高突矿井复杂地质条件下软岩巷道支护技术研究

高突矿井复杂地质条件下软岩巷道支护技术研究

四川洛伊木马集团的白鹿煤矿地质结构非常复杂。这是一座煤和石头含量非常低的矿山。矿井煤系地层受燕山运动的挤压作用,形成了逆断层为主的断裂构造,井田范围内的断层发育。自建井投产至今,共揭露大小断层1500条,平均每1km2就有25.4条。多年来,矿井虽然采取多种巷道支护方式(锚杆、锚索、金属可缩支架等联合支护),但巷道变形仍然难以得到控制,严重影响安全生产。此外,煤系地层普遍存在地质构造破碎带,围岩破碎松散。同时,煤层底板大多为黏土岩和泥质胶结的砂岩,此类岩层强度低、变形大,遇水软化甚至膨胀,属于典型的软岩。由于软岩巷道围岩本身的复杂性,加上构造应力和采动应力的复合效应,使得白皎矿软岩巷道支护长期以来成为制约矿区安全高效生产的重大技术难题。综上所述,开展高突矿井复杂地质条件下软岩巷道支护技术的研究,对白皎矿具有直接实践指导意义,对丰富和发展软岩巷道支护技术也具有普遍理论意义。因此,白皎矿在综采2422上工作面引进了恒阻型大变形锚索对巷道进行联合支护试验。1地质构造及地质特征2422上工作面属于二煤层上分层(B4上),属保护层开采,为节约资源和提高巷道的使用率,2422上工作面机巷进行沿空护巷。采用恒阻型大变形锚索对巷道进行联合支护试验,从2422上工作面机巷沿空护巷段中选取100m(即机巷从断层切眼起240～340m位置)进行。2422上工作面位于24盘区西翼第二分段,北为2412上工作面(未布置);南为2442上工作面(未布置);西为井田边界;东为24区轨道上山、24区总风上山、24区胶带上山(正在布置)。工作面走向长483m,倾斜长171m,可采储量81767t,地质构造较复杂。二煤层上分层(B4上)坚固性系数f=2～4,密度1.65t/m3,分为上、下段,上段(B4上1)厚度为0.5～0.7m,平均厚度为0.6m,下段(B4上2)厚度为0.4～0.9m,平均厚度为0.6m,含夹矸0.2～1.5m,平均厚度0.6m;二煤层(B4)厚度为0.3～1.8m,平均厚度1.0m;三煤层(B3)厚度为1.0～2.0m,平均厚度1.3m;四煤层(B2)厚度为1.4～3.1m,平均厚度1.8m。二煤层上分层与二煤层层间距为16.5～27.0m,平均间距为22.0m;二、三煤层层间距1.8～6.1m;三、四煤层层间距1.8～4.2m。煤层倾角7～14°,平均倾角10°。基本顶为飞仙关页岩,厚度85m,灰绿色泥岩夹少许砂质泥岩,有时变为灰岩;直接顶为浅-深灰色灰岩(含生物碎屑),厚度0.2～1.0m,坚固性系数f=6～8;伪顶为灰色炭质泥岩,厚度0.1～0.2m。底板为黏土岩,厚度0.2～1.3m,灰色,不显层理,含植物碎屑。工作面内有3条正断面,落差0.35～4.5m,对回采有一定影响,F3断层落差1.5～4.5m,对回采影响严重。2硬轴连接技术2.1固定干扰大变形锚运行原理(1)应力集中产生的塑性区、拉力区井下工程开挖后,破坏了原已稳定的岩体,一方面由于应力重新调整,岩体自身的力学属性承受不了新出现的应力集中,产生塑性区或拉力区;另一方面由于施工将引起围岩松弛,加上地质构造的影响,降低了围岩的稳定程度。因此,在围岩尚未发生大变形破坏前,要根据地下工程支护设计要求,按照传统预应力锚索施工工艺,安装恒阻大变形锚索,如图1(a)所示。(2)恒阻大变形锚索地下工程围岩出现大变形破坏初期,能量较大,当围岩的变形能超出锚索的恒阻力范围,恒阻体在恒阻套管内发生滑移,也即恒阻大变形锚索随着围岩大变形而发生径向拉伸的大变形,以此来吸收变形能,避免由于岩土体大变形而发生锚索断裂、失效现象,如图1(b)。(3)摩擦阻力下围岩稳定性分析当围岩发生大变形之后,岩土体内部应力达到新的平衡,其能量得到释放,围岩的变形能小于恒阻器的设计恒阻力T,锚索轴力P小于恒阻体与恒阻套管的摩擦阻力,围岩在恒阻大变形锚索的支护作用下再次处于稳定状态,如图1(c)。恒阻大变形锚索和传统预应力锚索的主要差别就是其具有“让中有抗,抗中有让,防断恒阻”的特性,在以该新型锚索作为支护材料的地下工程中,当围岩发生一定变形时,该锚索也可以随之拉伸变形,围岩中的变形能得到释放,而该新型锚索拉伸之后仍然能够保持恒定的工作阻力,不会出现突然断裂失效,实现了地下工程围岩的稳定,消除了冒顶、塌方、偏帮、底鼓等安全隐患。2.2围岩变形规律根据白皎煤矿的具体情况,确定此次联合支护的总体思路是针对井下具体复杂的地质条件,特别是在采场推进过程中对上覆岩层赋存情况及其变化以及由此变化导致的覆岩运动规律及支承压力分布规律的差异,对下位岩梁限定变形定载荷,即“给定变形”:在基本顶裂断来压时的支架(或支柱)阻抗力足以平衡直接顶的作用力,缩量能够完全适应下位岩梁触矸(沉到底)时的采场顶板最大下沉值);上位岩梁给定变形定缩量,即“限定变形”:在对直接顶“给定变形”的同时,把基本顶下位岩梁单独裂断来压时的采场顶板下沉值控制到足以排除上位坚硬岩梁裂断来压时刻出现动压的可能性。围岩的变形为巷道帮侧软弱造成的顶板下沉和顶板围绕下帮侧向采空区的回转两大运动。巷道支护必须以控制顶板下沉和阻止顶板的回转为主。(1)重要部门加强公共保护原则深部巷道承受很大的垂直压力,帮侧的承载性能要强化。所以,在对顶板和两帮的处理上要加强支护,并对巷道顶底角两个关键部位进行强化加固。(2)白浑矿工作面围岩支护技术现状高预应力(杆体屈服载荷的30%～50%)、防冲击性能强;预应力扩散,增大护表构件的刚度和强度;组合支护,保证支护整体性能;支护构件与围岩变形在强度、刚度上耦合,让围岩和支护构件变形协调,应力均匀化;高强度、高刚度、高可靠性,低密度。根据白皎矿矿压观测的经验,巷道围岩岩层的变形、运移和破坏是一个极其复杂的过程,实现围岩稳定性控制,合理控制巷道的变形量是巷道支护技术成功与否的核心,是实现巷道满足使用要求的关键所在。白皎矿工作面顶板活动呈现3个阶段:第1个阶段为坚硬直接顶周期性垮落,垮落步距为5～15m,此阶段直接顶的垮落成巷高1.5～1.7m;第2个阶段为泥岩逐渐垮落实现与上覆细砂岩接顶,垮落步距为15～40m,此阶段随着泥岩的垮落不断充填巷帮,将巷帮堵满;第3个阶段为泥岩垮落接顶后,上覆基本顶细砂岩触矸,发生弯曲缓慢下沉,逐渐压实垮落矸石,最终随着矸石的压实,基本顶弯曲变形终止,巷道变形趋于稳定。综上所述,采用“巷内基本支护”+“巷内加强支护”+“动压临时支护”这种联合支护的原则是比较合理的。图2、图3巷道支护分布图表示了巷道各阶段支护方式及布置空间分布。3合支护体系支护效果(1)恒阻大变形锚索联合支护实验段未出现顶板来压拉断锚索现象,恒阻大变形锚索联合支护体系支护效果明显,防止了顶板冒顶等事故。(2)恒阻大变形锚索联合支护体系以其较大的变形能力适应了巷道的大变形特征,恒阻大变形锚索联合支护试验段沿空留巷顶板下沉量明显比普通联合支护段减小、侧帮和底板也未出现片帮、鼓底现象,如图4所示。4恒阻大变形锚索联合支护体系的未来研究恒阻大变形锚索恒阻值为200～300kN、最大变形量为300～600mm,具有普通锚杆或锚索无法比拟的独特优势,恒阻大变形锚索联合支护技术