多次強(qiáng)動(dòng)壓巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)機(jī)理及控制技術(shù)研究*

李國(guó)盛，張 輝,2,3，蔣帥旗

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013； 3.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0 引言

安全、有效的巷道支護(hù)及加固技術(shù)是保證礦井高產(chǎn)高效的必要條件。近年來，隨著煤礦開采深度不斷地向深處延伸，地質(zhì)條件惡化，地應(yīng)力增大，導(dǎo)致煤礦巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，其中最重要的原因是巷道圍巖的穩(wěn)定受到了周圍煤層群的采動(dòng)作用的影響，在多次強(qiáng)動(dòng)壓作用下，巷道圍巖出現(xiàn)了多維度不對(duì)稱的變形破壞，極大地影響了煤礦的安全生產(chǎn)。而在其中對(duì)整個(gè)煤礦起到運(yùn)輸作用的下山巷道，在為煤礦長(zhǎng)期的服務(wù)過程中，其破壞程度是最為嚴(yán)重的，從而對(duì)煤礦長(zhǎng)期的安全高效生產(chǎn)造成巨大的威脅。

下山巷道變形破壞是采動(dòng)影響、地質(zhì)構(gòu)造影響、巖性影響和支護(hù)形式及參數(shù)等多種因素綜合作用的結(jié)果[1]。針對(duì)下山巷道圍巖受采動(dòng)擾動(dòng)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作。相關(guān)學(xué)者對(duì)動(dòng)壓作用下的巷道圍巖變形破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的分析[2-7]，同時(shí)部分學(xué)者對(duì)其控制措施展開了探討。廖偉峰等[8]、宋錦虎等[9]提出了讓壓支護(hù)技術(shù)的控制對(duì)策；魯?shù)仑S等[10]提出了錨-網(wǎng)-索-注多層次組合控制方案；方新秋等[11-13]提出了大巷加固及采用二次支護(hù)方法控制圍巖變形的方案；李長(zhǎng)勇[14]提出了采用更改支護(hù)工藝及支護(hù)材料的方法維護(hù)巷道的變形量；韋四江等[15]認(rèn)為在超前支承壓力的峰值階段采取加強(qiáng)支護(hù)措施；陳曉祥等[16]提出了“攜頂?shù)?，控兩幫”的支護(hù)思想。

本文結(jié)合灣田煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，提出了巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)機(jī)理，利用數(shù)值模擬及理論分析方法系統(tǒng)研究了巷道圍巖“錨桿錨索+內(nèi)外注漿”聯(lián)合強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)，對(duì)多次強(qiáng)動(dòng)壓作用巷道圍巖控制提供可靠的借鑒。

1 工程地質(zhì)特征

灣田煤礦位于貴州省盤縣淤泥鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于盤縣土城普查區(qū)內(nèi)土城向斜。目前，灣田煤礦主要對(duì)1#煤、3#煤、61#煤、10#煤、12#煤和15#煤進(jìn)行了開采，局部對(duì)161#煤、17#煤進(jìn)行開采。灣田煤礦的皮帶下山、軌道上山、回風(fēng)上山3條主要大巷間距約20 m，沿煤層傾斜方向布置，傾角22°，均位于161#煤與17#煤之間的巖層中，巷道掘進(jìn)寬度4 500 mm，掘進(jìn)高度為3 400 mm，直墻高度950 mm，且沿煤層傾斜方向布置。多煤層開采對(duì)3條下山造成多次強(qiáng)動(dòng)壓作用，巷道變形破壞嚴(yán)重。灣田煤礦巖層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，伴有古生物化石，巖石膠結(jié)程度差，強(qiáng)度低。

2 圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)機(jī)理及控制技術(shù)

2.1 圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)機(jī)理分析

根據(jù)多次強(qiáng)動(dòng)壓作用巷道圍巖形成的環(huán)形破壞區(qū)模型，提出巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)方法，如圖1所示。圖中注漿區(qū)域分為內(nèi)注漿區(qū)和外注漿區(qū)，內(nèi)注漿區(qū)與錨桿錨索錨固共同形成圍巖錨固區(qū)，外注漿區(qū)形成圍巖強(qiáng)化區(qū)，在外注漿區(qū)與內(nèi)注漿區(qū)之間形成應(yīng)力釋放區(qū)。動(dòng)壓作用下，強(qiáng)化區(qū)圍巖強(qiáng)力抵抗外力作用的同時(shí)，向應(yīng)力釋放區(qū)產(chǎn)生彈性變形釋放部分能量，抵抗了強(qiáng)動(dòng)壓的作用；此時(shí)強(qiáng)化錨固區(qū)在應(yīng)力釋放區(qū)緩沖的同時(shí)，有效控制緩沖區(qū)的變形，而使得強(qiáng)化區(qū)巖體不一直向緩沖區(qū)移動(dòng)，從而較好地控制多次動(dòng)壓影響巷道圍巖的變形破壞。

圖1 巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)理論模型Fig.1 Surroundingrock roadway “three zones” reinforcement support theory model

2.2 圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)控制技術(shù)

巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)原理是通過錨桿錨索及內(nèi)外注漿形成聯(lián)合強(qiáng)化支護(hù)，如圖2所示，其施工步驟為：①擴(kuò)幫刷巷及初噴，及時(shí)噴射混凝土薄噴層，為內(nèi)注漿做準(zhǔn)備；②內(nèi)注漿形成內(nèi)強(qiáng)化區(qū)，內(nèi)注漿采用注射雙液漿，及時(shí)固化，注漿范圍為錨桿錨索錨固區(qū)，注漿孔施工深度為錨索孔長(zhǎng)度，注漿管采用6分管，雙液漿沾棉紗封孔；③高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)，采用高強(qiáng)度錨桿錨索對(duì)下山圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，使得錨固區(qū)與內(nèi)注漿區(qū)及時(shí)形成一個(gè)強(qiáng)化錨固區(qū)；④外注漿形成外強(qiáng)化區(qū)，外注漿為深孔注漿，由于外注漿鉆孔深度較大，且需要在深部進(jìn)行封孔才能形成應(yīng)力釋放區(qū)，使得注漿管長(zhǎng)度較大，且要求注漿管必須是柔性的。

圖2 注漿方法示意Fig. 2 Diagram of grouting method

3 巷道圍巖強(qiáng)化區(qū)承載性能力學(xué)分析

1)上覆巖層載荷確定

自然平衡拱內(nèi)最大圍巖壓應(yīng)力值為：

qmax=Rγ/f

(1)

式中：R為半圓拱半徑，12 m；f為巖體堅(jiān)固系數(shù)，取0.76；γ取2.5×104N/m3。代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得最大圍巖壓應(yīng)力值為0.39 MPa。

2)強(qiáng)化區(qū)安全半徑確定

根據(jù)普氏平衡拱理論，有：

(2)

式中：a1，b分別為自然平衡拱的最大跨度、最大高度，m；其中a為直拱部分的跨度，2.25 m；h為直拱的高度，3.2 m；φ為巖體的內(nèi)摩擦角，取45°；R安為強(qiáng)化區(qū)安全半徑，m。將以上參數(shù)代入到公式(2)，可得R安=11.87 m，而實(shí)際半圓拱半徑為12 m，滿足要求。

3) 強(qiáng)化區(qū)抗拉破壞力學(xué)分析

將巷道簡(jiǎn)化為平面半圓筒受力，強(qiáng)化區(qū)半徑為R，厚度為h，半圓拱受均布載荷q的作用，半圓拱兩端受簡(jiǎn)支梁約束，模型受力分析如圖3所示。

圖3 強(qiáng)化區(qū)受力力學(xué)分析Fig.3 Stress analysis of reinforced zones

根據(jù)平衡條件：

(3)

考慮拱的破壞為強(qiáng)化區(qū)拱梁的拉破壞造成，則需求解半圓拱梁所受最大彎矩Mmax，彎矩Mα的計(jì)算式可表示為：

Mα=qR2-qR2cosα-Mq

(4)

式中：Mq為上覆巖層載荷q對(duì)α角度時(shí)端部彎矩，其中：

(5)

當(dāng)α角度取π/2時(shí)，Mq取得最大值，則：

Mqmax=0.17qR2

(6)

可計(jì)算出強(qiáng)化區(qū)所受的最大拉應(yīng)力σmax為：

(7)

結(jié)合以上計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)高水材料膠結(jié)體穩(wěn)定抗拉強(qiáng)度為0.92 MPa，q為最大圍巖壓應(yīng)力值0.39 MPa，根據(jù)式(7)可得半圓拱厚度必須滿足：

(8)

下山實(shí)際強(qiáng)化區(qū)拱梁半圓拱的拱厚為8 m，滿足抗拉強(qiáng)度要求。

4)強(qiáng)化區(qū)抗剪破壞分析

圓形拱的內(nèi)半徑為a，外半徑為b，外半徑邊緣受均布載荷q的作用，抗剪力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 強(qiáng)化區(qū)圓形拱抗剪受力模型Fig.4 Shear force model of circular arch in reinforced area

極坐標(biāo)系下應(yīng)力分量與應(yīng)力函數(shù)間的關(guān)系為：

(9)

根據(jù)圓形拱的邊界條件：σrr=a=-q，σrr=b=0

于是可解得圓拱的徑向應(yīng)力：

(10)

當(dāng)r取a時(shí)，拱腳所受剪應(yīng)力達(dá)到最大值，為：

(11)

將以上參數(shù)分別代入到公式(9)～(11)中，計(jì)算可得σθmax=0.8 MPa，而實(shí)際半圓拱膠結(jié)體穩(wěn)定時(shí)的抗剪強(qiáng)度為1.1 MPa，滿足要求。

4 圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)結(jié)果及分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

利用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件，依據(jù)灣田煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，如圖5所示，對(duì)“錨桿錨索+內(nèi)外注漿”聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行模擬。模型上邊界為10#煤層上方24 m，下邊界距17#煤11 m，均向下山方向推進(jìn)；右邊界距皮帶下山中心30 m，左邊界距回風(fēng)上山中心30 m。上邊界上方距地表約210 m，水平方向測(cè)壓系數(shù)為1.2。模型頂部所加的垂直方向應(yīng)力σy為8.2 MPa，水平方向應(yīng)力σx為6.2 MPa。各巖層及煤層的巖性如表1所示，數(shù)值模擬方案如表2所示。

圖5 工程數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Engineering numerical calculation model

序號(hào)巖性密度/(kg·m-3)彈性模量/Gpa抗壓強(qiáng)度/Mpa泊松比1粉砂巖2 73210.7335.840.222煤層1 5073.1220.050.403砂質(zhì)泥巖2 5118.7534.160.214泥巖2 4618.7533.40.265細(xì)砂巖2 8733.3436.00.35

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numerical simulation scheme

2)“錨桿錨索+內(nèi)注漿”模擬結(jié)果分析

由于限于篇幅，本文主要對(duì)皮帶下山巷道圍巖第三次、第五次動(dòng)壓作用下的水平、垂直位移及塑性破壞特征進(jìn)行分析。圖6為第三次動(dòng)壓作用“錨桿錨索+內(nèi)注漿”支護(hù)力學(xué)特征分布云圖。圖中注漿范圍為錨桿錨索錨固區(qū)，錨桿錨索處于注漿加固區(qū)，注漿壓力為3.0 MPa，水灰比為1∶1，注漿孔布置深度6.0 m，間距為1.5 m，所受的軸向力在錨桿承受范圍內(nèi)，頂板下沉量得到有效控制，但具有一定的底鼓，水平位移量較小，錨桿錨索所處的塑性破壞區(qū)得到有效重新加固，形成一個(gè)具有高強(qiáng)度的承載拱。

圖6 內(nèi)注漿圍巖力學(xué)特性Fig.6 Internal grouting surrounding rock mechanical properties

3)“錨桿錨索+外注漿”模擬結(jié)果分析

圖7為第五次動(dòng)壓作用巷道圍巖外注漿力學(xué)特征分布云圖，注漿壓力為3.0 MPa，水灰比為1∶1，外注漿孔布置深度為15 m，間距為2.5 m；在內(nèi)外注漿區(qū)之間0.8 m范圍不進(jìn)行注漿，使之形成一個(gè)動(dòng)壓作用緩沖區(qū)，多煤層開采后使其起到動(dòng)壓傳遞的作用，同時(shí)也保護(hù)外注漿層；皮帶下山受第五次動(dòng)壓作用頂板下沉基本得到有效控制，同時(shí)底鼓也得到有效控制；水平位移量較小，錨桿錨索內(nèi)注漿區(qū)與外注漿區(qū)形成“三個(gè)區(qū)”：即圍巖錨固區(qū)、圍巖強(qiáng)化區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)，對(duì)后期巷道圍巖受強(qiáng)動(dòng)壓作用，達(dá)到了理想的控制效果。

圖7 內(nèi)外注漿圍巖力學(xué)特性Fig.7 Inside and outside grouting surrounding rock mechanical properties

4.2 井下工程試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)灣田煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件及理論計(jì)算、數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)該礦多次動(dòng)壓作用巷道圍巖進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

1)試驗(yàn)地點(diǎn)及方案：位于皮帶下山皮帶機(jī)尾(1485水平車場(chǎng)石門)以下，共計(jì)840 m；方案設(shè)計(jì)采用“先注后錨的方案進(jìn)行治理”，即全斷面高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨注支護(hù)。

2)支護(hù)設(shè)計(jì)方案：巷道斷面為直墻半圓拱形，寬度為4.5 m，高度為3.55 m；注漿采用內(nèi)外注漿相結(jié)合的方法，注漿技術(shù)參數(shù)如圖8所示。內(nèi)注漿鉆孔沿巷道幫頂成排布置，注漿孔間排距2 000 mm×2 000 mm，三花布置，深度為6 000 mm，注漿終止壓力0.3～1 MPa左右，注漿材料采用水泥-水玻璃混合漿液，水泥漿和水玻璃的體積比1∶0.6；水泥采用425硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為0.5∶1；使用萘系高效減水劑，減水劑摻入量0.7%～1%；注漿封孔材料使用水泥-水玻璃混合液和棉紗固定孔管并封孔，封孔深度不小于300 mm。外注漿參數(shù)與內(nèi)注漿一致，外注漿孔與內(nèi)注漿孔交叉三花眼布置，注漿孔深度15 000 mm，注漿材料采用自制的復(fù)合高強(qiáng)聚合物注漿材料，水泥漿水灰比為0.5∶1，注漿終止壓力4～6 MPa。支護(hù)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿錨索錨固區(qū)位于內(nèi)注漿區(qū)(錨固區(qū))，錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼筋，公稱直徑22 mm，長(zhǎng)度2 200 mm，錨桿間排距900 mm×1 000 mm，矩形排列；錨索采用1×19股鋼絞線，公稱直徑22 mm，長(zhǎng)度6 300 mm，每排5根，錨索間排距1 700 mm×2 000 mm，矩形排列。支護(hù)效果如圖8所示。

圖8 注漿孔技術(shù)參數(shù)Fig. 8 Technical parameters of grouting hole

3)試驗(yàn)結(jié)果分析：監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示，采用“錨桿錨索+內(nèi)外注漿”聯(lián)合支護(hù)控制技術(shù)。10 d后，皮帶下山頂板下沉量最大值為135 mm，為巷道高度的4.29%，頂板下沉量表現(xiàn)出初期變形量大且變形速度快的特點(diǎn)，頂板下沉量在距開挖后3～5 d內(nèi)變形非常明顯，5 d之后基本穩(wěn)定；皮帶下山底鼓量在巷道開挖2 d后出現(xiàn)顯著變形，監(jiān)測(cè)期間累計(jì)底鼓量160 mm，為巷道高度的4.92%；兩幫變形量較小，監(jiān)測(cè)期間左右兩幫的移近量累計(jì)30 mm，為巷道寬度的0.7%，其中左幫移近20 mm，右?guī)鸵平?0 mm，有效地控制了多次動(dòng)壓影響巷道圍巖的變形破壞。

圖9 離層量觀測(cè)曲線Fig.9 Separation layer observation curve

5 結(jié)論

1)根據(jù)下山多次動(dòng)壓作用圍巖形成的環(huán)形破壞區(qū)模型，提出了巷道圍巖“三區(qū)”強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)，即圍巖錨固區(qū)、圍巖強(qiáng)化區(qū)和應(yīng)力釋放區(qū)，將注漿區(qū)分為內(nèi)注漿區(qū)和外注漿區(qū)。

2)數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果表明注漿能夠有效的膠結(jié)破碎的圍巖體，錨桿錨索基本處于注漿加固區(qū)，所受的軸向力在錨桿錨索承受范圍內(nèi)；錨桿錨索所處的塑性破壞區(qū)得到有效重新加固，形成一個(gè)具有高強(qiáng)度的承載拱，頂板下沉和底鼓得到了有效的控制。

3)通過采用“錨桿錨索+內(nèi)外聯(lián)合注漿”支護(hù)方式進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明皮帶下山頂板下沉量和底鼓量不足為巷道高度的5%；兩幫變形量為巷道寬度的0.7%，有效地控制了巷道圍巖的變形破壞。

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