期的劇烈變形后,圍巖會在長時間內以一定的變形速度持續變形,若圍巖的這種持續變形得不到有效控制,圍巖變形破壞程度將會加劇,導致支護體失效,進而誘發巷道垮冒失穩現象的發生。圍巖持續變形的能力主要與其流變特性有關,流變特性的顯現規律取決于圍巖應力環境和圍巖自身的流變性能,應力水平越高、力學性質越弱,圍巖的流變特性越明顯。由于-850 m二采區軌道下山破裂范圍大,破裂范圍內圍巖的力學性能大幅降低,在強構造應力作用下,該區域內圍巖表現出明顯的流變特性,導致巷道持續變形不能穩定。

3 巷道穩定控制原理與技術

3.1 高強高預緊力錨桿支護原理

高強、高預緊力錨桿支護克服了普通高強錨桿使用中存在的主要缺陷。該技術的優越性主要體現在以下三方面。

(1)高預緊力保證了支護系統初期支護需要的剛度和強度。支護初期,圍巖主要以破碎巖體沿破裂面張開、轉動、滑移等非連續碎脹變形為主,通過實施高預緊力支護可以及時有效控制圍巖的這種非連續變形與破壞,使圍巖處于受壓狀態,最大限度地保持錨固區圍巖的完整性,有效控制圍巖后續的碎脹變形。

(2)高強高延伸率桿體保證了支護系統具有足夠的延伸率,能夠適應圍巖的碎脹大變形,實現支護系統在高支護阻力狀態下的讓壓功能,可以有效控制圍巖的后續碎脹變形。

(3)提高錨桿護表構件的強度與剛度,通過高強度護表構件的傳遞作用,提高錨桿錨固范圍內圍巖的連續性,充分發揮高強高延伸率錨桿整體支護的作用。

3.2 注漿加固原理

注漿加固圍巖主要是利用漿液充填巖體內的裂隙、將破碎的巖體固結起來,裂隙的強度及力學性能可以得到改善,破裂圍巖的持續變形破壞不再由原來強度較低的裂隙控制,而是轉變為由強度較高的圍巖控制,從而可以有效降低破裂圍巖的長期流變。

4 工程應用

4.1 圍巖支護參數設計

通過上述對-850 m二采區軌道下山圍巖穩定控制機理的分析,巷道支護應采用高強、高預緊力錨桿支護,以最大限度地保持圍巖的完整性,并限制圍巖強度的降低。但由于該類巷道初期變形比較劇烈,錨桿桿體要具有較大的延伸率,才能避免桿體破斷出現一次支護失效的問題。因此,巷道支護選用延伸率較大的20MnSi全螺紋鋼高強錨桿,桿體直徑為22 mm,其屈服載荷不小于141 kN,極限載荷不小于171 kN,延伸率不小于23.3%。錨桿間排距為800 mm×700 mm,13根/排,錨桿長度2.4 m;拱基線以上樹脂藥卷為雙速2360和Z2360各一支,雙速在孔底,錨固長度1.3 m,拱基線以下樹脂藥卷為CK2335和Z2360各一支,錨固長度1.0 m。錨桿支護24 h內噴混凝土,厚度50 mm。

為滿足預緊力要求,現場施工中的預緊力扭矩應不小于400 Nm。施工中采用MQT-120型錨桿鉆機打眼及安裝、緊固頂板錨桿,緊固幫錨桿螺母時則采用2600型氣動扳手,預緊力矩能達到400 Nm,巷道錨桿支護布置見圖1。

圖1 巷道錨桿支護布置圖

錨桿支護和噴混凝土工序結束后進行注漿加固,注漿材料采用高水速凝材料,水灰質量比為1.5∶1;為保證漿液的滲透范圍較大,確定注漿壓力為2.0～2.5 MPa,最大不超過3.0 MPa,圍巖極其破碎時注漿壓力小于2 MPa;注入的漿液應盡量保證巷道圍巖裂隙被充填密實,原則上注到不吸漿為止;注漿孔深度2.5 m,直徑42 mm,排距2 m,每排6個孔;注漿管為鋼管,外徑20 mm,長1.5 m,注漿孔布置見圖2。

圖2 注漿孔布置圖

4.2 支護效果分析

為檢測巷道參數的合理性,掌握整個服務期間巷道圍巖變形規律,對巷道支護后進行了觀測,巷道表面位移變形曲線見圖3。從圖3觀測結果來看,雖然巷道支護初期圍巖變形比較明顯,但巷道變形速度衰減較快,2個月后圍巖變形逐漸趨于穩定,巷道穩定后頂底和兩幫位移僅為150 mm和120 mm左右,相比原支護方案圍巖變形大為降低。說明-850 m二采區軌道下山采用高強、高預緊力錨桿支護和注漿加固支護方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩定。

圖3 巷道表面位移變形曲線

5 結論

(1)針對某礦-850 m二采區軌道下山的強構造應力條件,研究并分析了深部巷道圍巖的變形破壞特征,認為圍巖的碎脹性和長期流變特性是導致深部巷道初期變形劇烈和持續變形的主要原因。

(2)結合強構造應力環境下巷道的變形破壞原因,探討了高強、高預緊力錨桿支護體系和注漿加固控制深部巷道圍巖穩定的作用機理。高強、高預應力錨桿支護通過及時施加高預拉力可以有效阻止巷道初期的碎脹大變形,并通過高支護阻力限制錨固區內圍巖強度的衰減,提高錨固區內破裂圍巖的承載能力,控制破裂圍巖后續的碎脹變形;注漿加固利用漿液充填破裂圍巖內的裂隙,提高裂隙面的強度和力學性能,減小破裂圍巖內部裂隙繼續擴展或沿原裂隙繼續轉動、滑移等造成的持續流變現象。

(3)現場應用表明,-850 m二采區軌道下山采用高強、高預緊力錨桿支護和注漿加固支護方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩定,對同類巷道支護具有一定的指導意義和借鑒作用。

[1]柏建彪,王襄禹,賈明魁,侯朝炯.深部軟巖巷道支護原理及應用 [J].巖土工程學報,2008(5)

[2]柏建彪,侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業大學學報,2006(2)

[3]劉文濤,何滿潮,齊干等.深部全煤巷道錨網耦合支護技術應用研究 [J].采礦與安全工程學報,2006(3)

(責任編輯 張毅玲)

Roadway stability control technology for application under tectonic stress in deep strata

分析了某礦-850 m二采區軌道下山圍巖變形破壞機理,指出圍巖在強構造應力作用下的碎脹性和長期流變特性是導致該類巷道變形破壞、難支護的主要原因。提出了高強、高預緊力錨桿支護和注漿加固的控制技術。現場應用表明,-850 m二采區軌道下山采用高強、高預緊力錨桿支護和注漿加固支護方式后,不但可以明顯限制圍巖的碎脹變形,而且還能有效控制圍巖的長期流變,保證巷道的長期穩定。

深部煤層 巷道穩定 巷道支護 錨桿支護 構造應力 注漿加固

Yuan Qiuxin1,2
(1.School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou,Jiangsu province 221116,China; 2.Xiezhuang Coal Mine,Shandong Xinwen Mining Group, Tai’an,Shandong province 271221,China)

TD322.4

B

袁秋新 (1962-),男,漢族,高級工程師,現任新汶礦業集團協莊煤礦礦長。2006年榮獲中國煤炭工業優秀礦長、2009年榮獲全國煤炭工業雙十佳礦長榮譽稱號,有多部專著。