掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究

2024-04-10杨睿

煤 2024年4期

杨睿

(山西潞安矿业集团夏店煤矿,山西长治 046200)

1 工程概况

3120回风巷道位于31采区胶带巷南侧(开口于31采区胶带巷,15号与14号贯通方向32 m处南帮),31采区15号贯东侧。3118运巷西侧巷道埋深为470 m,巷道附近岩层受地质构造应力影响较大,煤层厚度6.8 m,赋存结构简单。直接顶与基本顶主要以细粒砂岩和中粒砂岩为主,伪顶为泥岩,局部区域的直接顶中存在0.2～0.5 m厚的极易冒落区,随巷道的开挖冒落严重。基本顶受地应力与扰动应力的影响明显,在超前支撑压力的影响下矿压显现较为严重。因此,对掘进过程中局部区域破碎顶板的加固技术亟待研究。煤层顶底板岩性特征如表1所示。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 梁-拱锚固承载技术原理

巷道开挖后,围岩应力发生二次分布,当应力集中区域的应力值高于巷道围岩的承载能力时,将会使巷道表现出塑性破坏与损伤特征[1-2]。伴随着塑性与损伤的卸压过程,巷道围岩的应力将会进一步调整,直至达到变形稳定状态。当巷道未进行加固支护时,根据冒落拱理论,巷道开挖使岩层间的联系程度降低,在扰动应力与地应力的作用下,巷道浅部围岩发生垮落,深部围岩发生破碎,破碎岩块之间相互挤压变形,最后形成“拱形”动态平衡,即自然平衡拱[3]。

当岩石较为破碎,自稳能力较差时,自然平衡拱的范围将会随之扩大,其稳定性也会随之降低。为避免围岩松动裂隙圈急剧发展致使巷道失稳,通常采用锚杆进行加固,根据加固原理不同,可分为组合梁结构与组合拱结构[4-5]。

1) 组合梁加固结构。锚杆在岩体中受到岩石塑性碎胀力的拉伸作用,对岩石产生压应力。在锚杆预应力的作用下,在杆体两端形成锥形应力区,当把锚杆间距控制在合理的小间距范围内时,锚杆之间的锥形应力区将会叠加,形成叠合连续的均匀压缩加固结构,使离层的顶板岩层组合在一起,形成承载整体。

2) 组合拱加固结构。组合拱结构是岩土体间微观力学作用结果,非宏观岩石结构。其形成过程依赖于岩石微观颗粒间的内聚力、摩擦角,当不同微观颗粒所受力学边界条件不统一时,会产生摩擦与挤压作用,使深部岩石在一定程度上形成拱效应。拱效应的强度可通过设计锚杆长度、间距、预应力参数进行控制,根据应力路径的不同,组合拱的力学特性也会发生变化。

基于上述自然平衡拱、组合梁、组合拱理论,提出梁-拱锚固支护[6],结构如图1所示。此支护结构在冒落拱的基础上,通过锚杆的加固作用对围岩力学性质进行增强,兼顾岩石自身的承载能力(梁形与拱形的承载效应),该承载效应形成的关键在于采用等长度和变长度的锚杆相间布置的形式,如图2所示。图2(a)中,锚杆等长、等距布置下,施加低预应力,在浅部围岩形成方形组合梁支护特征,此种施工方式简单,成本较低;图2(b)中,锚杆沿冒落拱曲线变化长度,施加高预应力,在深部围岩形成组合拱支护特征,此种施工方式复杂,成本较高。综合考虑两种支护方式的优点,将低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆进行组合,形成图2(c)所示的梁-拱形支护方案。

图1 巷道破碎顶板梁-拱锚固支护结构示意

图2 粱形、拱形、梁-拱形支护方案三维示意

3 梁-拱锚固技术参数分析

采用FLAC3D对巷道破碎顶板的岩层控制效果进行分析[7],建立模型尺寸为60 m×60 m×60 m,固定模型底部位移边界与侧向位移边界,在模型顶部施加12 MPa的垂直应力,模拟470 m的巷道埋深。选取的数值模拟岩性参数如表2所示,锚杆支护参数如表3所示。采用摩尔库伦准则进行数值模拟计算。

表3 锚杆模拟参数

3.1 锚杆长度参数分析

将短锚杆的长度固定为1.8 m,长锚杆的长度设定为3.5 m、4.5 m、5.5 m,得到变锚杆长度下,梁-拱锚固结构的围岩应力变化规律,如图3所示。在图3(a)中,锚固作用主要以拱结构为主,压应力区为20～30 kPa;当锚杆长度增加至4.5 m时,短锚杆附近表现出组合梁的结构形式,压应力数值为20～40 kPa;当锚杆长度继续增加至5.5 m时,梁-拱锚固结构凸显,表现出明显的上位组合拱与下位组合梁的形式,其中组合梁的应力值为30～50 kPa,组合拱的应力值为0～30 kPa.

图3 不同锚杆长度支护参数下梁-拱锚固支护效果

通过对比图3可知,梁-拱锚固结构随着长锚杆的长度增加而逐渐凸显,组合拱结构的外边界长度与长锚杆长度接近,在锚杆端头处,压应力逐渐变换为拉应力,围岩压应力逐渐向岩层深部转移,改善了围岩的受力状态[8]。

3.2 锚杆间距参数分析

为探究梁-拱锚固结构与锚杆间距的支护作用关系,选取0.6 m,0.8 m,1.0 m的锚杆间距进行数值模拟计算,如图4所示。当锚杆间距为0.6 m时,锚杆的锚固作用力最大,梁-拱结构效果最为明显,其中组合梁的强度为35～64 kPa,组合拱压应力区数值为0～35 kPa;当间距扩大至0.8 m时,组合梁和组合拱的压应力区数值逐渐下降,组合梁压应力数值为2～45 kPa,组合拱强度为0～25 kPa;当锚杆间距为1.0 m时,梁-拱结构作用范围逐渐扩大,但应力区数值进一步降低,组合梁强度为15～36 kPa,组合拱强度为0～15 kPa.

图4 不同锚杆间距支护参数下梁-拱锚固支护效果

根据分析可知,随着锚杆间距的逐渐增加,梁-拱锚固结构的作用范围会逐渐增加,但是随着应力叠合区的逐渐缩减,支护强度会呈现出明显的下降趋势,不利于维持巷道围岩的稳定。

3.3 锚杆预应力参数分析

针对锚杆预应力对梁-拱锚固结构的影响,固定短锚杆的预应力为80 kN,长锚杆的预应力分别为100 kN,120 kN,140 kN,数值模拟计算结果如图5所示。当长锚杆的预应力数值由小逐渐增大时,梁-拱锚固的结构效果逐渐明显。组合梁的最大强度由45 kPa增加至52 kPa,直至59 kPa;组合拱的最大强度由20 kPa增加至25 kPa,直至30 kPa.

图5 不同锚杆预应力支护参数下梁-拱锚固支护效果

由图5的对比分析可知,锚杆预应力的增加可以显著增强梁-拱组合支护结构的支护强度,但是支护范围并没有明显扩大。相比之下,改变锚杆长度与锚杆间距是影响支护范围的主要措施。

4 支护方案设计与工程监测

根据梁-拱锚固结构的力学成因,为强化顶板拱形支护效应,采用高强锚索代替长锚杆,顶板锚索采用6 300 mm与4 500 mm不等长布置方式,6 300 mm锚索间距为720 mm.4 500 mm锚索与6 300 mm锚索的间距为880 mm,与竖直方向夹角分别为18°与36°,以此作为组合梁支护基础。同时搭配高强度螺纹钢锚杆,锚杆长度采用2 800 mm等长布置,锚杆预应力最小值为80 kN,在靠近矩形巷道的边角处设置15°倾角,锚杆间距为700 mm.顶板锚杆与锚索采用交错布置方式,并配合梯子梁进行支护,排距均为1 000 mm,布置方式如图6所示。为验证梁-拱锚固支护对围岩的加固支护效果,对夏店煤矿3120工作面进行现场监测,共布置2个围岩变形测站,监测曲线如图7所示。

图6 巷道围岩顶板加固技术方案示意(单位:mm)

由图7可知,经过160 d的监测,巷道围岩变形在0～120 d时逐渐发展,在40～100 d时属于变形的快速发展阶段,在120 d后围岩变形趋于稳定。最终围岩两帮的位移量为31～57 mm,底鼓量为38～68 mm,顶板下沉量为15～25 mm.在监测期间,巷道未发生冒顶事故,并且满足生产设备的空间使用与安全维护需求。监测结果表明,梁-拱锚固支护方案有效地控制了掘进巷道破碎顶板的冒落与变形。