常村矿巷道底鼓破坏特征及支护方案优化研究

常村矿巷道底鼓破坏特征及支护方案优化研究

底部鼓是矿山开采中常见的矿压显示形式。当底板鼓体积较大时，对道路围岩的稳定性和矿山的高效开采带来了严重威胁。针对底鼓难题,许多学者就底鼓产生的机理和治理措施进行大量研究,并取得了重要的成果。现针对常村矿3#煤层回风巷底鼓问题,提出了钻孔卸压+混凝土反拱+底板锚杆交替联合支护方案,并有效的控制了底鼓的产生。1采空巷道,回采巷道常村煤矿是设计生产能力600Mt/a的超大型矿井,目前主采3#煤层。3#煤层平均厚度为6m,直接顶为砂质泥岩,平均厚度为1.18m;老顶为中粒砂岩,平均厚度7.09m;直接底为砂质泥岩,平均厚度1.88m;老底为细粒砂岩,平均厚度0.97m。南6采区综放工作面回采巷道,宽5m,高3.5m,沿3#煤顶板掘进,埋深为500m左右。随着矿井开采深度的增加,矿山压力显现明显加大,两帮移近量已达到211mm,顶底板移近量已超过630mm,底鼓量是顶板下沉量的6倍以上,因此底鼓是引起巷道围岩变形的主要原因。2道路底部鼓的机理分析2.1巷道底板破坏特征1)底鼓呈现挤压流动性。在应力作用下,巷道开挖后深部围岩开始鼓起,鼓起量随着深度的增加而减少,在2.5m煤层和岩层交界处,底鼓量基本为0,说明巷道底板煤层在开掘后应力释放引起弹性回弹且两帮煤壁受支撑压力影响向巷道内挤压流动产生底鼓。2)底板变形量大。根据测站表面位移监测情况,巷道底鼓变形量最大值达到了638mm,而顶板变形量最大仅为121mm,两帮移近量最大为211mm,因此巷道底鼓变形量级较大。3)底板易发生拉剪破坏,底角发生剪切破坏。通过对巷道围岩应力测试,可以分析出围岩底板在水平应力下受拉,在垂直应力下受剪,易发生拉剪破坏;巷道底角处应力集中易发生剪切破坏。2.2最大水平应力场场1)根据分析底板岩石完整性和均质性较好,矿物成分中石英砂含量较高,对岩石遇水膨胀性影响极小,因此对底鼓影响较小。2)该区域应力场以水平应力场为主,最大水平主应力为11.31MPa,最小水平主应力为5.92MPa,垂直应力为8.63MPa,总体属于中等应力场,且最大水平主应力方向几乎与巷道掘进方向垂直,对围岩控制产生重要影响。通过以上分析可以看出该巷道底鼓机理为:在较大的垂直自重应力和水平构造应力共同作用下,巷道底板下2.5m煤层以底板为沿空自由面,受两帮挤压,使煤体发生拉剪破坏,且底角处于应力集中区域,产生压膜效应,同时底板煤层在开掘后应力释放引起弹性回弹向巷道内流动形成底鼓,本质为挤压流动型底鼓。3优化方案的值模拟3.1有限元单元模型模型尺寸为60m×1.8m×40m;巷道断面尺寸为宽5m,高3.5m;网格划分为28800个单元;上边界施加边界荷载p=8.63MPa用来模拟垂直应力,其他3个边界均为位移约束。土体本构关系采用Mohr-Coulomb准则模拟,开挖部分用null模型取代。3.2锚索间排距及锚索布置计算模型选取的岩石物理力学指标见表1。方案1模拟参数选取锚杆为ue78822mm×2400mm,间排距为900mm×900mm;锚索型号为ue78816.8mm×6300mm,采用三花布置,锚索间排距为2000mm×900mm,并分别在底板中轴线处打入2.5m卸压孔和距离底板1.5m两帮处打入长度为9m的卸压孔,间距0.9m,孔径50mm。方案2是在方案1的基础上,在未钻孔区利用混凝土反拱+底板锚杆对底板再次进行加强支护。混凝土厚度取200mm,底角锚杆取3排,1排位于底板中轴线处,垂直打入底板;其它2排位于距中轴线0.9m处,呈对称分布,且与底板成75°夹角。3.3数值模拟结果的分析3.3.1巷道围岩塑性区分析1)方案1塑性区分析。采用钻孔卸压法后塑性区范围有所增加,底板和两帮受拉剪破坏趋势增加,同时外围塑性区所受剪切破坏范围也有所增加。钻孔卸压条件下巷道塑性区情况如图1(a)。2)方案2塑性区分析。采用联合支护方案后巷道围岩塑性区有所缩小,属帮角处最为明显,且仅受剪切破坏的作用。同时底板仅在巷道两帮表面受到较小范围的拉剪破坏。钻孔卸压+混凝土反拱+底板锚杆联合支护下巷道塑性区情况如图1(b)。3.3.2围岩底鼓量对比1)方案1位移场分析。如图2(a)采用钻孔卸压方案后围岩底鼓得到有效控制,最大底鼓量为192mm,为原有底鼓量的30.1%;同时最大顶板下沉量为64mm和两帮移近量为174mm,两者与原有变形量相比均有所增加。2)方案2位移场分析。如图2(b)采用联合支护方案后围岩底鼓量最大值仅为157mm,仅为原有底鼓量的24.6%;同时最大顶板下沉量为39mm和两帮移近量为114mm,两者与原有变形量相比均有所降低。3.3.3种方案的影响效果根据2种优化设计方案模拟结果,将巷道围岩两帮移近量、顶板下沉量及底板鼓起量与原巷道表面位移量相比较统计情况如图3。通过对2种方案的模拟分析表明:虽然2种治理方案均可以对底鼓达到控制效果,但方案1在治理过程中会增加两帮及顶板位移量和围岩塑性区范围,从而破坏围岩稳定性,对后期综放面回采带来不利影响。采用方案2联合治理方案,围岩塑性区范围减少,底板几乎没有拉剪破坏,且围岩变形量均有不同程度减小,因此采用方案2治理底鼓效果最佳。4现场试验4.1巷道底板锚杆加固通过对2种方案数值模拟结果分析,决定采用钻孔卸压+混凝土反拱+底板锚杆联合治理方案对围岩进行加固。首先采用接长式钻杆打底板钻孔,控制好钻孔打钻深度,到达预定位置后停止打钻,抽出钻杆,然后打左帮钻孔,最后施工右帮钻孔。巷道底板中轴线钻孔直径为30cm,深度为2.5m,排距为0.9m;同时两帮钻孔直径为30cm,深度为9m,距巷道底板高度为1.5m;然后在未钻孔区采用混凝土反拱和底板锚杆对底板进行加固,反拱厚度为150mm,锚杆长度为3.3m,型号为ue78822mm×2400mm,间距为1.8m,每排3根;采用端锚形式,锚固段长0.8m,且在3#煤底板砂质泥岩中。其中巷道中轴线处的锚杆垂直巷道底板表面打入,另外2根锚杆以与巷道底板表面呈75°斜向下打入。为了不影响底板钻孔施工,混凝土反拱设计为条带状,便于锚杆安装。4.2巷道围岩结构采用联合支护方案后巷道围岩变形量,如图4。根据现场实测数据表明:巷道围岩最大底鼓量为146mm,顶板下沉量为48mm,巷道两帮移近量为121mm。因此采用联合支护方案后,无论是在顶底板位移量还是两帮移近量的控制上,均达到了控制围岩变形、治理底鼓的最佳效果。5支护方案对底鼓的控制效果1)通过对模拟分析表明仅采用单一措施治理底鼓不能有效控制巷道围岩变形,采用钻孔卸压+混凝土反拱+底角锚杆联合支护治理方案对底鼓具有明显的控制效果。