马蹄沟煤矿末采阶段回撤通道二次加固技术研究

2023-11-13朱自新赵东方王余伟

矿业安全与环保 2023年5期

朱自新,赵东方,王余伟

(华亭煤业集团公司马蹄沟煤矿,甘肃华亭 744103)

工作面回采期间,回撤通道矿压显现剧烈,若围岩控制和支护措施不合理,回撤通道围岩变形会显著增大,严重时还会出现压架事故,影响作业人员及设备安全,故采取合理的二次加固技术是解决回撤通道变形的有效手段。

锚注联合支护将锚杆支护与注浆加固的优势综合利用起来,能充分发挥注浆加固围岩裂隙和锚杆轴向约束围岩变形的作用,因此在工程中被广泛采用[1-7]。国内大量专家学者对锚注联合支护进行了机理研究和工程实践,取得了诸多成果:张农等[8]通过实验证实了巷道围岩注浆能提高岩块残余强度,增强岩块协调变形能力;刘泉声等[9]在顾桥煤矿采用联合支护的设计理念和优化支护方案后,巷道围岩能够保持长期稳定;秦海忠[10]开展了晋煤成庄矿二采复用巷道注浆加固工业性试验,取得了良好的注浆加固效果;熊祖强等[11]根据现场矿压监测数据和巷道变形破坏规律,对巷道二次注浆加固方案进行优化,解决了大采高工作面复用巷道留设困难的问题;何富连等[12]针对某矿采动区大巷群围岩易破碎、难稳定等问题,采用锚喷注浆联合支护方法,显著提高了采动影响下的围岩稳定性;贾勇强等[13]在巷道围岩初始变形阶段进行二次注浆支护,注浆后的复用巷道形变量减小50%以上;许兴亮等[14]认为浆液最大扩散范围除了与最佳水灰比有关外,还主要受岩体裂隙张开度的影响;马赛等[15]对某矿末采阶段回撤通道采用联合注浆加固技术,解决了末采阶段回撤通道片帮与冒顶等问题;梁晓敏等[16]采用数值模拟方法对注浆参数进行分析,解决了松散破碎围岩巷道持续变形的问题;康红普等[17]为解决千米级大埋深煤矿井巷松软煤体大变形难题,研发了新型注浆锚杆和高压注浆锚索;董太华等[18]基于跨界支护原理提出了跨界锚注差异化支护技术,解决了急倾斜煤层巷道非对称大变形控制难题。

综上所述,二次锚注加固能有效控制复杂条件下巷道的变形,提高其稳定性。但对于注浆范围这一关键支护参数,仍缺乏系统理论研究。笔者以马蹄沟煤矿3505、3506工作面回撤通道为例,基于围岩中锚杆与围岩的协调变形原理,计算出在锚固条件下的回撤通道围岩塑性区及松动区范围,确定合理的二次注浆加固参数,以期能有效控制回撤通道的围岩变形,确保工作面生产安全。

1 工程概况

马蹄沟煤矿3505、3506工作面回撤通道设计标高在+1 106～+1 125 m水平,回撤通道所在岩层主要为5#煤层。煤层赋存基本稳定,煤层厚度为7.5～16 m,平均倾角21°,煤的坚固性系数f为2～3。煤层以黑色块状为主,其次为条带状及薄层状,结构均一。煤岩主要由暗煤、亮煤组成,中间夹有条带状和透镜状镜煤,局部含有少量丝炭。

末采阶段,受3505采动工作面支承压力影响,3505、3506工作面回撤通道围岩应力状态发生显著变化,导致通道长期处于高应力环境中。同时,回撤通道围岩自稳性能差、流变时间长,超前支承压力与侧向支承压力相叠加,致使回撤通道围岩裂隙更为发育。在支承压力影响下,回撤通道顶板下沉量增大;水平应力对回撤通道两帮煤体产生挤压,产生帮鼓;底板在两帮传来的支承压力下产生挤压流动形成严重底鼓。导致回撤通道原有支护结构失效,围岩发生严重变形,生产设备回撤困难,如图1所示。

(a)顶板变形 (b)左帮变形

(c)右帮变形 (d)底板变形

2 回撤通道围岩与锚杆相互作用分析

2.1 围岩—锚杆相互作用力学模型

回撤通道开挖后,立即采用锚杆对围岩进行初期支护。在锚固剂作用下,锚杆与围岩结合成复合结构体并相互作用,锚杆与围岩两者之间存在协调变形关系[19]。为分析锚杆与围岩的相互作用,假设:①回撤通道纵向长度远大于其横向宽度,且回撤通道纵向长度无限长,按平面应变问题计算;②回撤通道开挖初期,岩体均质、连续且各向同性;③将锚杆与围岩视为统一整体,且两者之间无相对滑动;④锚杆杆体的抗拉强度远大于周围岩体的抗拉强度。沿回撤通道纵向方向任取单位长度进行分析,建立回撤通道围岩锚杆力学分析模型,如图2所示。

l—锚杆长度;rm—回撤通道中心至锚杆中性点的距离;τ(r)—锚杆表面摩阻力;Q—锚杆预应力;r0—回撤通道等效开挖半径。

2.2 锚杆内力分布基本规律

根据围岩变形不同阶段,将围岩划分为不同区域,不同区域岩体径向移动速率不同,且破碎区岩体移动速率>塑性区岩体移动速率>弹性区岩体移动速率。根据假设条件③,锚杆与围岩符合协调变形关系:处于围岩表层的一段杆体受到正摩阻力作用,且沿锚杆方向向里,正摩阻力逐渐转为负摩阻力,在锚杆内端摩阻力为0。由力学平衡可知,锚杆轴力在正负摩阻力交界点处达到最大值,交界点即锚杆中性点。锚杆内力分布规律如图3所示。

σ(r)—锚杆所受正应力。

2.3 锚杆内力大小

2.3.1 锚杆受力分布分析

取微段杆体,建立的杆体受力模型如图4所示。

q(r)—杆体摩阻力;r—回撤通道中心至杆体轴线上某点的距离。

由力学平衡条件可得:

Asdσ(r)=q(r)Ddr

(1)

式中:As为杆体横截面面积;q(r)为任意微段杆体所受摩阻力;D为杆体周长。

由式(1)可得:

(2)

根据锚杆本构关系可知:

(3)

式中:Ea为杆体弹性模量;u(r)为杆体某界面处岩体径向位移。

联立式(2)和(3)可得:

(4)

将锚杆变形忽略不计,任意微段杆体所受摩阻力q(r):

q(r)=K[u(r)-u(m)]

(5)

式中:K为杆体的剪切刚度系数;u(m)为锚杆中性点处周围岩体的径向位移。

将式(5)代入式(4)得:

(6)

将杆体在任意界面处的轴力:

(7)

由式(7)可得:

(8)

联立式(6)和(8)得:

(9)

(10)

根据假设条件可知,杆体某界面处周围岩体的径向位移:

(11)

式中B为常系数。

当该界面处于围岩塑性区时:

(12)

(13)

将式(11)代入式(10)得:

(14)

式中b为常数。

由边界条件P(r)|r = r0= 0可得:

(15)

将式(15)代入式(14)得杆体在任一截面上的轴力为:

(16)

2.3.2 锚杆中性点确定

对于预应力锚杆,锚杆表面剪应力τ及预应力Q作用下的静力平衡条件为:

(17)

根据杨更社等[20]研究成果,预应力锚杆剪应力的一般表达式为:

(18)

(19)

(20)

式中:Ab为锚杆折算横截面面积;m为常数;Ec为黏弹性模量;Ac为黏接剂横截面面积。

将式(18)代入式(17)可得:

(21)

将式(20)代入式(21)得锚杆中性点至回撤通道中心的距离为:

(22)

2.3.3 中性点处锚杆轴力最大值计算

由式(16)、(22)可知,锚杆最大轴力为:

(23)

3 锚固围岩变形范围分析

回撤通道开挖后,表层围岩裂隙增多,围岩塑性区不断扩展。回撤通道在第一次锚杆支护后的围岩等效塑性区半径计算公式如下[21]:

(24)

式中:Pi为支护阻力;A和η为常系数。

常系数A和η计算公式如下:

(25)

(26)

(27)

回撤通道在第一次锚杆支护后的围岩等效破碎区半径为:

(28)

4 回撤通道围岩二次注浆加固研究

4.1 围岩二次注浆加固机理

在末采阶段,受工作面支承压力的影响,回撤通道围岩在原有支护条件下已经不能保持稳定。在围岩破碎严重的情况下,简单的锚杆(索)支护,通常不能起到很好的加强支护作用,此时应采用锚注联合加固围岩。围岩注浆加固主要有以下几种作用:

1)充填作用。在压力作用下,浆液不被注入岩体裂隙,有害气体不断被排出,微小裂隙逐渐闭合,围岩应力集中水平降低,达到控制围岩变形的目的。

2)固结作用。注浆可以改变围岩的物质组成成分,降低围岩孔隙率,提高围岩的弹性模量、黏聚力和内摩擦角,改善了围岩的本身性质,使围岩的自承载能力增强。

3)封闭作用。软岩体吸水膨胀也是引发部分回撤通道围岩变形破坏的一个重要原因。注浆填充完成后,浆液封闭了地下水与软岩的接触面,从而降低了软岩变形速率。

4.2 围岩二次注浆参数

1)扩散半径。扩散半径决定着注浆工程量和工程进度,且随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、浆液流动特征、注入时间等因素的变化而变化。

2)注浆材料。围岩注浆材料主要分为水泥基材料、化学材料及水泥化学复合材料3种类型。每种类型材料的力学性能、抗渗性能等各不相同。在进行工程应用时,需要综合考虑工程地质条件、浆液性能、注浆工艺及成本等因素。

3)注浆压力。围岩注浆时,需要综合考虑注浆深度、围岩破碎程度、裂隙发育程度等条件,设置合理的注浆压力,保证浆液渗入围岩裂隙且不造成新的破坏。单孔最大注浆压力采用柱状渗透理论进行确定。

4)注浆量。从保证回撤通道围岩裂隙被充填密实的角度出发,注入的浆液尽量保证能填满裂隙,原则上注到不吃浆为止。

5)注浆孔布置和孔深。注浆孔布置的原则是要保证浆液尽可能多且均匀地渗透到破碎围岩中,根据注浆工程实践及实验室试验结果来确定布孔参数。

6)凝胶时间。凝胶时间视浆液本身的特征,不同的注浆工程要求浆液凝胶时间在几秒到几小时的范围内,并能准确调节控制。

5 马蹄沟煤矿回撤通道二次注浆加固及效果分析

5.1 回撤通道围岩变形范围确定

经测试,回撤通道平均埋深H=398 m,上覆岩层平均重度γ0=25 kN/m3,初始地应力p0=9.95 MPa。回撤通道开挖断面为矩形(宽3.5 m,高2.4 m),回撤通道开挖等效半径r0=4.2 m。初期支护采用ø22 mm螺纹钢锚杆,长度l=2.2 m,支护阻力Pi=120 kPa,初期支护前围岩表面位移0.04 m。其余相关计算参数如下:Q=50 kN,As=380 mm2,D=0.07 m,Ea=1.2 GPa,K=0.21 GPa/m,μ=0.3,E=5.3 GPa,φ=26.1°,C=3.4 MPa,η=1.57,G=2.45 GPa,k=0.8。

5.2 回撤通道围岩二次注浆关键参数确定

由回撤通道围岩等效破碎区半径可知,围岩破碎区实际厚度:

(29)

合理的注浆深度可以充分固结破碎围岩,增强其抵抗变形的能力[22]。经现场实测和理论计算得回撤通道围岩破碎区厚度为1.9 m,注浆孔的长度应大于等于围岩破碎区厚度,故注浆钻孔深度L取2 m。

结合工程实际情况,采用浅孔全断面锚杆注浆加固方案,依次对回撤通道顶板、两帮和底板进行注浆。选用MZGK80-32/22×B内自闭式中空注浆锚杆,锚杆长2 000 mm,壁厚≥4 mm,托盘厚6 mm,锚固力大于50 kN。钻孔直径为32～38 mm。注浆材料为标号为42.5普通硅酸盐水泥浆,水灰质量比为1∶1。注浆锚杆间距800 mm,排距1 000 mm,顶底板角部锚杆与竖直方向夹角为20°,两帮角部锚杆与水平方向夹角为15°。注浆锚杆布置如图5所示。

图5 二次锚注联合支护布置图

5.3 回撤通道围岩二次加固效果分析

为检验回撤通道二次加固效果,采用十字布点法监测围岩变形情况,断面测点布置如图6所示。支护方案实施期间,每2 d收集一次监测数据,共监测36 d,回撤通道变形趋于稳定。二次加固前后围岩变形监测结果如图7所示。

图6 回撤通道表面位移监测点布置

(a)两帮移近量

(b)顶板下沉量

(c)底鼓量

通过分析图7可知,在原有支护条件下回撤通道围岩持续变形,其中顶板最大下沉量268 mm,两帮最大移近量332 mm,底板最大底鼓量222 mm。二次锚注加固后,回撤通道围岩变形趋于稳定,在加固后的36 d内,监测数据显示:顶板最大下沉量65 mm,两帮最大移近量131 mm,底板最大底鼓量50 mm,相比注浆加固前围岩变形量分别减小了75%、62%、77%。可见,二次加固方案实施后回撤通道围岩变形得到了有效控制,二次加固方案对解决末采阶段工作面的回撤通道变形失稳问题是可行的,满足了回撤通道正常使用的需要。回撤通道围岩变形控制及其效果如图8所示。