特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

蘆新飛盧成飛

(1.大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037101; 2.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)柳塔煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017200)

特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

蘆新飛1盧成飛2

(1.大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037101; 2.中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)柳塔煤礦,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,017200)

為解決金莊礦特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道的支護(hù)難題,在巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上,分析了特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理;采用數(shù)值模擬、理論分析、工程類(lèi)比等綜合試驗(yàn)手段,提出了高強(qiáng)度、高剛度、高預(yù)緊力及強(qiáng)讓壓的錨桿支護(hù)方案,支護(hù)方案在5201回風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,應(yīng)用結(jié)果表明高預(yù)緊力讓壓支護(hù)技術(shù)有效控制了特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道的失穩(wěn)破壞,5201回風(fēng)巷在8202工作面回采期間巷道兩幫移近量為405 mm,頂?shù)装逡平繛?52 mm,巷道完整性好。

特厚煤層 煤層巷道 動(dòng)壓巷道 錨桿支護(hù) 高預(yù)緊力

1 工程概況

金莊煤礦位于大同煤田西南部,地處左云縣境內(nèi)。金莊煤礦主采3#、5(3-5)#、8#煤層。8201工作面開(kāi)采5(3-5)#煤層,煤層平均厚度15.3 m,為特厚煤層,煤層傾角3°～6°。地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,節(jié)理、裂隙較發(fā)育,頂煤硬度f(wàn)＝2～3,能夠及時(shí)垮落。8201工作面為一進(jìn)一回兩巷布置,見(jiàn)圖1所示。

8201工作面的5201回風(fēng)巷與8202工作面2202進(jìn)風(fēng)巷之間留有寬35 m煤柱。在8202工作面回采期間,5201回風(fēng)巷會(huì)受到動(dòng)壓影響,在巷道掘進(jìn)時(shí),巷道變形不大,而當(dāng)8202工作面回采時(shí),由于回采形成的集中垂直應(yīng)力使5201回風(fēng)巷塑性區(qū)顯著增大,局部出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象,巷道控制維護(hù)非常困難,給巷道的穩(wěn)定性控制帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

圖1 8201工作面布置示意圖

對(duì)于動(dòng)壓巷道的圍巖控制,采用注漿加固和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行控制,取得了一定的效果。但由于注漿成本高,限制了注漿加固技術(shù)的推廣。近幾年來(lái),研發(fā)了高預(yù)應(yīng)力讓壓支護(hù)技術(shù),該技術(shù)支護(hù)初期可以施加高預(yù)緊力,并能在動(dòng)壓影響下支護(hù)結(jié)構(gòu)整體讓壓,在動(dòng)壓巷道支護(hù)加固中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)金莊煤礦5201回風(fēng)巷受強(qiáng)烈動(dòng)壓影響巷道的支護(hù)難題,分析了其破壞機(jī)理和控制機(jī)理,提出了合理的巷道支護(hù)加固方案,并進(jìn)行了工程實(shí)踐。

2 特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理分析

2.1 地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

采用水壓致裂測(cè)試方法分別在5201回風(fēng)巷附近進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試,3個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別位于輔助北二回風(fēng)巷口50 m位置、2201進(jìn)風(fēng)巷150 m處和5201回風(fēng)巷350 m處,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表

3個(gè)地點(diǎn)的地應(yīng)力最大水平主應(yīng)力σH達(dá)到12.90 MPa,最小水平主應(yīng)力σh為6.40 MPa,垂直主應(yīng)力σV為11.44 MPa,測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力,應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng),初步判斷所測(cè)區(qū)域以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。由于水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力對(duì)巷道兩幫變形影響較大。

采用WQCZ-56型圍巖原位強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備對(duì)3個(gè)地點(diǎn)(與地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)相同)的圍巖強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)幫部煤體的最大強(qiáng)度為17.85 MPa,最小強(qiáng)度僅為7.65 MPa,頂板煤體強(qiáng)度最大值為13.43 MPa,頂部煤體最小強(qiáng)度為12.43 MPa,與直接頂、老頂?shù)壬皫r、砂質(zhì)泥巖相比,煤體強(qiáng)度整體性較低。

采用鉆孔攝像儀對(duì)井下巷道(與地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)相同)煤體節(jié)理裂隙發(fā)育情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)窺視,從窺視結(jié)果可以看出,巷道頂板煤體內(nèi)部存在著大量的離層,并且隨著距掘進(jìn)頭距離的增大,離層有向巷道圍巖深部發(fā)展的趨勢(shì),尤其在巷道掘進(jìn)初期,離層發(fā)育迅速。為了及時(shí)控制離層向圍巖深部發(fā)展,必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

2.2 巷道圍巖破壞機(jī)理分析

結(jié)合8201工作面的地質(zhì)條件、開(kāi)采情況以及地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果,5201回風(fēng)巷變形破壞的主要原因有以下幾個(gè)方面：

(1)動(dòng)壓影響。正在回采的8202工作面位于5201回風(fēng)巷北部,與5201回風(fēng)巷之間的煤柱尺寸35 m,采動(dòng)影響非常明顯,巷道變形破壞主要是由北部的8202工作面采動(dòng)導(dǎo)致的,8202工作面回采會(huì)在5201回風(fēng)巷與煤柱之間形成2～3倍原巖垂直集中應(yīng)力,高的集中應(yīng)力進(jìn)一步破壞了巷道圍巖的完整性,從而使巷道維護(hù)困難。

(2)煤體松軟破碎。由于煤層厚度達(dá)到15.3 m,5201回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn),巷道兩幫及其頂板均為實(shí)體煤,煤體節(jié)理、裂隙發(fā)育,松軟破碎,與砂質(zhì)泥巖、泥巖相比,煤體抗壓強(qiáng)度較低,所以巷道兩幫和頂板變形大。尤其巷道采用普通錨桿和錨索支護(hù)時(shí),由于支護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有讓壓功能,當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時(shí),錨固體或支護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞,從而巷道產(chǎn)生大變形,且巷道還易發(fā)生冒頂。

(3)高水平應(yīng)力。5201回風(fēng)巷埋深達(dá)到467 m,埋深較大,最大水平應(yīng)力達(dá)到12.90MPa,高的水平應(yīng)力使巷道頂板和底板出現(xiàn)應(yīng)力集中,進(jìn)一步加劇了巷道頂?shù)装遄冃纹茐摹?/p>

(4)原有支護(hù)不合理。5201回風(fēng)巷原支護(hù)錨桿和錨索預(yù)緊力施加的較低,很多托板和梯梁不貼煤壁,并且沒(méi)有使用讓壓環(huán),一旦巷道出現(xiàn)變形,支護(hù)構(gòu)件,如托板、梯梁、鋼帶、工字鋼等構(gòu)件就出現(xiàn)大量破壞或失效,支護(hù)效果差。

2.3 巷道圍巖加固理論

根據(jù)5201回風(fēng)巷巷道圍巖破壞機(jī)理,提出了高預(yù)應(yīng)力讓壓支護(hù)理論,高預(yù)應(yīng)力可以大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)初期的支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)剛度,有效控制圍巖初期的不連續(xù)變形,從而保持圍巖的整體性和完整性,大大減少?lài)鷰r的破壞范圍。且由于5201回風(fēng)巷受鄰近工作面回采期間動(dòng)壓的影響,動(dòng)壓影響會(huì)使巷道出現(xiàn)高的應(yīng)力集中,從而使圍巖內(nèi)部出現(xiàn)大的裂隙和裂紋,圍巖結(jié)構(gòu)面發(fā)生離層和滑動(dòng),巷道變形通常較大,因此,在進(jìn)行高預(yù)應(yīng)力支護(hù)的同時(shí)還必須注重支護(hù)結(jié)構(gòu)的讓壓能力,那么就需要支護(hù)系統(tǒng)必須同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件。

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的支護(hù)剛度和支護(hù)強(qiáng)度。普通的錨桿和錨索強(qiáng)度較低,無(wú)法施加圍巖足夠的支護(hù)強(qiáng)度,這就需要采用高強(qiáng)度錨桿和高強(qiáng)度錨索,并在支護(hù)初期施加高預(yù)緊力以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)剛度和強(qiáng)度,從而有效控制圍巖的裂隙、離層,避免圍巖產(chǎn)生不連續(xù)的有害變形。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的延伸率。為了避免圍巖變形時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞,支護(hù)結(jié)構(gòu)要有一定的變形能力,從而允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的連續(xù)變形和整體位移,連續(xù)變形和整體圍巖可以釋放圍巖內(nèi)部的高集中應(yīng)力,從而使圍巖受力更加均衡。這就要求支護(hù)構(gòu)件,如鋼帶、錨桿、托盤(pán)、梯梁以及讓壓環(huán)等構(gòu)件相互匹配,既能施加高預(yù)緊力,還能在高預(yù)緊力的作用下整體讓壓變形,從而改善圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高支護(hù)圍巖的強(qiáng)度,防止支護(hù)圍巖出現(xiàn)離層,從而達(dá)到控制動(dòng)壓巷道失穩(wěn)破壞的目的。

3 高預(yù)緊力讓壓支護(hù)技術(shù)在金莊礦的應(yīng)用

3.1 高預(yù)緊力讓壓支護(hù)技術(shù)

針對(duì)金莊礦的地質(zhì)條件,提出了高預(yù)緊力讓壓支護(hù)技術(shù),即高強(qiáng)度、高剛度、強(qiáng)讓壓為一體的支護(hù)技術(shù)。在施工時(shí),采用高強(qiáng)度錨桿施加高預(yù)緊力,以提高巷道圍巖的支護(hù)剛度和支護(hù)強(qiáng)度,并安裝讓壓環(huán),在巷道發(fā)生大變形時(shí),使巷道圍巖在高支護(hù)阻力下橫阻讓壓,從而避免支護(hù)系統(tǒng)的失效,最終有效控制巷道圍巖的變形破壞。

3.2 巷道支護(hù)形式

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),最終確定了5201回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)及支護(hù)材料,采用金屬網(wǎng)＋鋼帶＋錨桿＋錨索＋11#工字鋼鋼梁聯(lián)合支護(hù)。

5201回風(fēng)巷為矩形斷面,巷道凈寬5400 mm,凈高3500 mm,巷道頂板采用左旋無(wú)縱筋錨桿支護(hù),錨桿規(guī)格為?22 mm×2400 mm,每排7根錨桿,錨桿間排距800 mm×900 mm,錨桿配合鋼托盤(pán)和鋼帶使用,托盤(pán)規(guī)格為130 mm×130 mm ×10 mm,鋼帶規(guī)格為5100 mm×250 mm×3 W型鋼帶。

頂板打設(shè)2根錨索,錨索規(guī)格為17.8 mm× 8300 mm,張拉力250 kN,間排距1800 mm× 1800 mm,錨索配合鋼托盤(pán)、讓壓環(huán)和11#工字鋼使用,托盤(pán)規(guī)格為250 mm×250 mm×16mm,工字鋼長(zhǎng)1 m,每根錨索使用1根。

巷道兩幫采用左旋無(wú)縱筋錨桿支護(hù),錨桿規(guī)格為?22 mm×2400 mm,每排3根錨桿,錨桿間排距1200 mm×900 mm,錨桿配合鋼托盤(pán)、菱形網(wǎng)和鋼筋梯梁使用,每排1根鋼筋梯梁,規(guī)格為3200 mm×6 mm,菱形網(wǎng)網(wǎng)格尺寸100 mm× 100 mm。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

在5201回風(fēng)巷掘進(jìn)期間,在回風(fēng)巷550 m處設(shè)置了測(cè)站,監(jiān)測(cè)了巷道左幫中部的變形量(左中)、巷道兩幫移近量(兩幫)、巷道頂板下沉量(頂中)和巷道頂?shù)装逡平?頂?shù)?,掘進(jìn)期間表面位移變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 5201回風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道表面位移變化曲線(xiàn)

由表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出：巷道表面位移大概都在距掘進(jìn)頭65 m以后,趨于穩(wěn)定。巷道由掘進(jìn)完成到巷道穩(wěn)定,巷道兩幫移近量為19 mm,為初始巷道兩幫寬度的0.3%,其中左幫移近量為11 mm;巷道頂?shù)滓平繛?2 mm,為巷道初始高度的0.6%,其中,巷道頂板下沉量為8 mm,底鼓量為14 mm,底鼓量占巷道頂?shù)卓傄平康?3.6%。從巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果看,掘進(jìn)期間5201回風(fēng)巷圍巖變形量很小。

8202工作面回采期間,又對(duì)5201回風(fēng)巷550 m處的測(cè)站進(jìn)行監(jiān)測(cè),從工作面超前于測(cè)站200 m時(shí)開(kāi)始觀測(cè)巷道表面變形情況,回采期間5201回風(fēng)巷表面位移觀測(cè)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 8202工作面回采期間5201回風(fēng)巷表面位移變化曲線(xiàn)

監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在工作面超前于5201回風(fēng)巷測(cè)站116 m范圍外,巷道穩(wěn)定,移近量未增加,在70～116 m范圍內(nèi),巷道變形略有變化,但變化不大。當(dāng)距工作面17～70 m時(shí),巷道變形量顯著增加,兩幫移近量405 mm;頂?shù)装逡平繛?52 mm。從回風(fēng)巷支護(hù)整體效果來(lái)看,高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、讓壓支護(hù)技術(shù)在金莊礦特厚破碎煤層動(dòng)壓巷道中的運(yùn)用是非常成功的。

5 結(jié)論

(1)金莊礦的地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果最大水平主應(yīng)力為12.90 MPa,最小水平主應(yīng)力為6.40 MPa,垂直主應(yīng)力11.44 MPa,測(cè)點(diǎn)的最大水平主應(yīng)力均大于垂直主應(yīng)力,應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力特點(diǎn)為σH＞σV＞σh型應(yīng)力場(chǎng)。且頂板和幫部煤體強(qiáng)度較低,節(jié)理、裂隙比較發(fā)育。

(2)從金莊礦巷道失穩(wěn)破壞機(jī)理可以看出,巷道圍巖強(qiáng)度低、節(jié)理、裂隙發(fā)育是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞的地質(zhì)原因;而錨桿強(qiáng)度低、支護(hù)剛度不夠、支護(hù)系統(tǒng)只重視支護(hù),不重視讓壓是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞的主觀原因。

(3)提出了高預(yù)緊力讓壓支護(hù)技術(shù),并在5201回風(fēng)巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,掘進(jìn)完成到巷道穩(wěn)定,巷道兩幫移近量為19 mm;8202工作面回采期間,巷道兩幫移近量為405 mm;頂?shù)装逡平繛?52 mm,巷道整體完整性好,可以滿(mǎn)足工作面的正常生產(chǎn)。

[1] 郭衛(wèi)衛(wèi),柴肇云,康天合等.軟巖動(dòng)壓巷道支護(hù)加固技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2011(10)

[2] 龐志軍,張澤飛,張建國(guó).王坡煤礦破碎煤巖體巷道支護(hù)與加固技術(shù)研究[J].中國(guó)煤炭,2014(11)

[3] 康紅普.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)研究與實(shí)踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(21)

[4] 侯朝炯,勾攀峰.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(3)

[5] 康紅普,姜鐵明,高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力在錨桿支護(hù)中的作用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(7)

[6] 康紅普,王金華,林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(12)

[7] 康紅普,王金華,林健.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)系統(tǒng)及其在深部巷道中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2007(12)

[8] 張玉國(guó),謝康和,莊迎春等.大埋深軟巖巷道錨桿索支護(hù)機(jī)理研究[J].科技通報(bào),2005(2)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on failure mechanism and supporting technology of roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam

Lu Xinfei1,Lu Chengfei2
(1.Jinzhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Datong Coal Mine Group,Datong,Shanxi 037101,China; 2.Liuta Coal Mine,Shenhua Shendong Coal Group Co.,Ltd.,Ordos,Inner Mongolia 017200,China)

In order to solve the difficult problem of supporting in roadway with dynamic pressure in extra thick and broken seam of Jinzhuang Mine,buckling failure mechanism of the roadway was analyzed basing upon geological mechanics test of the roadway surrounding rock.By means of numerical simulation,theoretical analysis,engineering analogy,and so on,a rock bolting scheme with high strength,high rigidity,high pre-tightening force and strong yielding was put forward.The supporting scheme was applied in 5201 return airway,application results showed that the yielding supporting technology with high pre-tightening force could effectively control the buckling failure of the roadway.During mining in 8202 working face,two-sided displacement of roadway was 405 mm and the convergence between roof and floor was 252 mm,the roadway supporting effect was good.

extra thick seam,roadway in seam,roadway with dynamic pressure,rock bolting,high pre-tightening force

TD353

A

蘆新飛(1974-),男,山西省右玉縣人,本科學(xué)歷,工程師,主要從事煤礦井下巷道掘進(jìn)和支護(hù)方面的工作。