大倾角煤层巷道冲击破坏及支护技术研究

大倾角煤层巷道冲击破坏及支护技术研究

中国约87%的地压发生在挖掘和开采道路上，这对道路的正常使用造成了重大威胁。平庄矿区古山煤矿开采煤层倾角大，风化严重，冲击地压频繁发生，巷道非对称破坏严重，常规支护控制难以满足要求，而以往的有关大倾角巷道围岩控制研究基本集中于软煤等非冲击地压巷道1巷道围岩破坏特征古山煤矿主采煤层为褐煤，煤层厚度平均为15m，倾角为28°左右，开采深度为500m，综采放顶煤开采工艺。煤层具有弱冲击倾向性；顶板为辉绿岩，具有强冲击倾向性；煤层底板为中粒砂岩，具有弱冲击倾向性。矿井最大主应力为22MPa；中间主应力为10MPa；最小主应力为9MPa。回采工作面两巷全部布置在煤层中，采用锚(索)网横断面对称支护。两帮锚杆采用单向左旋无纵筋螺纹钢，规格为Φ22mm×L2200mm，间排距800mm×800mm；顶板采用规格为Φ21.8mm×L6300mm的锚索，间排距1200mm×1600mm。工作面超前支护范围及围岩破碎区域采用了工字钢与单体柱加强支护。至今，累计发生4次较为严重的冲击地压显现，造成数百米巷道严重破坏。统计历次冲击地压案例，冲击地压主要发生在两帮实体煤的运输巷，其变形、破坏具有两大特征：1)锚杆支护锚固体整体脱落。冲击地压发生在回采工作面的实体煤巷道(图1)，巷道两帮收缩，底板瞬间鼓起，并且局部区域出现锚索拉断、锚杆脱落，连同顶煤冒落，较严重区域巷道几乎闭合。2)巷道变形具有非对称性。冲击发生后的大部分巷道围岩变形表现出非对称性，即与煤层倾斜垂直方向，巷道一侧肩窝和对应的底角变形剧烈。2大倾角顶板对地压道路的破坏2.1道路围岩的固体作用2.1.1锚杆轴力波动式变化采用锚网、杆、索联合支护的巷道，发生冲击地压后，浅部围岩连同锚杆脱落，顶锚索被拉断，为了对该矿巷道支护质量进行评价，分析围岩大变形原因，以锚杆轴力为检测指标，在三井西067-1运输巷开口向里50～500m范围选取若干断面进行无损检测。每个断面的顶板、上下两帮各测量2～3根锚杆的轴力，每个断面测量6～9根锚杆。由图2可知，三井西067-1运输巷从巷道口开始向里锚杆轴力呈波动式变化，轴力整体上逐渐减小，距离巷口77～307m巷道的平均轴力在60kN左右，340～435m巷道的平均轴力在40kN左右，下降了约20kN。同一断面轴力最大值和最小值差别较大，最大差值可达65kN。具体对每个测量断面不同位置的锚杆轴力进行统计(图3)发现，部分断面存在明显差异，例如341,387m处等。在距巷道口77～275m这段距离顶板锚杆的轴力最大，而在352～435m这段距离顶板锚杆的轴力最小，下帮锚杆的轴力最大。三井西067-1运输巷锚杆轴力的区间统计结果如图4所示。由图可见，24%锚杆轴力位于10～39kN这个区间，轴力偏低，说明近四分之一锚杆的能力未得到充分利用。2.1.2锚固体力学分析根据能量守恒理论，能量只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。而冲击地压的发生即是巨大能量瞬间作用在巷道周围的锚固体上，导致其发生破坏。在更大的锚杆轴力作用下，锚固体的破坏更为困难，纵使发生破坏也能够吸收更多的能量，有效地降低冲击地压的剧烈程度。因此，锚杆轴力的大小是维护围岩结构稳定，减弱巷道变形，以及防冲、减冲的关键参数。由现场测试可得，三井西067-1运输巷锚杆轴力从外向内逐渐减低(图2)，由平均60kN降低至40kN，并且同一巷道断面顶板与上下帮锚杆轴力差异也较大(图3)，考虑到这段巷道由同一掘进队施工，人为因素影响相对较小。再考虑地质因素，6-2煤层为褐煤，强度较低，裂隙较为发育。煤体破碎使得单个锚杆与围岩形成的锚固体之间相互独立，锚固结构的整体性差，从而使得形成的有效压应力区范围小、孤立分布，如图5所示。锚杆支护在零压力区几乎没有加固围岩的作用，多数锚固体发生整体外移，在巷道围岩变形破坏过程中，锚固体受到的拉力和剪切力较小，此时锚杆轴力就会相对较弱。并且，随着时间的推进，巷道表面煤体逐渐风化，锚杆托盘附近煤体受风化作用开始掉落，也会导致锚杆轴力的降低。轴力较低表明巷道围岩内的锚固结构整体性差，在每个锚固体之间存在零压力区。这些零压力区中的弱面及节理没有锚杆的作用，在冲击载荷作用下迅速破坏，连同锚杆整体冲出，起不到抵抗冲击载荷的作用，因而表现出如图1的全断面破坏。2.2道路围岩的非对称破坏原理2.2.1巷道围岩非对称变形载荷由现场观察，冲击地压发生后，巷道一侧肩窝和对应的底角变形剧烈。现对其原因进行分析。巷道两侧的支承压力和顶底板内的构造应力是冲击地压发生的重要力源。如图6(a)所示，运输巷掘进开挖后，围岩应力进行调整，巷道两侧形成支承压力区，该区域对巷道顶板及上覆岩体起到主承载作用，也将上部载荷传递到巷道底板内，与水平构造应力共同对巷道底板形成挤压作用，经过一段时间，围岩应力趋于稳定。巷道围岩内主作用力的方向与煤层倾角相垂直。巷道准平衡状态围岩承载：水平方向P巷道冲击状态围岩承载：水平方向P如图6(b)所示，在巷道掘进过程中，距离巷道不远处岩浆岩局部侵入程度高，煤层顶板为辉绿岩，底板为玄武岩，在该煤岩组合处多发生大能量微震事件，以应力波的形式迸发大量弹性能，应力波扰动下巷道支承压力水平和构造应力水平瞬时升高，主作用力也相应升高，当动静载荷叠加后的总载荷超过冲击地压的临界载荷时发生冲击显现。冲击发生后围岩应力将会经历先降低再升高的再调整期，如图6(c)所示。本煤层倾角28°左右，水平构造应力近似于垂直应力的2倍，促使巷道围岩主作用合力大致与煤层倾向正交，导致倾斜煤层巷道冲击方向与煤层倾向方向正交。2.2.2弹性能对角分布对于冲击地压巷道的支护系统，保证巷道围岩的稳定是基础任务，更重要的任务是抵抗动载冲击破坏。图7是巷道围岩内弹性能分布云图和煤岩体加速度矢量分布图。由图可知，巷道围岩内弹性能集中在巷道的顶底板内，加速度较大的区域呈对角分布，并且表现为弹性能较大的区域煤岩体加速度却较小。当系统达到冲击地压发生临界值时，加速度最大的区域最先运动，能量大多是沿着加速度最大的路径流动。因此巷道围岩内加速度最大的区域即是最有可能的冲击能量迸发通道，加速度方向正对的围岩即是最可能的冲击显现地点，即巷道的左上角和右下角围岩，无论煤层赋存如何倾斜，冲击能量迸发通道大致与巷道围岩主作用力方向一致，即与煤层倾向方向近似垂直。3大倾角煤层影响地压道路围岩维护3.1锚索网喷复合支护工艺通过前文分析，随着破碎煤层巷道浅部围岩强度劣化，锚杆轴力下降明显，锚杆支护区域处于低应力区域，遭受动力冲击时，锚固体整体脱落；同时冲击地压巷道存在较大的构造应力，在煤层倾角的调整作用下，产生了与煤层倾角近似垂直的冲击能量迸发通道，导致巷道破坏具有非对称性。为了解决这两方面的问题，针对锚固体整体脱落问题提出将帮锚杆改为帮锚索，并增加防风化喷浆；针对非对称破坏问题，提出针对冲击能量迸发区域进行非对称加强支护，即在煤层倾向垂直方向的肩部与底角加强锚索支护。巷道全断面锚索、网、喷联合非对称支护如图8所示，具体参数如下：1)锚索：材质为钢绞线，锚索直径21.8mm，具体锚索长度详见图8，间排距900mm×900mm，外露长度≤300mm，孔径28mm，锚固长度2000mm，张拉强度25MPa，紧跟工作面打设，不大于1个排距1600mm，锚索搅拌位置上均匀布置3mm厚的卡箍。2)钢筋网：由Φ6mm盘条上下焊接编织而成，网孔100mm×100mm，规格为1.0m×1.3m，钢筋网紧贴煤壁，钢筋网与钢筋网之间采用对接方式，扣扣相连，钢筋钩盘回角度不小于180°。3)锚网喷复合支护工艺及要求：(1)喷射材料为不低于32.5级硅酸盐水泥、河砂、碎石和速凝剂(型号为J85)。(2)压风机供风压力为0.5MPa左右，水压比风压高0.1MPa左右，保证喷嘴处风压0.1MPa左右、水压0.2MPa左右。边墙回弹率控制小于15%，拱部小于25%。(3)混凝土配比为m（水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（骨料）∶m（速凝剂）=1∶0.45∶2.78∶3.40∶0.03，并根据实际取最佳配比值。(4)速凝剂必须在加料的同时加入。(5)喷射作业时，喷头口至喷射面的距离为0.5～1.0m。(6)喷头与喷射面应保持垂直。(7)混凝土喷层厚度为100mm。巷道帮壁不许有露筋现象。其他设计参数如图8所示。3.2支出的分析3.2.1索的底部周边应力为了分析上述方法对巷道冲击破坏的适应性，如图9所示，采用FLAC在云图中可以看到，锚索的尾部附近出现了明显的应力集中，约为60kPa。由等值线图可以观察到，巷道的左上角和右下角的支护强度有了大幅升高，使得支护应力场峰值出现在巷道的左上角，巷道右下角的支护应力也较大，说明从支护应力场角度最为适合该煤矿的地质及地应力条件，符合防冲要求。3.2.2动载扰动下巷道围岩塑性区分布为了确定动载扰动较为频繁的冲击地压巷道的支护形式，对动载扰动下巷道围岩内塑性区分布进行分析。其中，动载包括底板和上帮内释放的10由图10可知，非对称支护方法在104巷道围岩变形量监测古山矿三井西068工作面平均开采深度为530m，工作面倾斜长110m，走向长650m，工作面位置如图11所示。本工作面开采6-2煤层，煤层平均厚度为15m，倾角为30°，辉绿岩顶板厚度为200m左右，砂岩底板厚度为40m。在距离三井西068工作面运输巷巷口300～500m范围采用了论文提出的全断面锚索、网、喷联合非对称支护方式。回采过程中超前支护范围采用单体液压支柱进行辅助支护。支护试验范围都在ARAMIS微震监测范围内，并且都设置了围岩多点位移计进行变形量监测。图12为全断面监测点示意图。采用围岩多点位移计对巷道各方位的围岩变形进行监测，浅基点布置深度2.5m，深基点布置深度6.5m。西068工作面推进过程中，在试验区发生一次震级达ML2.6级冲击地压。图13为冲击事件发生后2种支护方法下不同观测深度巷道全面变形量对比柱状图。由图13可见，在相同的卸压措施条件下，无论是浅基点还是深基点观测，采用全断面非对称锚索支护方法后围岩变形量都较小，表明该方法不仅提高了巷道围岩抵抗冲击地压破坏的能力，而且大大减小了巷道围岩变形量。5非对称支护机理1)随着巷道浅部围岩强度劣化，锚杆轴力衰减严重，锚固体处于压力降低区，在冲击载荷作用下易发生整体脱落。全断面锚索支护能够扩大有效压应力区的范围，形成更大、更稳定的主动支护区，对于减缓巷道变形、保持围岩稳定、抵抗冲击载荷均能起到重要的作用。2)冲击地压巷道