倾斜软煤层巷道围岩变形机制分析

倾斜软煤层巷道围岩变形机制分析

王曙光

安徽省淮北市濉溪县南坪镇任楼煤矿生产技术部，安徽235123

摘要：倾斜软煤层巷道围岩支护的核心是通过锚固、黏结、支撑等技术手段使围岩形成为一个稳定整体，达到实现围岩自稳性的目的。因此，本文以某矿山为例研究巷道变形破坏机制, 得出了产生非对称变形破坏的关键部位, 提出了有效的控制方案。

关键词：倾斜；软煤层；巷道围岩；变形机制；

1 巷道围岩变形破坏特征

煤炭资源是能源结构中的主要组成部分，早期的煤炭开采主要在地表下浅层作业，地应力造成的危害不是早期开采的主要问题，随着地下开采的埋深逐年增加，高地应力原因造成的离层、滑动等变形作用于巷道围岩，导致顶板下沉、底鼓、锚杆断裂等问题日渐突出，冒顶片帮事故也频频发生。以矿山12350巷道为例，巷道布置观测区域,通过钻孔窥视试验、巷道围岩表面位移监测及巷道断面形状观测的方法探测巷道围岩的变形破坏特征, 现场调研结果表明:

1) 巷道帮部破坏范围较顶部明显大, 且顶板右侧破坏范围大于顶板左侧, 巷道右帮破坏范围大于巷道左帮。

2) 巷道围岩两帮移近量>顶底板移近量, 围岩位移量由大到小依次为底板>右帮>左帮>顶板;巷道围岩历经快速变形—缓慢变形—流变变形 3 个阶段。

3) 巷道顶板右侧较左侧、右帮下部较上部、左帮上部较下部及底板右侧较左侧变形更为明显。

2 倾斜软煤层巷道围岩变形机制对策

2.1　控制思路

研究结果表明,此类巷道围岩变形量由大到小依次为底板>右帮>左帮>顶板,且顶底板及两帮各侧均存在不对称变形现象。基于上述结果,首先明确此类巷道围岩重点治理区域,并依据治帮先治底及不对称支护的基本方略,结合增大坚硬顶板厚度与增大煤体C、φ值可有效减小此类巷道围岩变形破坏范围的规律,参考U型钢为主的被动支护被动支撑上覆岩层施加的载荷,而主动支护可有效增强顶板岩层的自承载能力且主动支护须有较好的力学承载环境的实际情况,最终提出“底板锚杆孔扩孔灌浆+帮部注浆+非对称锚网索支护”的联合支护方案。“底板锚杆孔扩孔灌浆”就是根据底板变形破坏实际情况,在巷道底板布置不对称正楔形孔,之后往所布置的孔里灌浆;“帮部注浆”即在巷帮布置不对称注浆孔,对其进行注浆加固。可根据现场探测情况调整联合支护强度,如顶板坚硬岩层厚度及地质应力异常区域。12350进风巷道围岩治理区域结构规划如图1所示。浆液扩散加固煤岩体的实质就是通过提高煤岩体的C、φ值来实现巷道围岩改性。底板正楔形孔灌浆不但能提高煤岩体的C、φ值,而且孔中浆体凝结后形成的正楔形柱体可有效阻止底板滑移破坏。不对称支护参数设计可改善支护与围岩之间变形协调性。

图1 12350进风巷道围岩治理区域结构规划

2.2 装置设计

底板正楔形孔布置采用课题组自行研发的锚杆孔钻扩机具[1],煤体注浆加固采用课题组自行研发的可重复使用的新型封孔注浆装置[2]。锚杆孔钻扩机具及可重复使用的新型封孔注浆装置如图2所示。

图2　扩孔机具及新型封注装置

锚杆孔钻扩机具主要由推刀杆、弹簧和刀具等部分组成,该机具可成正楔形钻孔,如图2(a)所示。锚杆孔钻扩机具使用方法:钻打锚杆孔到设计深度,退出钻头;将安装有单翼扩孔装置的钻杆推入孔底,连接钻机进行扩孔,在钻进旋转推进过程中,扩孔装置内的推杆将刀具逐渐推开,刀具将切削孔底煤岩,直至推杆完全被推入;停止推进,推杆在内部弹簧作用下被弹出,刀具进入刀具槽内退出孔外,完成孔底扩孔。新型封注装置主要由快速注浆部位(中空注浆管)、推力传动部位(由扭矩增效扳手、钢套管、螺母组成)、膨胀封孔部位(由橡胶套与钢垫片组成)及防止倒流部位(鸭嘴阀)组成,如图2(b)所示。新型封注装置使用方法:将装置塞进已打好的注浆钻孔中;通过扭矩增效扳手转动螺母推动套管向注浆管尾端方向旋进,此时橡胶套受到挤压向外凸起并与孔壁紧密接触,实现封孔;连接注浆泵开始注浆,待注浆结束后尾端鸭嘴阀会在内部压力的作用下自动关闭,防止浆液上返;一定时长后,打开阀门,卸下预紧螺母,解除封孔状态,取下注浆装置。

2.3 支护参数设计

根据上述控制思路,以12350进风巷道为例进行支护参数设计。

2.3.1 钻孔布置

底板灌浆孔用⌀42mm钻头打孔,再用扩孔机具钻扩正楔形孔,钻孔深度2.5m,垂直于底板布置,底板钻孔布置,最右侧钻孔距离巷道右帮0.8m,最左侧钻孔距离巷道左帮1.5m;右帮注浆孔用⌀42mm钻头打孔,钻孔深度3m,垂直于帮部,间距为1m,钻孔距离巷道底板0.8m,右帮钻孔布置;左帮注浆孔用⌀42mm钻头打孔,钻孔深度2.5m,垂直于帮部,间距为1.2m,钻孔距离巷道底板1.2m,左帮钻孔布置。

2.3.2 浆液配制

因12350进风巷道底帮煤岩体强度均较低,浅部破坏严重,裂隙高度发育,因此须用粘度大、凝结时间短的水灰比。综合底板锚杆孔扩孔灌浆浆液既有较大的扩散范围,且能形成正楔形结石体,选用水灰比为0.3∶1;两帮注浆浆液选用水灰比为0.7∶1,配合注浆压力1MPa。

2.3.3 锚网索支护参数设计

根据12350进风巷道围岩变形破坏特征,进行锚杆(索)不对称支护设计。锚网索支护参数为:锚杆采用左旋螺纹钢锚杆,尺寸⌀22mm×2400mm,巷道右帮锚杆间距600mm,左帮锚杆间距800mm,右侧顶板锚杆间距700mm,左侧顶板锚杆间距800mm。锚索钢绞线⌀17.8mm×6300mm,间距1200mm。在地质异常区域,可辅以型钢支护。

2.4 新掘巷道应用效果分析

12182工作面回风巷道与12350工作面进风巷道地质条件及设计巷道断面大致相同,在12351回风巷道掘进时采用上述针对12350进风巷道设计的“底板锚杆孔扩孔灌浆+帮部注浆+非对称锚网索支护”的联合支护参数,待试验段巷道支护完成后,在该试验段布置2个监测断面,监测巷道围岩的表面位移,监测周期为120d,巷道围岩表面位移随时间变化曲线如图3所示。由图3可知,1#监测断面与2#监测断面监测结果大致相同,在观测的120d内,两帮位移量的最大值为164mm,顶底板位移量的最大值为133mm,巷道围岩变形仍以两帮变形为主,但与12350进风巷道原支护围岩变形量相比,巷道表面位移量大幅减小。可见,该联合支护方案有效控制了厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道的变形,具有现实工程意义。

图 3 实验巷道围岩变形图

结论

1)通过现场实测掌握了厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道围岩特征,结果表明,此类巷道围岩变形破坏明显不对称,并得出了此类巷道围岩易发生变形破坏的大致位置。2)通过建立厚硬顶板缓倾斜软煤层巷道围岩力学计算模型,揭示了此类巷道围岩变形破坏机制。3)通过数值模拟的方法,分析了多因素影响下此类巷道围岩的位移及塑性区变化规律,结果表明,增大厚硬直接顶厚度与增大煤帮C(φ)值可有效减小巷道围岩不对称变形破坏范围。4)基于上述研究成果,提出了针对此类巷道围岩治理的方案,即“底板锚杆孔扩孔灌浆+帮部注浆+非对称锚杆(索)支护”的联合治理方案,现场应用结果表明,该方案可有效控制此类巷道围岩变形。

参考文献：

［1］ 黄耀光,张天军.深部高地应力巷道塑性破坏特征及注浆支护［J］.采矿与安全工程学报,2019,36(05):949-958.

［2］ 董志宏,丁秀丽,黄书岭,等.高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析［J］.岩土力学,2019,40(01):351-362.

［3］ 刘宇鹏,夏才初,吴福宝,等.高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报,2020,39(10):105-114.