高應力巷道圍巖弱結構吸能防沖機理

楊向浩

(霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦,山西 臨汾 031412)

0 引言

隨著我國煤礦綜合機械化程度、開采規模以及開采強度的不斷提高,巷道礦壓顯現愈發復雜,有效維護巷道圍巖穩定是我國大力推進煤炭資源生產利用方式改革中的重要一環。在巷道掘進和工作面開采過程中,大范圍煤層被揭露打破了地層內部的應力平衡狀態,動靜載荷雙重疊加促使煤巖體應力集中。當應力值超過煤巖體自身承載極限后,在高應力的作用下大量煤巖體結構在短時間內發生破壞,出現向巷道或工作面擠出甚至是拋射現象,同時伴隨著大量沖擊動能的釋放,造成巷道或工作面圍巖嚴重破壞,嚴重制約煤礦企業安全生產。一般針對此類工程問題,采用鉆孔卸壓、爆破卸壓以及水力壓裂等方法來有效弱化煤巖體,構建圍巖弱結構,釋放高應力優化煤巖體應力環境,有效控制巷道圍巖的穩定性[1-2]。

巷道圍巖弱結構是通過人為方式在巷道內部構建的微裂隙結構,主要用于改善圍巖復雜的應力環境,充當高應力轉移、強沖擊動載吸收的緩沖區域。弱結構形成的微裂隙相互貫通連接形成卸壓帶,將巷道圍巖淺部應力集中區向圍巖深部轉移,實現高應力的轉移;同時,相互貫通的弱結構在強沖擊動載傳遞過程中,微裂隙吸收部分沖擊波,減小沖擊能量的傳遞[3]。以山西焦煤霍州煤電辛置煤礦高應力動載沖擊巷道為工程背景,分析高應力動載沖擊巷道圍巖變形破壞特征及規律。基于圍巖弱結構吸能原理,探究圍巖弱結構不同顆粒吸能效果,揭示了弱結構吸能防沖與巷道支護結構協同作用機理,提出內置鋼管支撐護壁及反復鉆孔致裂弱結構防沖技術,進行試驗巷道工程驗證,為類似高應力動載沖擊巷道支護提供借鑒。

1 高應力動載沖擊巷道圍巖變形破壞特征

1.1 工程地質概況

山西焦煤霍州煤電辛置煤礦位于山西省臨汾市境內,礦井核定生產能力2.8 Mt/a。主采2號煤層,煤層厚度為3.65～3.85 m,平均約3.8 m,煤層傾角為3°～10°,平均約6°。2212綜采工作面地面位置位于上跑蹄村西南方向約850 m,上跑蹄工業廣場以西約1 400 m,鑫磊煤業工業廣場以南約1 400 m,南溝村以東約280 m。煤層直接頂主要以泥巖、砂泥巖為主,巖層厚度為0～7.5 m,平均約6.5m ;老頂以K8中細砂巖為主,巖層厚度為6.0～8.0 m,平均約7.2 m;直接底以泥巖為主,巖層厚度為4.0～6.5 m,平均約4.5 m。2212綜采工作面西北部為2216工作面采空區,東北部緊鄰二采區正前系統巷道,東部為2210工作面。工作面在掘進期間共揭露3條斷層,未揭露陷落柱,在工作面回采期間,由于地應力、采動應力及構造應力疊加導致局部應力高度集中,巷道圍巖變形嚴重。

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

2212工作面運輸巷沿煤層走向布置,巷道原支護設計為4 800 mm×3 700 mm(長×寬),頂板和幫部錨桿為φ22 mm×2 400 mm,其中頂板錨桿間排距為800 mm×800 mm,幫部錨桿間排距為800 mm×850 mm;錨索為φ21.6 mm×8 500 mm,間排距為1 600 mm×1 200 mm。通過現場巷道圍巖變形監測,巷道在掘進期間,巷道兩幫移近量明顯高于頂底板,煤柱幫圍巖變形最為嚴重,局部肩窩處出現明顯的擠壓變形。在工作面回采期間,巷道受采動影響嚴重,超前工作面100 m范圍內圍巖變形劇烈,出現大范圍的幫部鼓肚和片幫現象,如圖1所示。為緩解強動載沖擊帶來的巷道圍巖大變形,在巷道幫部布置鉆孔,孔徑為110 mm,深度25 m,間距2.0 m。根據原始資料記載,鉆孔卸壓施工后,巷道圍巖變形程度未得到明顯緩解,反而由于鉆孔破壞了圍巖表面結構,巷道圍巖變形程度加劇[4]。

圖1 巷道圍巖變形破壞現場照片

2 巷道圍巖弱結構吸能防沖原理及影響因素分析

2.1 圍巖弱結構吸能原理

巷道圍巖弱結構是通過人為方式在巷道支護錨固層外部構建裂隙結構,如圖2所示。在高應力作用下巷道圍巖結構破壞,以沖擊動載的方式作用于巷道圍巖上,沖擊動載以沖擊波的形式進行能量傳遞。當沖擊波經過弱結構區域時,弱結構區圍巖由于裂隙較為發育,塊體松散,可以通過4種方式進行吸能,分別是塊體松散吸能、煤巖體旋轉吸能、裂隙空間散射吸能以及破碎圍巖反射吸能。通過上述方式可以耗散大部分的沖擊能量,剩余的少部分能量由錨固層支護結構吸收,起到一個良好的吸能防沖作用[5]。

圖2 巷道圍巖弱結構吸能原理

2.2 圍巖弱結構顆粒吸能效果

2.2.1 數值計算模型

弱結構顆粒的大小直接影響巷道圍巖弱結構吸能效果,采用PFC顆粒流軟件建立不同顆粒直徑的數值模型,為消除尺寸效應,模型尺寸為100 mm×100 mm(寬×高)。同時,顆粒間的接觸通過內置接觸采用平行粘結模型本構模型建立。為有效監測不同顆粒直徑下弱結構圍巖的變形規律,在模型高度方向依等間距布置5個監測點,如圖3所示。

圖3 不同顆粒直徑數值模型及監測點示意

2.2.2 不同顆粒吸能效果分析

為探究弱結構顆粒大小對動載沖擊能量的吸收效果,對模型施加10 m/s的應力波,分別對顆粒直徑0.32 mm、0.64 mm以及0.96 mm的3種模型進行計算,計算結果如圖4所示。由圖可知,同一監測點位置處,顆粒直徑越小,巷道圍巖致裂整體效果越好,對于沖擊應力波的耗散作用越大,監測點速度衰減越大,隨著時間的推移速度逐漸趨于零。當模型計算步數為375 00時,顆粒直徑為0.96 mm、0.64 mm以及0.32 mm這3種模型速度依次衰減64.5%、75%和87.5%。由此可知,巷道圍巖弱結構顆粒越小,對于動載沖擊能量的耗散效果越大,吸能效果越好。

圖4 不同顆粒直徑時沖擊速度變化趨勢

3 弱結構吸能防沖與巷道支護結構協同作用機理

巷道圍巖弱結構能有效吸收沖擊能量,但構建弱結構的同時會影響巷道圍巖自身強度,降低巷道圍巖承載能力,誘發巷道圍巖支護錨固層的脫落。因此,在保證巷道圍巖弱結構吸能防沖的同時,還應加強巷道圍巖支護結構強度,如圖5所示,二者協同作用共同維護巷道圍巖的穩定性。

圖5 弱結構吸能防沖與巷道支護結構協同作用機理

3.1 內置鋼管支護護壁技術

巷道開挖后及時采用錨網索支護材料進行常規支護,初步構建巷道支護錨固層。同時針對高應力強動載沖擊巷道,采用鉆孔卸壓方式進行高應力轉移及卸壓。鉆孔卸壓后巷道錨固呈整體性遭到破壞,巷道圍巖裂隙發育。采用內置鋼管支護護壁技術在巷道鉆孔內進行孔壁支護,在巷道強動載沖擊能量傳遞過程中,鉆孔圍巖弱結構吸收部分沖擊動能,使得鉆孔內布置的鋼管支護鉆孔圍巖結構不會在強動載作用下發生大變形破壞,從而達到巷道圍巖弱結構吸能防沖不破壞支護結構的目的,發揮“弱中有強”的協調性。

3.2 反復鉆孔致裂弱結構防沖技術

巷道鉆孔卸壓后圍巖應力環境改變,巷道圍巖由表面至深部依次為破碎區、塑性區以及原巖應力區。其中破碎區和塑性區統稱為圍巖弱結構區域。采用反復鉆孔致裂技術,使多個鉆孔裂隙貫通形成圍巖弱化帶,增大強動載沖擊能量的耗散空間。同時,經過衰減的沖擊能量作用于巷道鉆孔圍巖,鉆孔內置鋼管可以有效抵抗剩余沖擊能量,保證巷道圍巖的穩定性[6-7]。

4 工業性試驗

4.1 試驗巷道圍巖弱結構致裂流程

結合2212工作面運輸巷實際工況,采用反復鉆孔致裂弱結構防沖技術與鋼管支護護壁技術協同作用對試驗巷道進行圍巖控制,主要施工流程如圖6所示。

圖6 試驗巷道圍巖弱結構致裂流程

巷道開掘后采用錨網索支護進行圍巖初步控制,之后在巷道兩幫布置深度10 m的鉆孔,鉆孔孔徑控制為110 mm,鉆孔間距為1.6 m,鉆孔位置位于巷道頂板下方1.9 m處。鉆孔按照基本參數布置完成后,在鉆孔孔內放置長度為10 m的礦用鋼管,鋼管外露端設置螺絲接口,在巷道表面進行連接。

利用鉆桿工具深入鋼管內部進行鉆孔深度施工,施工長度為10 m,在施工過程中反復鉆進,在鋼管內部端頭處形成圍巖弱結構,反復鉆孔致裂使多個鉆孔裂隙貫通形成圍巖弱化帶。在此過程中分別取巷道兩幫煤壁巖樣進行微觀裂隙觀測,測定的第2次和第3次鉆孔過程中煤壁巖樣弱化系數分別為25%和35%。

每個鉆孔施工后停滯1 d,利用圍巖自身受壓進行致裂,進一步擴大圍巖致裂效果形成較大的圍巖弱結構,利用反復鉆孔致裂技術進一步增大巷道圍巖弱結構的破裂度[8-9]。

4.2 試驗巷道整體維護效果分析

為驗證試驗巷道采用反復鉆孔致裂弱結構防沖技術與鋼管支護護壁技術協同支護技術后巷道圍巖的控制效果,在巷道頂板布置頂板離層儀。其中測點深基點深度為8.5 m,淺基點深度為2.4 m。

由圖7(a)可知,采用圍巖協同控制技術后,巷道圍巖變形量得到明顯控制,其中1#測點深基點最大變形量為32 mm,淺基點最大變形量為26 mm;2#測點深基點和淺基點最大變形量均為15 mm。巷道幫部圍巖弱結構的形成,改善圍巖復雜的應力環境,充當高應力轉移、強沖擊動載吸收的緩沖區域,將巷道圍巖淺部應力集中區向圍巖深部轉移,實現高應力的轉移。同時,幫部圍巖弱結構的形成未對巷道頂板造成破壞。隨著時間的推移,巷道頂板未發生離層現象,進一步驗證了巷道幫部弱結構及支護構件的協調作用有利于頂板圍巖的穩定性。

圖7 巷道表面變形量變化曲線

由圖7(b)可知,巷道幫部圍巖弱結構形成的30 d后巷道圍巖變形逐漸趨于穩定,前30 d時間內未對巷幫圍巖實施弱結構致裂技術,巷道兩幫最大位移量為187 mm,實施巷幫圍巖弱結構致裂技術后,巷道兩幫最大位移量為203 mm。通過對比可知,圍巖結構不會破壞巷道圍巖的穩定承載結構,可以達到有效的吸能防沖目的,發揮“弱中有強”的協調性[10-12]。

5 結論

(1)弱結構吸能防沖與巷道支護結構協同支護技術,在巷道強動載沖擊能量傳遞過程中,鉆孔圍巖弱結構吸收部分沖擊動能,鉆孔內布置的鋼管支護鉆孔圍巖結構不至于在強動載作用下發生大變形破壞,從而達到巷道圍巖弱結構吸能防沖不破壞支護結構的目的,發揮“弱中有強”的協調性。

(2)試驗巷道應用協調支護技術后,巷道頂未發生離層現象,最大變形量為32 mm,巷道兩幫最大位移量為203 mm,有效控制了巷道圍巖變形,效果顯著。