沿空巷道围岩稳定性分析

沿空巷道围岩稳定性分析

岩软岩问题一直是影响矿山安全和高效生产的主要问题之一。本文在上述研究成果的基础上,以典型三软煤层-龙口矿区梁家煤矿4606工作面为工程背景,对4606材料巷沿空巷道围岩变形破坏机制进行分析,提出具有针对性的围岩控制措施,合理设计支护方案并进行现场对比试验,以期为解决类似三软破碎围岩巷道支护难题提供借鉴。1项目背景1.1工作面地质情况梁家煤矿位于山东省龙口市,是我国最大的海滨煤矿,设计生产能力300万t/a,为典型三软地层矿区。矿井主要含煤地层为古近系李家崖组,主采煤1层、煤2层和煤4层。4606工作面位于煤4六采区中部。工作面走向921.4m,倾向长度为252.3m。4606工作面掘进巷道共包括4606材料巷、改造材料巷、改造开切眼与开切眼(图1),其中4606材料巷为沿空掘巷,左侧留设4m宽度煤柱,本文以该巷道为研究对象。1.2钢锚杆支护参数图2为煤4综合柱状图,分析可知,煤4结构极为复杂,稳定性差。直接顶主要为炭质泥岩及泥岩夹黏土岩,易风化脱落,吸水膨胀,属易冒落顶板。煤层直接底板为0.65m泥岩,局部为炭质泥岩,易吸水膨胀,工作面底臌严重,为典型三软不稳定煤层。该巷道原支护方案采用“锚网喷+锚梁+U型棚”支护形式。锚杆采用MSGLD-335/18×2250螺纹钢锚杆,间排距650mm×800mm,预紧力300N·m;混凝土喷层采用C20混凝土,厚度120mm;锚梁采用U25型钢加工而成,长度2600mm;U型棚采用U36型钢加工而成,每架3节;锚梁与U型棚间距均为800mm。具体支护参数详如图3所示。图4为原支护方案下巷道破坏情况,图5为原支护方案下的巷道表面收敛监测曲线。从图5中可以看出:原支护条件下,巷道表面位移呈现“底臌量>沿空帮内移量>实体帮内移量>顶板沉降量”的变形特征。巷道掘进过程中,表面位移变化较大且一直呈上升趋势,底臌量达到1060mm,两帮收敛量达到894mm,其中沿空帮内移量为509mm,顶板变形量稍小,最大沉降值为310mm。原方案采用U型棚支护主要有以下不足:(1)U型棚支设需要搭建平台,并且至少需要6~8人操作才能完成,大大降低了巷道掘进速度。(2)U36钢棚每架重达400kg,从加工、运输、支设到回撤等各个环节极大地增加了工人的劳动强度。(3)U型棚支护属于被动支护,对围岩控制效果不佳,同时由于造价太高,无法满足经济要求。2在原始保护系统中，对围岩和保护系统的破坏机制进行了分析为明确围岩及支护体系在原支护方案下破坏机制,笔者开展了一系列的监测和试验,进行了总结分析。2.1岩石破坏机制2.1.1膨胀性试验结果采用HCP-1型岩石膨胀测试仪对围岩进行膨胀性测试,图6为典型岩样膨胀性测试曲线,表1为膨胀性测试统计(A,B,C,D分别代表泥岩、含油泥岩、砂质泥岩和油页岩,F代表自由膨胀,P代表侧向膨胀,R代表侧向约束膨胀)。膨胀性试验结果表明:(1)油页岩轴向自由膨胀率高出泥岩约42%,轴向自由膨胀率越大,侧向膨胀压力也越大,呈现出油页岩>泥岩>含油泥岩的趋势。(2)砂质泥岩的侧向约束膨胀率高于油页岩,但是侧向膨胀压力则呈现相反的趋势。(3)根据膨胀性软岩分级标准2.1.2监测断面围岩破碎范围分析采用YTJ20型钻孔窥视仪对原支护方案下4606材料巷围岩进行钻孔探测,共布置3个监测断面,间隔20m,每个断面布置5个ϕ42mm的钻孔。以断面1为例进行分析,滞后掘进工作面5m进行探测。5个钻孔分布为:左帮孔深2.8m,左肩孔深6.0m,顶板孔深6.0m,右肩孔深8.0m,右帮孔深5.8m。为便于对各探测钻孔内探测结果进行分析,建立梁家煤矿钻孔窥视解译标准,对围岩的完整性分类进行约定,如图7所示。基于该分类,将各探测孔内围岩裂隙发育情况绘制于钻孔电视监测断面内,得到该监测断面围岩破坏范围素描图(图8),表2为各监测断面围岩破碎范围探测结果。结合相关地质资料对表2进行分析,可知:(1)探测范围内的围岩基本上是不完整的,大部分为破碎或较破碎状态,破碎范围2.63~5.57m。(2)巷道沿空侧帮部,破碎范围2.63m以内,说明探测范围内沿空小煤柱均处于极破碎状态;顶板破碎范围平均3.3m;右帮破碎范围平均3.43m。(3)由于围岩膨胀,软化特性明显,滞后掘进工作面5m的探测结果说明巷道围岩开挖后在很短的时间内就产生了破坏。2.2受害者保护结构的损害机制2.2.1产生应力的应变片由于原支护方案下现场拱架破坏现象严重(图9),为研究4606工作面材料巷掘进期间U36钢棚的受力变形情况,选择典型断面拱架进行监测,分别在此断面的左右拱腿、左右拱腰、左右拱肩、拱顶7个位置的边侧和内侧布置应变片,从拱架右侧到左侧,边侧轴向应变编号依次为BZ-1~BZ-7,径向应变编号依次为BJ-1~BJ-7,内侧位置编号依次为NZ-1~NZ-7,径向应变编号依次为NJ-1~NJ-7,其中,B代表边侧,N代表内侧,Z代表轴向,J代表径向。图10为应变片布置示意。根据国家标准,U36型钢的屈服强度为335MPa,抗拉强度为530MPa,经过试验得出应力应变之间的关系可以简化为当应变为0.001626(1626με)时,达到屈服强度,当应变为0.096286时,达到抗拉强度,以此为依据进行U36型钢受力分析,表3为拱架各个位置受力状态统计(负值受压,正值受拉),图11为拱架各部位最大受力简图。可以看出:(1)左拱腰内侧径向(NJ-6)为拱架受力最大部位,最大值为347.5MPa;右拱腰边侧径向(BJ-2)为受力最小的部位,仅为48MPa。(2)拱架整体受力形态呈非对称性,内侧受力形态差别较大,这是因为巷道沿空掘进,所受应力环境不对称且复杂多变。(3)拱架整体主要受压,轴向只有左拱腿内侧(NZ-1),拱顶边侧(BZ-4),右拱肩内侧(BZ-5),右拱腿边侧(BZ-7)受拉;径向只有左拱腿内侧(NJ-1),拱顶边侧(BJ-4),右拱腰边侧(BJ-6),右拱腿内侧(NJ-7)和边侧(BJ-7)受拉。(4)本次监测时间持续22d时,拱架中一半以上的测点均已超过钢材的屈服强度,拱架存在由局部失稳引发整体失稳的隐患。2.2.2原支护方案下锚杆锚固力有限距离拱架监测断面20m处,采用红外测力计进行锚杆受力监测(图12)。分析可知:由于围岩破碎且破坏范围远远超出锚杆长度,无法为锚杆提供稳定的着力基础,造成锚杆初始预紧力较低,后期受力也较小,最大值仅为36kN,同时原支护方案中锚杆采用1根MSK/23600树脂药卷进行锚固,接近于端部锚固,该种锚固方式所能提供的锚固力非常有限,存在锚固长度过短等问题。而且,现场锚固支护施工中,钻孔内围岩易出现塌孔、孔壁围岩脱落等现象,造成锚杆、锚固剂与围岩之间填充不密实,进一步降低了锚杆锚固力,使其无法有效发挥支护潜力。3现场规划和实施3.1围岩支护效果加强,长链条件加强,长综合上述分析,围岩破坏范围过大,导致锚固支护效果不好,锚杆支护潜力不能有效发挥,进一步加剧了围岩变形破坏,U型棚过早产生屈服失稳。针对现场支护构件支护潜力无法有效发挥等现象,为进一步增强软弱地层中的支护作用,避免支护构件过早产生失效破坏,充分发挥支护潜力,改善围岩控制效果,可采用以下控制措施:(1)改善围岩自承能力对于该种条件下的围岩,通过锚注支护,填充围岩裂隙,提高围岩强度,一方面可以改善围岩自承能力,使得围岩成为支护承载的主体,避免支护构件受力过大;另一方面,也可为锚杆、锚索等支护构件提供稳定锚固基础,增强锚固支护构件的可锚性。(2)善锚固工艺增加锚固剂长度或数量,或通过上述对围岩注浆加固等措施均可改善锚固工艺,提高锚杆锚固力;通过使用高强注浆锚索等支护构件,一方面使其锚固在完整的岩层中,另一方面可以扩大注浆范围,形成更广阔的有效的承载结构,抵抗围岩变形破坏,提高围岩控制效果。3.2软煤层沿空掘巷支护技术为解决1.2节原支护方案不足,笔者结合前期现场监测和试验,以锚注支护为核心,通过开展现场对比试验,减少与代替U型棚的使用,最终提出适用于梁家煤矿三软煤层沿空掘巷的支护技术。3.2.1该项目的内部设计4606材料巷试验段共实施2种方案,如图13所示,方案1为U型棚+注浆锚杆+注浆锚索联合支护,方案2为注浆锚杆+注浆锚索联合支护。3.2.2砂浆注射加固参数(1)材料的选择和比例以水泥单液浆为主,水灰比为0.4∶1。小煤柱侧及巷道底板注浆等特殊条件下可加入适量的水玻璃对浆液性能进行调整。(2)主浆压力和主浆量采用注浆锚杆时注浆压力超过3MPa结束注浆,注浆锚索注浆压力超过5MPa结束注浆,单孔注浆量不多于5袋。3.2.3底角锚杆布置采用MLX50-28/32Z型中空螺旋注浆锚杆,长度2200mm,间排距1200mm×1600mm,底角锚杆布置在距离底板150mm高度处,向下倾斜45°。(3)注：保存锚定义器采用SKZ22-1/1770型注浆锚索,ϕ22mm,长度6000mm,间排距2000mm×1600mm。4现场试验效果分析4.1注浆效果探测现场围岩松散破碎,注浆过程较为顺利,围岩注入浆液量较大,以方案1为例,选取典型断面进行注浆效果探测。图14为注浆后围岩钻孔电视探测得到的浆液扩散情况,说明了浆液填充围岩裂隙的有效性。4.2支出结构的力学监测4.2.1注浆锚杆+注浆锚索支护效果分析图15列出了方案1拱架受力监测曲线。由图15可以看出:方案1中U36拱架受力较小,最大值仅为55kN,远小于拱架的屈服强度,说明注浆锚杆+注浆锚索有效增强了巷道围岩强度,提高了围岩的完整性,使围岩作用于拱架上的力明显减少。4.2.2整体偏大式施工图16为方案1、方案2中注浆锚索受力监测曲线。可以看出,方案1锚索受力规律和方案2基本一致,但是受力大小整体低于方案2,主要是由于该试验段安装拱架,分担了部分围岩压力。方案1中顶板与右肩锚索受力较大,最大值分别为162,142kN,左肩锚索受力最小,最大值为49kN,主要是由于沿空帮岩体松散破碎严重,注浆后围岩完整性和围岩强度提高效果低于实体帮。4.3方案2:2>方案图17为各方案巷道表面位移监测曲线,表4为各支护方案巷道变形量统计。可以看出:(1)4606材料巷各支护方案的巷道围岩变形量呈现原支护方案>方案2>方案1的趋势。(2)方案1和方案2的围岩变形量整体相差较小,且均在允许值范围内,说明采用注浆锚杆+注浆锚索联合支护方案取得了良好的巷道围岩控制效果。方案1中的拱架受力远小于屈服强度,说明注浆锚杆+注浆锚索能够有效增强巷道围岩强度,提高围岩的自身承载能力,减小作用于拱架上的力,使得U型棚对围岩的控制作用不明显,因此,注浆锚杆+注浆锚索联合支护完全可以代替传统的U型棚支护。图18为各方案现场实施效果。5围岩支护方案下锚固端对比(1)原支护方案下巷道围岩控制效果较差,主要原因有:(1)煤层结构复杂;(2)围岩易膨胀、软化;(3)围岩破坏范围大;(4)支护构件破坏严重,支护潜力没有有效发挥。(2)原支护方案