楊吉平,姜 光,王益品,朱守頌

(1.神華寧煤集團(tuán)金能煤業(yè)公司,寧夏石嘴山 753000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

富水軟巖異形巷道支護(hù)技術(shù)

楊吉平1,姜 光2,王益品2,朱守頌2

(1.神華寧煤集團(tuán)金能煤業(yè)公司,寧夏石嘴山 753000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008)

以某礦 10022工作面回采巷道為例,針對(duì)富水軟巖巷道難支護(hù)的實(shí)際情況,通過(guò)RFPA數(shù)值模擬軟件對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行模擬,分析了不同載荷下巷道圍巖應(yīng)力以及滲流的變化情況,總結(jié)出巷道圍巖變形的規(guī)律,并據(jù)此提出了加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方式,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用,取得了良好的效應(yīng)。

富水;軟巖;RFPA數(shù)值模擬;桁架

Supporting Technology of Roadway with HighWater-content and Soft Rock

近二十年來(lái)我國(guó)煤礦采深不斷加大,整體開(kāi)采條件趨于艱難,部分礦井的新掘巷道破壞嚴(yán)重,陷入多次修復(fù)、重復(fù)投資的困境[1],其中大部分屬于軟巖問(wèn)題。因此,合理解析軟巖巷道圍巖控制機(jī)理,確定經(jīng)濟(jì)可靠的支護(hù)方式成為亟待解決的技術(shù)課題。

針對(duì)某礦 10022工作面回采巷道變形嚴(yán)重,掘后一段時(shí)期頂板部分地段潮解、滴水進(jìn)而發(fā)展到淋水的現(xiàn)象,從控制圍巖應(yīng)力與導(dǎo)水裂隙發(fā)育的角度出發(fā),提出了富水條件下軟巖巷道加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方式[2-5],即在巷道原支護(hù)方案下,于低幫肩角處加錨索桁架用以控制導(dǎo)水裂隙發(fā)育。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某礦 10022工作面回采巷道位于復(fù)雜巖層結(jié)構(gòu)中,機(jī)巷長(zhǎng) 2614m,標(biāo)高 -580～-540m,風(fēng)巷長(zhǎng)2638m,標(biāo)高 -530～ -500m,兩巷方位角 339°,開(kāi)切眼斜長(zhǎng) 198m,平距 192m。10號(hào)煤層平均傾角 17°,走向 NW,傾向 NE;平均厚 0.89～3.59m,煤質(zhì)松軟。機(jī)巷斷面為異形,斷面：寬 ×高 =4.2m×2.8m。直接頂以灰黑色泥巖為主,平均厚約 2.17m,局部為深灰色粉砂巖和偽頂泥巖,厚約 0～1m,據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),淋水處巖石手搓可碎,呈碎粒狀;基本頂為泥巖或粉砂巖,平均厚 7.6m。隨掘進(jìn)揭露,該巷道層位交錯(cuò),層理結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.2 原支護(hù)方案

頂板采用 φ22mm×M24×2400mm的錨桿,幫采用 φ20mm×M22×2200mm的錨桿,間排距均為800mm ×800mm。錨索為 φ15.24mm ×6300mm,間排距為 1800mm×3200mm,每排 2根,頂板錨桿配合 KT M3型鋼帶進(jìn)行支護(hù),鋼帶梁長(zhǎng) 4000mm;幫部采用M60鋼帶,實(shí)體煤幫梁長(zhǎng) 2600mm,煤柱幫為2200mm。

由于支護(hù)參數(shù)的選擇以及水對(duì)圍巖的影響,在掘進(jìn)期間,頂板圍巖表面破碎,風(fēng)化和泥化現(xiàn)象嚴(yán)重,且頂板局部下沉量較大,煤幫存在片幫,底角內(nèi)擠,特別是低幫肩角處淋水較大,錨桿主動(dòng)支護(hù)作用并未得到充分發(fā)揮。

2 計(jì)算機(jī)模擬

2.1 RFPA系統(tǒng)[6-7]

RFPA是Realistic(Rock)Failure ProcessAnalysis的簡(jiǎn)稱(chēng)。是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計(jì)損傷理論的材料破裂過(guò)程分析數(shù)值計(jì)算軟件,是能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)工具。用該系統(tǒng)數(shù)值模擬時(shí),其模型應(yīng)力狀態(tài)通過(guò)模型破壞過(guò)程圖片上的灰度值反映,灰度越亮表示壓應(yīng)力越大,灰度越暗表示拉應(yīng)力越大。滲流分析采用流固耦合模擬巖體破裂過(guò)程中的滲透性演化和水力梯度、流速等變化規(guī)律。

2.2 建立模型

計(jì)算機(jī)模擬以掘進(jìn)巷道實(shí)際地質(zhì)條件為原始依據(jù),以地應(yīng)力測(cè)量確定區(qū)域主應(yīng)力大小和方向,作為模型加載的邊界條件。提取頂?shù)装鍘r樣和煤樣做力學(xué)試驗(yàn),得出其單軸抗拉壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量、黏聚力等力學(xué)性質(zhì)參數(shù),為計(jì)算機(jī)模擬提供真實(shí)依據(jù)。其圍巖力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表 1。

表1 圍巖力學(xué)性質(zhì)

鑒于 RFPA系統(tǒng)軟件是二維模擬,為便于觀測(cè),只模擬巷道斷面取原支護(hù)參數(shù)下的變形情況,并得出其圍巖變形規(guī)律。巷道模型為 200×200個(gè)單元,模型高 20m,寬 20m,巷道高 2.8m,寬4.2m,單元尺寸為 200mm×200mm,模型與實(shí)體比例為 1∶100。

2.3 模擬分析

2.3.1 巷道圍巖應(yīng)力分析

模擬開(kāi)挖巷道初始圍巖應(yīng)力分布如圖 1(a)所示。采用原支護(hù)方案下,其圍巖應(yīng)力分布為肩角及兩幫處壓應(yīng)力集中,頂板圍巖應(yīng)力稍小。由于頂板為富水軟巖,其錨桿 +錨索組合的支護(hù)方式從圖1(b)中得出頂板組合梁雖然作用明顯,但在巷道載荷至 8.1MPa時(shí)圍巖發(fā)育至較大范圍的彈 -塑變形,并伴有微裂隙。巷道圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移趨于偏離,由于錨桿和錨索的懸吊加固作用減少了直接頂離層的產(chǎn)生,使其還保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。此為控制富水軟巖巷道圍巖變形及滲水的關(guān)鍵,進(jìn)行合理的控制巷道煤柱幫非對(duì)稱(chēng)變形趨勢(shì),可更好控制導(dǎo)水裂縫帶的產(chǎn)生,使其不能形成暢通的水力通道進(jìn)而影響采掘施工。

圖1 原支護(hù)巷道圍巖應(yīng)力 -滲流模擬

2.3.2 巷道圍巖滲流分析

圍巖裂隙受采動(dòng)和載荷加大影響逐漸產(chǎn)生并動(dòng)態(tài)發(fā)育[5],當(dāng)外部圍巖存在充足的補(bǔ)給水源時(shí),此裂隙會(huì)形成水力通道直達(dá)巷道,形成支護(hù)難題。因此,控制導(dǎo)水側(cè)圍巖泥化流變變形成為防 (堵、隔)水關(guān)鍵。如圖 1(a)右部圖所示,巷道開(kāi)挖初期,巷道淺部圍巖破裂,原生裂隙受采動(dòng)逐漸壓密,此時(shí)深層富水巖層和巷道頂板松軟泥巖并未貫通,只有個(gè)別地段淺部含水巖層釋放。當(dāng)巷道載荷變大,淺部圍巖破碎使塑性變形往深部調(diào)整,如圖1(b)右部圖所示。在此狀態(tài)下由于應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合作用,巷道淺部頂板巖層納水性開(kāi)始增強(qiáng),以充實(shí)塑性變形中留下的微裂隙,如控制不當(dāng),圍巖裂隙發(fā)育將經(jīng)歷了由小到大的過(guò)程,最終形成暢通的導(dǎo)水帶,頂板潮解、滴水進(jìn)而發(fā)展到淋水?？梢?jiàn),富水軟巖巷道控制頂板水的關(guān)鍵在于強(qiáng)化低幫頂板及肩角的深部巖層控制,防止外圍水對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)劣化。

分析得出原支護(hù)方式在復(fù)雜的富水軟巖巷道中,難以阻擋巷道圍巖發(fā)展進(jìn)入泥化流變變形階段。加強(qiáng)錨索桁架支護(hù)方案,如圖 2所示。圍巖應(yīng)力分布與原支護(hù)時(shí)相似,但圍巖變形明顯要小,這是由于錨桿 (索)桁架支護(hù)中肩角處錨索 (桁架)更好地控制了深部巖層裂隙發(fā)育所致,頂幫及肩角的錨桿承載效果更加明顯。巷道頂板變形情況明顯優(yōu)于原支護(hù)方式。圍巖的抗變形能力隨承載力的加強(qiáng)而升高,穩(wěn)定的圍巖應(yīng)力和較小的變形,有效地阻止了地下水滲入巖體導(dǎo)致其泥化和塑化。

圖2 錨索桁架支護(hù)方案

3 工程效果

圖3 表面變形速率曲線

實(shí)驗(yàn)巷道兩幫和頂?shù)装逡平侩S時(shí)間的變形速率曲線如圖 3所示,由圖得出,表面變形量在初期變化較為明顯,掘后二周左右基本趨于穩(wěn)定。數(shù)值模擬中的頂?shù)装遄冃瘟壳€比實(shí)測(cè)要平緩,這是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)壓方式與模擬存在一定誤差造成的,但其總體變形趨勢(shì)基本一致。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀測(cè),采用錨桿 (索)桁架加強(qiáng)支護(hù)方式在巷道掘進(jìn) 2個(gè)月后,圍巖保持了良好的穩(wěn)定性,頂板圍巖礦壓顯現(xiàn)比原支護(hù)方案時(shí)明顯得到改善?？梢?jiàn)在富水軟巖異形巷道進(jìn)行錨桿 (索)桁架加強(qiáng)支護(hù)方式有效地控制了圍巖變形和導(dǎo)水裂隙,達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

(1)通過(guò) RFPA對(duì)富水條件下異形軟巖巷道進(jìn)行數(shù)值模擬,分析不同載荷下巷道圍巖應(yīng)力及滲流情況,據(jù)此提出加強(qiáng)錨桿 (索)桁架支護(hù)方式。

(2)富水軟巖異形巷道頂板圍巖破壞先從低幫開(kāi)始,逐步發(fā)展到整個(gè)頂板的離層和破碎,導(dǎo)水裂隙發(fā)育基本與頂板破壞一致,控制頂板水的主要方法就是控制頂板巖石的完整性。采用加強(qiáng)錨桿(索)桁架支護(hù)方式可更好的均布頂板及肩角處圍巖應(yīng)力,取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

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TD353

B

1006-6225(2010)01-0068-03

2009-08-13

楊吉平 (1971-),男,寧夏中寧人,高級(jí)工程師,現(xiàn)任神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)金能煤業(yè)公司經(jīng)理。

王興庫(kù)]