褶曲断层区废矸置换巷围岩控制技术

2018-11-07杨永强

山西煤炭 2018年5期

杨永强

(晋能集团有限公司,太原 030032)

随着煤炭开采技术的不断成熟,巷道围岩控制技术也在不断进步,其针对各种复杂地质环境下的围岩控制技术也不断被提出,且被应用于现场实践中。闫帅等[1]基于断层岩性和水文地质等条件分析了多种应力叠加机制和含水层上巷道过断层围岩破坏规律,提出相应的围岩控制技术。刘振杰[2]研究了孤岛工作面条件下三软煤巷的围岩变形特征,优化了巷道围岩控制方案。王襄宇等[3]针对弱胶结富水顶板巷道围岩变形状况,提出了锚索注浆+疏水孔+高性能锚杆索相结合的联合控制技术。王兴开等[4]研究了滑动构造区极松软煤层条件下巷道围岩大变形控制机理。

新三矿在生产实践中,为有效回收井下滞留煤炭资源,解决废矸石露天堆放产生的问题,提出了褶曲断层区废矸置换煤炭资源开采技术。该技术的现场应用提高了煤炭资源回收率,且实现了废矸不升井的绿色开采目标,但废矸置换巷所处的复杂地质环境对其支护提出了更高的要求。

1 地质概况

新三矿位于鼓山背斜东翼,在强烈构造运动的作用下井田构造形式复杂,断层构造居多,其次为褶曲构造,大中型断层构造,背斜、向斜等褶曲构造遍布井田,组成该井田总体构造格局。新三矿置换区域位于162110工作面采空区和162104工作面采空区之间,如图1所示。

图1 置换开采区位置及地质构造Fig.1 Position and geological structure of replacement mining zones

吝家沟向斜构造属于短轴向斜,中心区域靠近吝家沟村,最大落差有100 m,由于断层切割使两翼不连续、不完整,延伸2 300 m远,决定矿区地层产状的形成,其内存在7条小断层,落差1.0 m～2.5 m,1号废矸置换巷位置如图1所示,本文将重点分析其复杂应力环境围岩破坏特征,并据此提出针对性支护方案。

废矸置换巷道位于2煤层,属于向斜构造,两翼角度是10°,煤层厚度是3.9 m～4.6 m,平均厚度是4.5 m。2煤层顶板裂隙较发育,顶板完整性差,伪顶主要是厚0.64 m的细砂岩和炭质泥岩,直接顶是厚2.3 m的细砂岩,基本顶是厚5.8 m的细砂岩,直接底是厚3.18 m的粉砂岩,基本底是厚2.65 m的中粒砂岩,其煤岩层柱状图见图2。

图2 煤岩层柱状图Fig.2 Coal strata column

2 置换巷围岩变形破坏分析

2.1 复杂叠加应力场

根据现场实践可知,新三矿孤岛置换区的平均宽度为80 m,其回采引起的支承压力影响距离大于40 m,且以褶曲轴向为轴置换开采区域呈不对称分布形态,导致煤岩体各部分承受的构造应力分布不均衡,造成巷道围岩不协调变形。因此,孤岛置换区域的支承应力呈现非对称的马鞍状分布,如图3所示。

图3 褶曲孤岛置换区支承应力分布图Fig.3 Distribution of abutment pressure in fold island replacement zone

置换区域两侧边缘的支承压力与褶曲构造应力将重叠在一起使孤岛置换区中央的载荷急剧增加,应力集中程度大幅增大,集中系数值超过3。水平应力是影响两帮内挤、片帮、底臌的主要力学因素,孤岛煤柱正处于向斜轴部水平应力较高区,水平应力是垂直应力的2倍～5.5倍,煤体受剪切破坏程度显著增强,出现滑移、错动现象。因此,置换区域的煤体不仅要承受较高的支承压力,且还将受到极高的水平挤压作用,导致围岩裂隙发育严重,承载性能大幅降低。巷道围岩还需承受较大的支承应力,使巷道顶板沿最大剪应力方向发生跨冒和切顶事故。此外,由于孤岛置换区两侧煤体内应力呈非对称分布,产生不对称变形,支护体被各个击破,支护系统容易失效。在高支承应力和构造应力叠加作用下,置换区煤岩体遭到严重破坏,长期处于塑性流动状态,承载能力大幅降低,变形剧烈,巷道支护要比普通巷道的支护难度要大,需要采取高强度的支护方式来控制巷道围岩的大变形,提高巷道稳定性。

2.2 煤岩体构造裂隙发育程度

褶曲主要是在水平挤压力作用下形成,其轴部裂隙发育,废矸置换巷区域内有多条断层(图1),破坏了煤岩体的整体结构,导致围岩愈加破碎,降低围岩残余强度低。通过调研废矸置换巷道附近的南正巷、南副巷,发现此处巷道顶板裂隙发育,顶板下沉量大,多处出现漏冒和片帮现象,底臌量较大,进行多次的翻修。

构造裂隙的存在,大幅增加了巷道围岩稳定性控制的难度。浅部围岩破碎导致应力向深部进一步转移,塑性区范围继续扩大,加大巷道破坏深度,锚索锚固点失去了稳定的锚固层位,显著降低锚索支护作用。巷道两帮为煤体且节理裂隙发育,顶板的垂直载荷继续向两帮传递和转移,煤帮所承受的载荷迅速增长,使煤帮遭受拉伸和剪切破坏。

2.3 巷道空间位置

置换区域顶板内存在多条老巷(图1),设计的废矸置换巷将与老巷空间交叉,其将受多条近距离空间交叉巷道的影响,且在各巷道围岩叠加应力影响下,巷道围岩应力集中集中系数显著增大,使得该处围岩应力环境更加复杂,其支护难度也将成倍增加。

3 置换巷围岩控制技术

针对置换巷道围岩所处的复杂应力环境、煤岩体裂隙特征及其空间位置特点,提出了高预应力桁架锚索+锚杆(索)+W钢带+金属网联合支护方案。

3.1 高预应力桁架锚索

高预应力桁架锚索能主动提供水平和垂直方向的预应力,使大部分锚固区域处于压缩状态,显著改善岩体的受力状态,随着顶板的继续变形,桁架锚索所受的拉应力和施加的支护力也随之增大,阻止围岩进一步变形[5]。对于置换废矸区域而言,其巷道围岩的支承压力及水平应力都较高,其巷道顶板变形也将更加严重,则桁架锚索将对顶板提供更大的约束,限制顶板的弯曲下沉,且能形成闭锁结构控制顶板的进一步变形与垮冒。桁架锚索在巷道顶板围岩中部将形成一压缩区域,提高顶板围岩的强度及抗变形能力,且可显著降低顶板岩层最大拉应力,减弱顶板破坏。桁架锚索本身具有较大的抗剪性能,且其斜穿过煤帮上方顶板最大剪应力区域,能够很好地控制顶板的剪切破坏。

3.2 锚杆索联合作用

强力锚杆可在巷道浅部围岩形成连续的预应力承载结构,改变巷道破碎围岩的受力状态,增强其完整性和承载特性,并可抑制围岩塑性区及破碎区的发展,降低塑性区流变速度[6]。锚索的使用可以进一步加强其预应力结构的承载特性,并能进一步联系深部稳定岩层,与其一起抵抗浅部围岩变形。钢梁与金属网可进一步增强预应力锚杆索的扩散效果,增大锚杆索支护范围,且能进一步达到护表效果,限制围岩外移[7]。

4 工程实践

4.1 巷道围岩支护参数

基于理论分析和工程类比,再结合新三矿工程经验,综合确定废矸置换巷道的支护方案,如图4所示。

1)顶板支护。巷道顶板采用锚索桁架-锚杆(索)-W钢带-金属网支护。锚索桁架采用Φ15.24 mm×8 100 mm高强度低松弛预应力钢绞线锚索,排距为1 600 mm,钻孔深7 000 mm,锚索孔口距煤帮1 100 mm,锚索与水平面夹角为70°。每两排锚索桁架之间布置一根锚索,锚索与锚杆同排布置,单体锚索采用Φ17.8 mm×7 300 mm,钻孔深7 000 mm,排距800 mm。锚杆采用Φ20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆,间排距700 mm×800 mm,角锚杆与水平面夹角为70°。

2)两帮支护。两帮采用锚杆(索)-金属网-钢筋托梁支护。桁架锚索采用Φ15.24 mm×5 300 mm高强度低松弛预应力钢绞线锚索,两根锚索用钢筋托梁联接,排距为800 mm,呈五花布置,上位锚索距顶板1 600 mm,与水平面夹角为+20°,下位锚索距底板1 275 mm,与水平面夹角为-10°;巷帮中间水平布置一排单体锚索。锚杆采用Φ18 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆,锚杆与锚索同排布置,间排距为650 mm×800 mm。

图4置换巷道的支护方案Fig.4 Supporting scheme of waste gangue replacement roadways

4.2 支护效果

为了验证支护方案的支护效果,在巷道内布置3个测站进行矿压观测。顶板和两帮位移观测结果如图5所示。

图5 巷道变形曲线Fig.5 Roadway deformation curves

监测结果表明,观测初期,顶帮变形速度快,增幅大,然后变形速率减小,在第8 d左右出现了快速增长,在26 d～35 d巷道围岩变形呈变缓的趋势,最后趋于稳定。3个测站的数值略有差异,但总体上巷道围岩的变形趋势是相同的,顶板下沉量大于两帮移近量,顶板、两帮的最大表面位移分别是135 mm,110 mm,证明围岩控制效果良好,满足了矿井安全高产高效生产的需求。