空間近距離交錯(cuò)巷道圍巖應(yīng)力分布及控制技術(shù)研究

2024-01-23 01:47:06馬芳進(jìn)

煤礦現(xiàn)代化 2024年1期

關(guān)鍵詞：圍巖變形

李寧，李昂，馬芳進(jìn)

（臨縣錦源煤礦有限公司，山西臨縣 033200）

0 引言

巷道的穩(wěn)定性一直是煤礦井下開(kāi)采的一個(gè)重要課題。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)龐大繁雜，井下巷道錯(cuò)綜，巷道交叉在所難免。巷道的初次開(kāi)挖會(huì)造成原有圍巖應(yīng)力平衡的破壞，造成應(yīng)力的重新分配，而巷道的相互交叉又會(huì)再次對(duì)原本也就是有巷道的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，使得原本平衡后也就是有巷道的圍巖應(yīng)力再次發(fā)生應(yīng)力分配，從而導(dǎo)致靠近巷道交叉段的圍巖應(yīng)力更加復(fù)雜，加劇了圍巖的變形。因此，在巷道交會(huì)處，為了保證巷道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，往往需要加大支護(hù)力度。巷道穩(wěn)定性分析和支護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)一直是巷道交叉段的圍巖穩(wěn)定性控制難度較大。

而此前較多研究主要針對(duì)平面交叉巷道，隨著礦井生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)及含煤地系的賦存變化，井下巷道布置無(wú)可避免存在空間交錯(cuò)情況，進(jìn)而造成初次開(kāi)挖巷道圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)因交錯(cuò)巷道掘進(jìn)擾動(dòng)發(fā)生變化，引起圍巖應(yīng)力再分配，加劇巷道圍巖變形程度。山西臨縣錦源煤礦建設(shè)期間為滿足礦井存蓄水要求，在礦井東南部設(shè)計(jì)施工一處中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)，內(nèi)水倉(cāng)施工中需下穿一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷，且距上伏巷道底板巖柱高度僅為5.6 m。以此為背景，通過(guò)理論+數(shù)值模擬方式分析圍巖應(yīng)力變化特點(diǎn)，開(kāi)展交錯(cuò)巷道支護(hù)方式優(yōu)化，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安全施工及類似條件圍巖控制具有十分重要的研究意義。

1 基本概況

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)位于臨縣錦源井田的東南部，對(duì)應(yīng)地面主要有湫水河、南圪垛村，地面標(biāo)高為+708.8～+730.4 m。內(nèi)環(huán)水倉(cāng)設(shè)計(jì)沿+302 m 水平輔助運(yùn)輸巷底板掘進(jìn)，自+302 水平輔助運(yùn)輸巷施工至內(nèi)外水倉(cāng)交叉點(diǎn)后，經(jīng)2 次轉(zhuǎn)彎后變小斷面至施工結(jié)束，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)243 m，斷面凈尺寸4.0×3.0 m。工作面采用鉆孔爆破法掘進(jìn)，側(cè)卸式裝巖機(jī)裝渣出矸。巷道至第一次轉(zhuǎn)彎把正掘進(jìn)57 m 后開(kāi)始下穿一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷，巷道斷面5.5 m×5.25 m，采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)方式，兩者巖柱高度為5.6 m，空間位置關(guān)系見(jiàn)圖1。內(nèi)水倉(cāng)施工層位位于太原組L5、L4 灰色石灰?guī)r層內(nèi)，以深灰色砂質(zhì)泥巖及黑灰色泥巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎。該巷道掘進(jìn)主要受薄層灰?guī)r含水層水影響，L5 灰?guī)r厚度為1.56～9.51 m，平均厚度為4.7 m，L5、L4 灰?guī)r含水層賦存裂隙（巖溶裂隙不發(fā)育）承壓水受構(gòu)造條件的限制，含水層富水性不均一，鉆孔單位涌水量為0.007～0.013 L/s.m，屬弱富水含水層。圍巖巖性及物理力學(xué)特征見(jiàn)表1。

圖1 內(nèi)水倉(cāng)交錯(cuò)巷道位置關(guān)系平、剖面圖

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)表

2 交錯(cuò)巷道應(yīng)力分布特點(diǎn)

巷道開(kāi)挖后，原巖應(yīng)力場(chǎng)因工程擾動(dòng)發(fā)生應(yīng)力重新分布，造成巷道圍巖處于集中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變形破壞，待應(yīng)力形成二次平衡狀態(tài)后巷道變形趨于穩(wěn)定。受下位巷道掘進(jìn)影響，上位巷道圍巖形成的二次應(yīng)力平衡狀態(tài)再次破壞，勢(shì)必造成上位巷道圍巖產(chǎn)生新的變形趨態(tài)。巷道開(kāi)挖形成后，開(kāi)挖空洞作為自由面，使周邊圍巖應(yīng)力釋放并將三軸應(yīng)力狀態(tài)降維成單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力點(diǎn)向巷道圍巖深部遷移并形成高應(yīng)力集中區(qū)。而對(duì)于空間近距離交錯(cuò)巷道而言，由于上部巷道在開(kāi)挖一段時(shí)間后應(yīng)力狀態(tài)已形成平衡，在下部巷道開(kāi)挖擾動(dòng)后，其平衡應(yīng)力重新分布，并與下部巷道開(kāi)挖擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)相互疊加，從而造成圍巖應(yīng)力普遍增大，如圖2 所示，巷道圍巖受應(yīng)力反復(fù)加載屈服破壞，造成巷道圍巖穩(wěn)定性變差。

圖2 空間近距離交錯(cuò)巷道圍巖應(yīng)力分布圖

對(duì)于空間近距離交錯(cuò)巷道，空間交錯(cuò)垂距、角度及圍巖強(qiáng)度等因素是影響交錯(cuò)點(diǎn)附近應(yīng)力大小和范圍的主要原因，一般認(rèn)為，隨著交錯(cuò)垂距的增大、交錯(cuò)角度的增大，應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而在相同擾動(dòng)條件下，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度越大，交錯(cuò)地段所受的擾動(dòng)影響越小。

為進(jìn)一步掌握交錯(cuò)巷道圍巖變形機(jī)制，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬空間交錯(cuò)巷道結(jié)構(gòu)模型，該模型主要以一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷和中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)巷道為研究對(duì)象，對(duì)內(nèi)環(huán)水倉(cāng)巷道施工期間一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析。具體為內(nèi)環(huán)水倉(cāng)巷道每推進(jìn)1 m，模擬分析一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷的應(yīng)力分布和圍巖位移變化情況，為后續(xù)巷道支護(hù)及巖柱加固提供參考。通過(guò)對(duì)實(shí)際模擬情況進(jìn)行分析，得出其應(yīng)力狀態(tài)分布及變形特點(diǎn)如圖3 及圖4 所示。

圖3 水平應(yīng)力分布特點(diǎn)

圖4 垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)

從圖中可以看出：

1）下伏巷道掘進(jìn)期間，相較于水平應(yīng)力，垂直應(yīng)力對(duì)上伏巷道產(chǎn)生的應(yīng)力作用更明顯。而在穿越上伏巷道后，下伏巷道所受垂直應(yīng)力減小，上伏巷道也處于應(yīng)力降低區(qū)。

2）受下位巷道掘進(jìn)影響，上位巷道底板應(yīng)力發(fā)生釋放造成該處圍巖出現(xiàn)變形破碎，同時(shí)在下位巷道底板形成高應(yīng)力集中區(qū)，誘發(fā)巷道底鼓；而上位巷道頂板及兩幫也因應(yīng)力卸載發(fā)生拉伸破壞，下位巷道兩幫發(fā)生對(duì)稱性剪切破壞特點(diǎn)。通過(guò)模擬可知，為保證上位巷道圍巖穩(wěn)定，關(guān)鍵是保證下位巷道掘進(jìn)頂板支護(hù)強(qiáng)度，確保巖柱穩(wěn)定，因此需增強(qiáng)下位巷道掘進(jìn)支護(hù)強(qiáng)度。

3 圍巖控制支護(hù)方式

由自穩(wěn)隱形拱和拱形效果應(yīng)知：不管巷道圍巖如何軟碎，只要它還是連續(xù)介質(zhì)，即使巷道圍巖有冒頂、片幫的現(xiàn)象，這種片幫、冒頂現(xiàn)象也不會(huì)是無(wú)窮大的，最終必然會(huì)達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài)，因此，在巷道圍巖中，不存在冒頂、冒頂?shù)默F(xiàn)象。同樣也就是說(shuō)，在巷道圍巖平衡自穩(wěn)的過(guò)程中，巷道圍巖存在冒頂、片幫的危險(xiǎn)是有可能的，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用不是也抗不住原來(lái)的地應(yīng)力，它的作用是使圍巖的自穩(wěn)能力和自穩(wěn)結(jié)構(gòu)得到最大限度的利用，并在自穩(wěn)過(guò)程中對(duì)可能出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)膸r層進(jìn)行支撐，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。

內(nèi)水倉(cāng)原支護(hù)方式采用雙層錨網(wǎng)索+ 錨噴支護(hù)，錨桿φ22 mm×2 400 mm，桿體屈服強(qiáng)度≥335 MPa、抗拉強(qiáng)度≥380 MPa，錨固力不小于80 kN，預(yù)緊力200 kN，矩形布置，間排距800 mm×800 mm。錨索型號(hào)φ17.8 mm×5 300 mm，三排布置，錨索間排距1 200 mm×2 400 mm。噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，噴厚100 mm。斷面支護(hù)形式見(jiàn)圖5。結(jié)合自穩(wěn)隱形拱和拱效應(yīng)理論，為保證下穿一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷時(shí)巖柱的穩(wěn)定性和圍巖強(qiáng)度，優(yōu)化進(jìn)入下穿影響段巷道支護(hù)方式為錨網(wǎng)索+U 型棚+ 噴漿支護(hù)，U 型棚間距800 mm，同時(shí)縮小錨索間排距為1 200 mm×1 600 mm 優(yōu)化后的支護(hù)形式見(jiàn)圖6。

圖5 原巷道支護(hù)方式

此外，針對(duì)上下位巷道巖柱高度較小，圍巖強(qiáng)度整體偏弱等情況，可采取注漿加固方式強(qiáng)化巖柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。注漿加固是指在破碎圍巖裂隙中按一定配比注入可快速固化、滲透性強(qiáng)、漿液順巖體內(nèi)部裂隙擴(kuò)散、凝固、硬化，使松散破碎的圍巖在漿液粘結(jié)作用下粘合成一個(gè)穩(wěn)定的整體，從而提高注漿泵等設(shè)備或其他手段對(duì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)性能的一種物理或化學(xué)方法。并加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使之達(dá)到了有的放矢的作用。

選擇注漿材料的原則：注漿材料的性能決定注漿效果，保證巷道加固工程成功的基礎(chǔ)是合理選擇注漿材料。注漿材料的選擇應(yīng)考慮以下因素：

1）包括圍巖裂隙發(fā)育程度、裂隙開(kāi)度、維修加固巷道圍巖破壞范圍和深度等在內(nèi)的巷道圍巖結(jié)構(gòu)面分布狀況和圍巖變形破壞情況。

2）對(duì)固結(jié)體抗變形能力的要求，以及注漿施工后的整體性。對(duì)常設(shè)工程，如井筒，探路，預(yù)備巷道等，注漿后抗變形能力要足；相對(duì)服務(wù)期較短的采區(qū)巷道和回采工作面，應(yīng)以保持圍巖整體性為主。

對(duì)上下行巷道巖柱注漿加固工程施工前，要在此基礎(chǔ)上，全面了解上下行巷道的工程特點(diǎn)、巖體類型及參數(shù)、圍巖賦存結(jié)構(gòu)、注漿材料的合理確定、配比等施工參數(shù)及施工工藝等圍巖地質(zhì)及施工條件，其中注漿加固的主要參數(shù)為：不同的參數(shù)組合會(huì)對(duì)注漿加固效果造成不同程度的影響，甚至?xí)茐膸r柱強(qiáng)度，如注漿壓力、注漿量、漿液擴(kuò)散半徑、注漿孔布設(shè)方式和注漿時(shí)間控制等。

1）注漿壓力：注漿壓力的大小主要取決于巖柱自身的裂隙發(fā)育狀況，需要滲透的可滲透性，需要滲透的范圍，滲透性質(zhì)的漿液等。以本文中的巖柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，在使用水泥漿液加固時(shí)，圍巖強(qiáng)度較低，破碎嚴(yán)重時(shí)，注漿壓力控制在0.5MPa 左右，如果巖柱結(jié)構(gòu)比較完整，裂隙發(fā)育小時(shí)，則控制在1~2 MPa。如果圍巖強(qiáng)度較低，其抗壓強(qiáng)度的1/3 范圍內(nèi)應(yīng)控制注漿壓力。

2）注漿量：巖柱注漿量的控制主要與圍巖的吸漿量有關(guān)，也與注漿壓力有關(guān)，更與注漿時(shí)間的長(zhǎng)短也有很大的關(guān)系。圍巖吸漿量因巖性不同，裂隙發(fā)育狀況不同，松動(dòng)圈范圍不同而有較大差異。為確保注漿能填滿巖柱內(nèi)的裂隙，原則上應(yīng)注滿，直至不出漿。

3）注漿孔布設(shè)方式：注漿孔布設(shè)參數(shù)主要是指注漿鉆孔之間的排距和進(jìn)深，注漿鉆孔的排距和進(jìn)深是指注漿鉆孔的排距。選擇注漿孔間的排距與擴(kuò)散半徑有很大的關(guān)系。注漿孔的孔距應(yīng)使2 個(gè)噴漿孔的擴(kuò)散范圍有一定的交叉，應(yīng)取0.65～0.75 左右的系數(shù)，小于2 倍的擴(kuò)散半徑。圍巖裂隙發(fā)育、破碎區(qū)邊緣應(yīng)達(dá)到注漿深度。深部圍巖裂隙未發(fā)育，漿液不易滲入，所以鉆得太深不會(huì)起到太大的效果。

4）漿液擴(kuò)散半徑：是以(鉆孔密度、深度等)為重要依據(jù)，確定注漿鉆孔布局參數(shù)。巖體內(nèi)漿液的擴(kuò)散路線主要沿裂隙推進(jìn)，因此是不規(guī)則的，隨著巖體滲透參數(shù)、裂隙發(fā)育、注漿壓力和注漿時(shí)長(zhǎng)的增加而增加，同時(shí)由于漿液濃度和配比等因素呈現(xiàn)出相反的效果，因此漿液的擴(kuò)散半徑具有較多的不確定性，目前主要以類似地質(zhì)條件下的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定漿液的擴(kuò)散半徑，由于巖體滲透參數(shù)的增加、裂隙發(fā)育由于巖體的滲透參數(shù)以及注漿壓力、注漿量、濃度等參數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的大小進(jìn)行了調(diào)整。

5）注漿時(shí)間控制：注漿時(shí)間多根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿效果而定，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至造成巖柱內(nèi)裂隙裂開(kāi)擴(kuò)大，削弱巖體自身強(qiáng)度，會(huì)造成漿液溢出擴(kuò)散；太短的時(shí)間，注漿就不行了。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)裂隙未發(fā)育的圍巖，吸漿速度較慢，漿液難以擴(kuò)散，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)注漿時(shí)間，同時(shí)提高注漿壓力，以提高注漿效果。

現(xiàn)場(chǎng)采用十字觀測(cè)法進(jìn)行內(nèi)水倉(cāng)下穿巷道段圍巖變形觀測(cè)，其變形結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出，巷道頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭褪諗苛孔兓厔?shì)基本一致，均表現(xiàn)出先快速增大，后趨于穩(wěn)定的特征，主要原因是受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響。穩(wěn)定后頂?shù)装逑鄬?duì)移近量最大變形量為45 mm，兩幫相對(duì)移近量最大變形值為26 mm，均能保證有效的巷道斷面利用率，表明優(yōu)化后的支護(hù)方式能夠有效保證交錯(cuò)巷道中間巖柱及圍巖的穩(wěn)定，促進(jìn)其形成整體承載結(jié)構(gòu)。

圖7 巷道圍巖變形趨勢(shì)

4 結(jié) 論

本文以錦源煤礦內(nèi)水倉(cāng)下穿一采區(qū)輔助運(yùn)輸巷為工程背景，通過(guò)理論+數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法，研究了近距離空間交錯(cuò)巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)數(shù)值模擬分析，得出上位巷道受下位掘進(jìn)影響造成巖柱出現(xiàn)拉剪變形破壞，同時(shí)在下位巷道底板形成高應(yīng)力集中區(qū)，誘發(fā)巷道底鼓；而上位巷道頂板及兩幫也因應(yīng)力卸載發(fā)生拉伸破壞，下位巷道兩幫發(fā)生對(duì)稱性剪切破壞特點(diǎn)。