基金项目: 陕西省教育厅科研计划资助项目资助(2010JK667); 高等学校博士学科点专项科研基金资助(20096121110004)
通讯作者: 刘倡清(1968-),男,甘肃靖远人,博士研究生,高工,主要从事岩土工程方面的科研工作.
(College of Civil and Architecture Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054,China)
thick “three soft ” coal roadway; surrounding rock deformation mechanism; combined support; field monitoring
以某矿2306厚煤层工作面回风顺槽为依托,对三软煤层巷道变形力学机制及巷道锚固支护机理进行理论分析,确定了一次锚杆+金属网+钢筋梯梁和二次锚索关键部位补强的支护方案,采用理论计算与有限元模拟的方法确定了锚固支护参数,完成了400 m长试验巷道的支护研究。结果 表明:支护方案合理可行,锚网联合支护是解决三软厚煤层巷道支护问题的有效手段。
Based on air-return crossheading in one coal mine 2306 thick coal seam, mechanical deformation mechanism and anchorage support mechanism were analyzed by theory in “three soft” roadway of coal seam. Support scheme was given that first support of anchor+metal mesh+steel bar beam and second anchor cable strengthening support on key parts. Anchorage support parameters were given by theoretical calculation and finite element simulation methods. Field test was completed in 400m air-return crossheading. The results shows that the support scheme was reasonable and bolt-mesh-anchor support was effective method for thick “three soft” roadway support of coal seam.
近年来,随着矿井开采深度与规模的逐年加大,煤巷锚杆支护技术日趋成熟,也到普遍推广应用[1]; 但是对于解决大跨度、大断面、三软煤巷等困难巷道支护加固问题还不成熟,能否解决好软岩巷道支护等问题,是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键技术之一。矿井进入深部开采后,软岩问题越来越突出[2]; 在厚煤层开采中,浅部工作面巷道受煤层采动影响,往往呈现三软特征。开展煤层巷道锚固支护技术研究具有一定的工程应用价值[3]。文中以某矿2306工作面回顺为依托,对三软煤层巷道变形力学机制和锚固作用机理进行分析。
在变形机制上,三软煤层巷道的变形同样是受地层压力和支护体共同作用的结果。在厚煤层中,顶帮受煤层自身性能影响而呈现软岩特性,底板围岩同时软弱时,则总体呈现三软特性。所受的地层压力亦是松动压力、形变压力、膨胀压力及冲击压力的共同作用,三软煤层巷道失稳力学机理实质上也是地层压力效应。当硐室二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态,则围岩就发生显著的变形、破裂、松碎、破坏等现象,表现出明显的地层压力效应。地层压力效应是指地下工程开挖后重新分布的二次应力与围岩的变形及强度特性互为作用而产生的一种力学现象[4-5]。
三软煤巷在工程力的作用下,其变形破坏的具体力学机制同典型软岩巷道相同,单一机制上分为物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。物化膨胀型是由煤层及顶底围岩自身分子结构的化学特性引起,应力扩容型主要是由巷道外部力源引起,结构变形是受地质构造大环境影响而引起的变形破坏。实际分析表明:巷道变形的受力机制通常是受2种或3种机制共同作用下的复合受力机制。
工作面巷道从掘进形成到回采影响整个过程,由于所受的工程应力变化及时间历程影响,其顶板破坏范围不同,锚杆锚固区围岩性能发生改变,锚杆的作用机理在不同时期也是不同的。据此将锚杆的作用机理分成:早期作用、中期作用和后期作用3个阶段[6-7]。
巷道形成阶段的早期作用,锚杆主要是受硐室应力重新分布过程的影响,限制顶板下部岩层滑动、离层,控制帮部浅部岩层的扩容和松动,此时锚杆安装越及时,预紧力越大,则效果越好。
掘进影响稳定至发生流变,称之为中期阶段。对于锚固区仍处于稳定岩层的锚杆,其作用主要表现为:将破坏区内的岩层与稳定岩层相连,提供径向和切向约束,阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动、垮落,提高岩层的承载能力,使稳定岩层内的应力分布均匀。对于锚固区不处于稳定岩层的锚杆,其作用主要为:阻止锚固区域内的岩层扩容、离层及滑动,从而提高岩层的承载能力,在破坏范围内形成次生承载层,它可以阻止破坏岩层的进一步扩容和离层。次生承载层形成后,使岩层内的应力分布趋于均匀和下移。
当锚杆支护时间长或受已受采动影响,锚杆作用进入后期阶段,巷道松动岩体范围较中期更大,松动范围内的岩体性质在中期弱化的基础上继续弱化,从而使得锚杆的锚固区全部处于不稳定岩层中。因此,对于锚杆后期作用,顶帮锚杆主要表现为挤压加固组合拱作用,即锚杆同钢筋网喷层等一同形成此生承载层,此时锚杆能对岩体扩容、离层、滑移提供一定的约束力,但随着变形的继续发展而下降。对于未采取其他支护手段的巷道,巷道的变形会继续发展; 当次生承载层所受载荷很大时,承载层内仍会出现较大的扩容、离层、滑移,加固区内的岩体性质继续弱化,最终引发巷道失稳。
受采动影响的巷道变形量大,单一锚杆所提供的支护强度小,随着巷道变形支护强度弱化,锚杆支护体的整体成拱作用降低,加固区内的岩体性质发生弱化。必须采取其他联合支护措施对锚杆支护体,在适度让压后作有效补强加固。锚索在巷道支护中能提供可靠的补强作用,具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大预紧力等优点,传递主体结构的支护应力至深部稳定岩层的主动支护方式。预应力锚索外锚固端用锚具锁紧固定后,锚索能起到预锚固、挤压加固、组合梁及改善围岩应力状态的作用。
支护前期由于钢带和钢筋托梁没有施加预紧力,其受力一般很小。钢带和钢筋托梁的早期作用主要表现在防止顶板破碎的小岩块掉落,与网的作用基本相同。进入中期阶段,钢带的作用主要表现为阻止锚杆间的围岩垮落、对锚杆间的破碎岩层提供径向约束、使锚杆受力趋于均匀。进入后期,钢带不仅增大了次生承载层的厚度,而且显著提高了其承载能力及压曲失稳临界载荷,同时改善了次生承载层的受力状态和锚杆端头岩层的受力。
该矿三煤层软弱、破碎,平均厚度7.79 m.巷道其支护困难,采用传统支护方式都未能成功,严重影响到该矿的生产效益。2306工作面回顺巷道顶板、两帮煤层松软,支护难度较大; 回顺断面形式为直墙半圆拱形,墙高1.3 m,拱高1.5 m,宽3 m,沿底掘进成巷,埋深450 m.煤层直接顶为高岭石泥岩,平均厚度0.62 m,再上一层为炭质页岩,平均厚度0.52 m.老顶为灰色砂质页岩,平均厚度2.40 m.直接底板为黏土岩,平均厚度0.18 m,以下为砂质页岩平均厚度为1.5 m.
三软煤层[8]是指煤层顶板软、底板软、煤质软。顶板软指直接顶的顶板岩层裂隙发育、破碎、抗压强度指数很低,属一类不稳定顶板,基本上是一旦暴露短时间就冒落。底板软是指底板的抗压强度很低(σ≤4 MPa),容易扎底,又是遇水膨胀、变软。煤质软指煤体强度低,普氏系数f≤1,节理发育,煤层不稳定、易破碎。
由2306回顺顶板为高岭石泥岩和炭质页岩,平均厚度1.2 m,其f值介于1~4; 掘巷后,裸露稳定时间短,易发生顶板离层、冒落。3层煤平均厚度7.79 m,煤质软弱,f平均值为0.9; 受动压影响时,巷道不作及时补强支护,煤帮成破碎状态。直接底板为黏土岩,平均厚度0.18 m,以下为砂质页岩平均厚度为1.5 m,节理发育,直接底遇水易成泥质状态。综合分析,可以确定该回顺为三软煤层巷道。
通过现场工程地质调查和室内物理力学试验,同时依据软岩力学理论分析确定2306回风顺槽围岩为复合型软岩的变形力学机制,属于具有微裂隙膨胀(Ⅰc)、重力和工程偏应力扩容变形(ⅡBD)和层理倾向型(ⅢCA)的复合型变形机制[9]。其变形力学机制转化途径和软岩巷道支护对策为
应用弹塑性方法计算确定顶板与帮部破坏深度,据此初步确定锚杆长度; 综合应用有限元模拟的方法建立与实际情况相一致的模型,分别选取多种工况对锚固支护参数进行优化确定。
1)煤帮破坏范围确定。依据工程实践,kσ取 3; kt取 0.8; kc取 0.8; 代入式(1),则煤帮破坏深度为
2)顶板破坏范围确定
等效圆半径
则煤巷内部最大塑性圈半径RP为
巷道顶部松动圈范围为 l2=R0-h/2=1.08 m.(4)
式中 kσ为应力集中系数; kt为巷道维护时间影响系数; kc为煤层稳定影响系数; σc为煤帮煤层单轴抗压强度, MPa; σy为垂直自重应力; a为煤层倾角; hc为被巷道切割的煤层厚度, m; lt为巷道切割煤层的最大宽度, m; μ为煤层的泊松比; φ为煤层的内摩擦角。 Rp为围岩松动圈范围,m; R0为巷道外接圆半径,m; p0为原岩自重应力, MPa; C为顶板岩石粘结力, MPa; φ为顶板岩石内摩擦角,(°)。
取锚杆锚固深度700 mm,端部外露长度100 mm,依据顶帮破坏深度,则锚杆初步确定长度为2 200 mm.
根据理论计算的结果,对回顺无支护和锚杆支护开挖2种情况分别进行模拟分析,其中对5种支护方案分别进行数值模拟分析。根据模拟计算结果,对巷道锚杆支护参数进行选取。依据实际岩层参数及巷道断面应用ANSYS建立数值模型,选取的模拟参数优化方案如表1所示。
回顺不同支护方案下顶板下沉量结果比较:方案一、方案二、方案三、方案四、方案五、模拟的顶板下沉位移依次分别为164,112,90,162,197 mm.根据结果的比较,选择方案二的组合是合理的。
通过模拟计算分析还可以知道,组合锚杆支护对围岩的控制必须在合理的支护参数下才能起到稳定效果,即锚杆加固围岩需要合理厚度的挤压加固带。通过计算分析,挤压加固带的厚度不得小于550~680 mm.需要在应力集中关键部位施加锚索加强支护,锚索的作用使得浅部围岩剪应力集中程度明显减小,调动了深部围岩强度,减小了巷道变形量,控制了浅部围岩的稳定性。
依据理论计算与数值模拟分析对锚固主要参数的确定,最终确定2306回风顺槽初次锚杆+金属网+钢筋梯梁的支护方法,顶锚杆为φ18 mm螺纹钢筋,长度2.2 m; 帮锚杆为φ16 mm圆钢,长度2.0 m; 间距为650 mm,排距为800 mm; 托梁采用钢筋托梁,由φ14钢筋加工而成,托梁宽50 mm,长度为2 600 mm.
根据数值模拟结果确定2306回风顺槽顶板锚索支护关键部位为顶板两肩部,在关键部位实施锚索补强。锚索采用φ15.24 mm钢绞线锚索,长度为6.0 m,外露长度250 mm,锚固长度1.5 m; 考虑服务周期短,锚索每排在巷道中间位置布置1根,排距2.4 m.锚索托梁采用长1.2 m,孔径φ16的工字钢。
2306回顺锚杆支护稳定性以表面变形作为主要的判别指标,每个断面监测历时40~70 d时间。选取典型断面监测结果如图1~图3所示。
分析图1~图3表明:顶板最大沉降量为31 mm,最大沉降速率为7 mm/d,最终沉降速率不超过0.2 mm/d,平均沉降速率为0.9 mm/d; 两帮最大相对收敛量为28 mm,最终相对收敛速率不超过0.1 mm/d.收敛变化速率表明:巷道断面在起初的15 d内变化速率较高,随后逐渐降低,30 d后基本稳定,但仍然维持着1个低的变形速率。也证明了巷道存在流变,即呈现复合软岩巷道特征。巷道监测70 d后,两帮与顶板下沉总位移量小于50 mm,速率低于0.2 mm/d的允许范围,表明巷道支护设计参数合理。
通过对三软煤层巷道变形力学机制及巷道锚固支护机理分析,以某矿2306工作面回顺为背景,采用理论计算与有限元模拟的方法确定了锚固支护参数,并将支护参数应用到400 m长的试验巷道支护中。主要结论有
1)在变形机制上,三软煤层巷道的变形同样是受地层压力和支护体共同作用的结果,其变形破坏的具体力学机制同典型软岩巷道相同,单一机制上分为物化膨胀型、应力扩容型和结构变形型。所受的地层压力亦是松动压力、形变压力、膨胀压力及冲击压力的共同作用,三软煤层巷道失稳力学机理实质上也是地层压力效应。
2)工作面巷道从掘进形成到回采影响整个过程,由于所受的工程应力变化及时间历程影响,其顶板破坏范围不同,锚杆锚固区围岩性能随之发生改变,锚杆的作用机理在不同时期也是不同的。据此将锚杆的作用机理分成:早期作用、中期作用和后期作用3个阶段。
3)在三软煤层巷道中,实施一次锚杆+金属网+钢筋梯梁和二次锚索关键部位补强的支护方案是可行的,联合支护是控制三软巷道变形量及变形速率的有效手段。