复合软岩顶板稳定性分析及支护技术研究

朱德智

(晋能控股煤业集团成庄煤矿,山西 晋城 048021)

1 工程概况

1.1 工程背景

随着开采的不断深入,矿井东区3#煤层资源逐渐枯竭,五盘区成为成庄矿的主要生产盘区。2016年开始掘进五盘区北翼集中胶带巷和回风巷,初始采用锚网支护、锚索补强的方式,掘进400 m以后两条巷道矿压显现明显,短时间内产生较大变形。顶板离层仪监测发现,两条巷道浅部和深部均产生不同程度离层,浅部离层值达到130 mm,深部离层值达到65 mm。为保证安全开采,采用锚索和单体支柱对变形严重段顶板进行了补强支护,但围岩变形仍未得到有效控制,顶板仍未完全稳定。随后对新掘进巷道顶板支护方式作了多次修改,加强支护后巷道掘进一段时间仍出现顶板离层仪监测值大面积达到警戒值的情况。

与矿井其他区域相比,五盘区北翼地质条件显得极为异常,其他区域采用类似的支护参数从未出现过如此强烈的矿压显现。在复杂地段,因区域煤层沉积环境改变,特别是煤层顶板围岩沉积环境变化,导致煤层厚度、煤层结构及顶板岩层结构和性质受到影响,给巷道支护方式的选择造成了困扰。传统的顶板支护设计是根据地质钻孔资料并参照已有巷道的支护方式,采用工程类比法进行。但由于局部区域基础地质资料与实际情况差别较大,对支护对象的稳定性缺乏科学有效的分析,因此需要根据顶板围岩稳定性分析结果及时修正支护设计,提出针对性措施来增强支护可靠性,解决五盘区北翼巷道支护难题。

本文以五盘区北翼巷道为研究对象,采用钻探取芯、钻孔窥视和强度测试等方法系统分析了顶板稳定性,并开展了复合软岩顶板变形控制的研究,以期为类似地质条件矿山的安全开采提供参考。

1.2 五盘区北翼地质概况

1.2.1五盘区北翼顶板结构

地质资料显示,北翼集中巷掘进区域3#煤层老顶为砂质泥岩,黑色,层理清楚,质不坚,岩芯坚硬,完整,局部质不坚,夹薄层细砂岩及泥岩,富含植物化石碎片,下部见细粒砂岩约0.8 m,岩芯灰色,含石英、长石,岩芯坚硬;直接顶为砂质泥岩,黑色,质软不坚硬,层理发育,岩芯坚硬,完整,平均厚度为6.22 m。五盘区北翼综合柱状图见图1所示。

图1 五盘区北翼综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of thenorth wing of No.5 panel

1.2.2五盘区北翼顶板取芯结果

对复杂地段的煤层顶板进行钻探取芯,通过取芯可以对围岩的地质特征(层数、厚度、性质、硬度等分布规律)进行直接观测。五盘区北翼顶板取芯结果如图2所示。3#煤层顶板10 m范围内包含砂岩、砂质泥岩、煤、泥岩、炭质泥岩等5种岩性,相互交错,其中硬度稍大的砂岩共有3层,累计层厚只有3.2 m。取芯结论为3#煤层顶板10 m范围内以泥岩为主,共分为9层,软硬相间,结构复杂。

图2 五盘区北翼顶板取芯结果示意图Fig.2 Results of drilling core from the roof in the north wing of No.5 panel

1.2.3顶板窥视情况

为查明巷道变形层位,探明顶板结构,采用钻孔窥视仪对巷道顶板进行窥视。钻孔孔壁观察采用矿用小孔径全景电子窥视仪进行煤岩体结构观察。典型窥视结果如图3所示。从窥视图片发现,巷道顶板以上0.5,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.15,1.3,1.75,2.0～2.1,2.4,2.6,3.3 m处出现了明显的层理扩张,顶板变形处孔口以里1 000 mm范围内的孔壁十分破碎,多条横向和纵向裂隙发育,裂隙开度较大,4 000 mm以下的孔壁可见十多处横向裂隙,位于2 m处的煤线位置孔壁很破碎;4 m以上围岩完整性较好。

图3 集中回风巷顶板钻孔窥视结果Fig.3 Peeping results of roof in centralized return air roadway

1.2.4五盘区北翼地质力学测试结果

近年来相关科研单位对成庄矿各盘区进行了地质力学参数测试。通过地应力测试,较为准确地掌握了成庄矿地应力分布特征与规律,为巷道支护提供了较为详实的地应力基础数据。测试所用仪器为SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置。该装置采用小直径钻孔(58 mm),可在井下进行快速、大面积的地应力测量,并且同一钻孔还可以用于围岩强度测量。

四盘区6个测站的测试结果如下:四盘区3#煤层直接顶为砂质泥岩,强度大部分集中在30～55 MPa之间,平均强度为44.35 MPa;老顶为中-细砂岩,中厚层状,强度大部分集中在80～120 MPa之间,平均强度为93.07 MPa;3#煤层中含有夹矸,完整性普遍较好,平均强度为20.58 MPa,煤层中硬。区域最大水平主应力为19.16 MPa,垂直应力为12.63 MPa,最小水平主应力为10.01 MPa。

在顶板取芯和钻孔窥视的基础上,对五盘区北翼集中巷进行了地质力学测试,测试结果如下:测试区域直接顶强度极低,大部区域因破碎无法测出强度,老顶平均强度43 MPa,煤层平均强度为17.1 MPa,开采条件较差。区域最大水平主应力为15.29 MPa,垂直应力为12.01 MPa,最小水平主应力为8.31 MPa,整体上属于中等地应力场,应力小于矿井其他区域。

对比地质力学测试结果发现,矿井3#煤层总体来说都属于中等应力区,四盘区地应力稍大于五盘区,但四盘区无论是煤层、直接顶还是老顶在硬度、完整性和稳定性上都明显优于五盘区。通过测试结论结合现场巷道控制难度分析可知,导致五盘区北翼巷道稳定性差的关键因素是顶板结构复杂且强度较低。结构越复杂,顶板越容易出现不连续变形,即产生离层现象,尤其是软弱和坚硬的相间复合结构;同时,强度越低,受压时越容易产生裂隙,稳定性越差。

2)恒温热风干燥：文献[9]的研究显示，装载厚度在一定范围内对干燥速率的影响不大。因此，本试验的影响因子取温度和风速。温度取4个水平：45，55，65，75℃，能保证辣椒干燥后的质量良好；风速取3个水平：0.6，1.2，1.8m/s，能较好反应风速的影响程度；装载厚度取单层(10mm左右)，即辣椒单层平铺在网状托盘上。

2 五盘区北翼集中巷巷道变形监测及原因分析

2.1 巷道变形破坏特征

五盘区北翼集中巷2016年1月开始施工,截止2016年6月底集中胶带巷施工至1 300 m处,回风巷施工至1 000 m处,掘进过程中两巷自400 m左右开始出现顶板离层仪大面积警戒现象。5月初两巷顶板同时改为全锚索支护(胶带巷812 m处,回风巷538 m处),两巷5#横川至14#横川之间的540 m范围内,胶带巷有460 m 变形严重,回风巷有70 m变形严重。统计资料显示,在巷道开始掘进的6个月之内,集中胶带巷43个离层仪中有15个离层仪显示顶板总离层值接近或超过50 mm,集中回风巷29个离层仪中7个离层仪显示顶板总离层值接近或超过50 mm。

北翼集中巷初始设计采用锚网索支护,巷道顶板支护平面图,如图4所示。改用7.4 m全锚索支护后,顶板管控效果增强,变形段减少,但随着巷道继续向前掘进,顶板离层仪又出现了大面积离层警戒的状况。全锚索支护段巷道顶板支护平面图,如图5所示。

图4 北翼集中巷顶板支护方案一(锚杆支护)Fig.4 Roof support I of centralized roadway in the north wing (bolt support)

图5 北翼集中巷顶板支护方案二(7.4 m全锚索)Fig.5 Roof support II of centralized roadway in the north wing (7.4 m anchor cable support)

2.2 巷道变形原因分析

通过现场调查和窥视结果分析,北翼集中巷离层较大的主要原因如下。

1)顶板围岩分层现象明显。顶板围岩局部有破碎岩层,破碎岩层在巷道开挖后容易产生离层;破碎岩层与完整岩层形成的复合顶板在受到水平应力挤压作用下易产生分离,即不连续、不协调变形,离层基本都分布在复合岩层交界面处。软岩巷道顶板在高水平应力作用下,沿层理面张开、滑动,并逐步向巷道内凸起,形成V形挤压式变形破坏。拉伸破坏在整个顶板围岩的破坏模式发挥主导作用[1-2]。

2)围岩软弱、易风化。巷道围岩以泥岩为主,强度低、易风化,尤其是顶板浅部泥岩产生风化易导致泥岩产生碎胀变形,从而加剧浅部围岩离层[3-4]。

3)对巷道浅部的支护强度不够。锚索预紧力无法阻止岩层原生裂隙的扩张,改用全锚索支护后,虽然预紧力和支护密度提高,但锚索自由段过长,巷道顶板仍然出现了由表及里的离层[5-6]。

3 长短锚索支护技术

3.1 53183巷概况

53183巷断面尺寸为5 000 mm×3 200 mm(宽×高),根据北翼集中巷支护参数和巷道变形情况,巷道顶板支护设计经过多次调整后采用如下支护参数,即全锚索支护,每排5根锚索,锚索长度7 400 mm,每排锚索之间进行锚索补强,每排补强2根,锚索长度7 400 mm。巷道顶板支护方式平面图,如图6所示。巷道掘进后局部区域仍出现了离层仪浅部基点的离层值在短时间内就达到黄色警戒线的状况。

图6 53183巷顶板支护方式平面图Fig.6 Roof support of No.53183 roadway

为考察巷道顶板围岩变形情况,在巷道沿途顶板离层仪附近进行窥视。整体来看,53183巷顶板离层主要以浅部离层为主,浅部离层主要分布在1.6 m范围内,其他层位离层不明显,深部基点离层值增加不大。除此之外,为验证窥视结论,同时增加监测频度,掘进过程中增加了部分浅部离层测点,对1.5 m范围内的顶板变化情况加强了矿压监测。通过对离层仪、浅部离层测点和窥视数据进行对比分析,验证了窥视结论。

3.2 改进方案

53183巷7.4 m全锚索支护效果表明,不考虑锚索的预应力而一味增加锚索长度,不会取得明显效果。为了增加巷道浅部围岩的支护强度,再次调整支护方案,尝试采用高预应力的短锚索支护方式。采用长短锚索结合的支护方式控制顶板,将每排钢带处的5根长度为7 400 mm的锚索更换为长度4 300 mm的锚索,钢带之间的2根7 400 mm锚索参数不变,顶板采用双层网片护表,内层为塑料网,外层使用钢筋网,长短锚索在围岩内部形成两层网状骨架结构。长短锚索结合的顶板支护方式平面图,如图7所示。

图7 长短锚索结合的顶板支护方式平面图Fig.7 Roof support combined with long and short anchor cables

3.3 支护效果分析

53183巷和剩余的两条顺槽采用长短锚索结合的支护方式后,顶板离层值显著减少。在工作面巷道掘进期间,对巷道表面位移进行现场观测,结果如图8所示。53181/2巷采用该支护方式后顶板下沉量基本控制在40 mm以内,3 000 m长的巷道沿途114个离层仪中仅有两个顶板离层仪浅部基点监测值接近40 mm。

(a)测点1

(b)测点2图8 53182巷位移监测结果Fig.8 Displacement of No.53182 roadway

3.4 经济效益

五盘区北翼软岩复合顶板在支护过程中多次调整支护方式,从原始的锚杆支护、锚索补强到全部采用7 400 mm的长锚索支护,均出现了离层仪大面积出现警戒的现象。采用长短锚索结合的支护方式有以下明显的优点:

1)安全性提高。为保证安全,相临的北翼集中巷绝大部分区域不得不在锚网支护的基础上采用单体柱架棚补强。经统计,五盘区北翼集中巷已累计投入单体柱4 900根。而53181/2巷自2017年9月开始掘进至回采结束,巷道控制效果明显改善,取消了单体柱架棚支护,满足了设备安装和运输工作需要。

2)经济效益改善。7 400 mm锚索单价为268元,4 300 mm锚索单价为221元,每排使用锚索6根,每米巷道节省材料费282元,53181/2巷及其横川采用该支护方式累计掘进约4 000 m,仅支护材料已累计降低成本费用约112.8万元。

4 结论

1)通过掘进过程中收集支护钻孔反馈的异常信息,采用取芯、窥视、强度测试等手段对顶板稳定性进行综合分析,可以及时发现支护对象存在的问题,调整合理的支护层位。

2)采用长短锚索相结合的支护方式控制厚层软岩复合顶板变形。在相同的预紧力条件下,锚索长度减小后预应力扩散范围减小,但可以增加巷道表层的支护强度。顶板控制效果增强,顶板下沉量由超过100 mm减小到30 mm左右。

3)顶板采用双层网片护表,内层采用塑料网,外层使用钢筋网,增强了锚索支护组合构件的强度,减少了网兜,有利于预应力的保持及扩散,锚索支护整体性增强。