極軟雙突厚煤層煤巷圍巖穩(wěn)定性分析

極軟雙突厚煤層煤巷圍巖穩(wěn)定性分析

梁北煤礦位于河南省禹州市。這是一個(gè)煤和磚瓦雙光煤礦。主要采用第二煤層，厚度為3.6m，平均厚度為4.18m。煤炭的加固系數(shù)為f.0.15和0.25，平均值為0.18，致密度和柔軟度。采用5.0m高開采和高開采全井的方法。工作面呈假傾斜排列，煤炭道路通常由礦工防護(hù)和傾斜梁的梯形截面組成。由于受高突、煤軟和厚煤層等條件限制,煤巷全部采用炮掘,且全部沿煤層頂板掘進(jìn),掘進(jìn)效率較低,采掘接替緊張。為此,煤巷支護(hù)的可靠性和快速掘進(jìn)技術(shù)就成了關(guān)鍵問題。1變形和破壞角煤層軌道的模擬研究1.1模型試驗(yàn)結(jié)果由于煤層極軟,再加上防突措施孔對(duì)巷道兩幫造成破壞,故試驗(yàn)巷道掘進(jìn)斷面按矩形進(jìn)行研究。在給定應(yīng)力場(chǎng)中對(duì)模擬巷道進(jìn)行破壞變形規(guī)律和圍巖狀態(tài)的相似模擬試驗(yàn),巷道采用錨噴支護(hù),試驗(yàn)采用“先開挖巷道后逐漸加載直至設(shè)計(jì)荷載”的方法,以單軸抗壓強(qiáng)度、幾何尺寸等主要相似比參數(shù),確定幾何相似比為1∶100(即原型長(zhǎng)度1m時(shí)模型長(zhǎng)度為1cm),容重相似比為3∶5,應(yīng)力相似比為3∶1000,并在試驗(yàn)臺(tái)上安設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器與巖層位移觀測(cè)點(diǎn),試驗(yàn)選用了120cm×120cm×20cm的平面應(yīng)變模型架進(jìn)行鋪裝。試驗(yàn)表明:①直邊巷道錨桿支護(hù)的“壓力拱”效應(yīng)是客觀存在的;②矩形巷道圍巖的破壞縫先從應(yīng)力集中程度大的頂板角部出現(xiàn),呈內(nèi)傾形,使這兩處的圍巖破壞較嚴(yán)重(圖1)。1.2巷道圍巖滑動(dòng)圈的改變(1)矩形巷道的圍巖松動(dòng)圈沿著巷道周邊不均勻分布,與圓形巷道截然不同。(2)在巖性、圍壓及巷道斷面相同的條件下,圍巖松動(dòng)圈在肩角部最大,向頂板和幫的中部遞減,且?guī)椭胁克椒较虻膰鷰r松動(dòng)圈大于頂板中部垂直方向的松動(dòng)圈。(3)圍巖松動(dòng)圈隨巷道圍壓的變化過程并不是呈線性正比的關(guān)系。當(dāng)松動(dòng)圈在1m左右時(shí),巷道圍壓對(duì)它的影響十分顯著,而小于0.8m或大于1.4m時(shí)巷道圍壓的影響減弱;當(dāng)松動(dòng)圈大于2.5m后,隨著圍壓的增大,松動(dòng)圈的增大并不明顯。(4)破碎后的圍巖承載能力從巷道表面到松動(dòng)圈深部邊界逐漸遞增。(5)圍巖強(qiáng)度對(duì)松動(dòng)圈的影響最為顯著,其次為圍巖應(yīng)力,而巷道跨高比的影響最小。1.3巷道圍巖破壞形式矩形煤巷兩幫煤層強(qiáng)度低,其松動(dòng)圈厚度一般大于頂?shù)装鍘r層的松動(dòng)圈數(shù)值;支撐壓力作用下的回采巷道,圍巖應(yīng)力場(chǎng)以垂直壓力為主,水平側(cè)壓相對(duì)較低,反映在松動(dòng)圈形狀上則是兩幫松動(dòng)圈大,頂板松動(dòng)圈小。矩形、梯形煤巷角及兩幫部位應(yīng)力高度集中,圍巖破壞較為嚴(yán)重。從圖1也可看出,試驗(yàn)巷道頂板兩角及兩幫已成碎塊甚至變得酥松,破壞嚴(yán)重。1.4矩形煤路圍巖的松動(dòng)圈變形破壞規(guī)律根據(jù)模擬試驗(yàn)分析和實(shí)測(cè)結(jié)果,矩形煤巷變形破壞規(guī)律主要可能發(fā)生3種破壞形式。(1)頂板剪切強(qiáng)度頂板剪切破壞可分為2種情況:①頂板為多層巖層,兩幫為煤層,水平應(yīng)力較大。在大斷面矩形煤巷中,頂板水平應(yīng)力通常較大,在頂板可能出現(xiàn)以水平方向?yàn)橹鞯淖畲蠹魬?yīng)力,當(dāng)最大剪應(yīng)力超過了頂板巖層的抗剪強(qiáng)度、尤其是弱面抗剪強(qiáng)度時(shí),頂板發(fā)生剪切破壞,從而造成頂板彎曲下沉,應(yīng)力進(jìn)一步向上部巖層頂板轉(zhuǎn)移,直至遇到高強(qiáng)度的巖層,或被支護(hù)系統(tǒng)所阻止(圖2a)。②頂板為強(qiáng)度較低巖層,兩幫為強(qiáng)度較高煤層,垂直應(yīng)力較大。由于直接頂板巖層強(qiáng)度較低,兩幫煤層強(qiáng)度較高,當(dāng)巷道跨度較大時(shí),巖梁兩端內(nèi)的剪應(yīng)力增加迅速,當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到巖層的抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致巖梁從兩端切落。這種破壞往往以較大的角度沿角部破壞,且往往比較平整(圖2b)。(2)下巖石力學(xué)破壞在大斷面矩形巷道中,頂板難以形成擠壓作用,頂板巖石受剪切作用發(fā)生破壞或者層面脫離,下部巖石受重力影響而形成彎曲,拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)被破壞。這種破壞有2種模式:①兩端嵌固梁的模式破壞;②懸臂梁的模式破壞(圖3)。這種破壞垂直載荷的影響更大。(3)兩幫滑動(dòng)圈塊體的滑移面在采區(qū)巷道,由于采動(dòng)影響應(yīng)力集中,兩幫煤體主要承受由垂直載荷傳遞下來的作用。而兩幫煤體強(qiáng)度相對(duì)較軟,一般兩幫形成較大松動(dòng)圈,而兩幫松動(dòng)圈塊體并不是均勻塊體,往往出現(xiàn)共軛剪切滑移面。這種剪切滑移面的成因是頂板載荷對(duì)煤體的壓剪作用,所以破壞條件可用摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則判斷:τ>C+σtanφ。這種滑移面形成后,隨著滑移面剪切錯(cuò)動(dòng)的增大,煤體對(duì)頂板的支護(hù)作用逐漸降低。同時(shí),由于剪切擴(kuò)容效應(yīng),煤體會(huì)發(fā)生側(cè)向膨脹而出現(xiàn)松動(dòng),當(dāng)松動(dòng)發(fā)展到一定程度時(shí),由滑移面與煤壁臨空面所分割出的煤體會(huì)出現(xiàn)松塌,形成片幫,導(dǎo)致頂板支護(hù)難度加大。2矩形松動(dòng)圈地面紀(jì)事保障2.1大滑動(dòng)圈圍巖壓力支護(hù)特點(diǎn)由于在雙突煤層中執(zhí)行了防突措施,巷道周邊煤體遭到破壞,松動(dòng)圈均超過2.5m,局部達(dá)到4m,從而在兩幫形成大松動(dòng)圈,而頂板巖石的松動(dòng)圈較小,頂板越破碎、松動(dòng)圈越大。在圍巖應(yīng)力場(chǎng)以垂直壓力為主,水平側(cè)壓相對(duì)較低,水平側(cè)壓主要由垂直壓力傳遞顯現(xiàn),支護(hù)關(guān)鍵在頂板,屬于大松動(dòng)圈圍巖條件。當(dāng)圍巖松動(dòng)圈厚度值Lpd或者Lpo≥1.5m時(shí),形成“錨固層組合拱”。隨著圍巖變形,錨固層中將進(jìn)一步形成次生的“壓力拱”承受地壓(圖4)。在跨度和巷道高度一定的條件下,錨桿越長(zhǎng),“壓力拱”的承載力就越高,再配以加強(qiáng)錨索,則承載力就更高。當(dāng)頂板為完整性好、強(qiáng)度較高的巖層時(shí),可以直接用錨索代替錨桿,降低支護(hù)密度,由于錨索長(zhǎng)且強(qiáng)度大,“壓力拱”承載能力更高。2.2防止頂板滑移模擬試驗(yàn)表明:圍巖的破壞縫,先從應(yīng)力集中程度大的頂板角部出現(xiàn),呈內(nèi)傾形;如果支護(hù)不當(dāng),很容易造成頂板整體垮落事故。因此,矩形、梯形巷道頂板伸向兩幫上方錨固可靠的“斜錨桿”非常重要,它被用來提供抗剪阻力,防止頂板沿角處破裂縫滑移掉落。斜錨桿的長(zhǎng)度及角度以深入兩幫上方為準(zhǔn),錨固力及錨固可靠性要求高。2.3鋼帶梁抗拉受力作用金屬網(wǎng)的作用在于支護(hù)錨桿間的碎石或者煤塊,維護(hù)錨桿支護(hù)的整體性?！绊敯邃搸Я骸钡淖饔迷谟诟纳棋^固層應(yīng)力狀態(tài),增加側(cè)向擠壓力,提高次生組合拱的承載能力?！颁搸Я骸痹陧敯逑鲁磷冃芜^程中承受拉力,反過來約束頂板的下沉。當(dāng)頂板巖層條件好或煤層整體性好或松動(dòng)圈小于1.5m時(shí),則可不使用鋼帶梁。在頂板松動(dòng)圈較大、正常情況下難以維護(hù)時(shí),為提高“壓力拱”的承載能力,在頂板增設(shè)適量錨索,再將錨固層懸吊于深部穩(wěn)定圍巖中,進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。3幫錨桿支護(hù),回采時(shí)又發(fā)生困難由于兩幫煤體4m范圍內(nèi)已受到破壞且松軟、破碎,若采用幫錨桿支護(hù),錨桿短了起不到作用、長(zhǎng)了又施工困難,且會(huì)整體內(nèi)移,巷道收斂嚴(yán)重,維護(hù)困難,也增加了回采時(shí)的處理幫錨桿環(huán)節(jié)。因此,在梁北礦這種條件下兩幫不適合采用錨桿支護(hù)。3.1大跨度矩形巷道支護(hù)由于頂部以垂直應(yīng)力為主,開挖后向兩幫煤體轉(zhuǎn)移,兩幫成為支承垂直應(yīng)力的主體,兩幫松動(dòng)范圍較大,碎脹力主要表現(xiàn)在兩幫。因此,兩幫也是大跨度矩形巷道支護(hù)的重點(diǎn)部位。礦用工字鋼支護(hù)主要通過煤幫把力傳遞到底板,故必須加強(qiáng)煤幫支護(hù),盡量減少煤幫松動(dòng)圈深度。在大跨度矩形斷面煤巷支護(hù)中,必須考慮跨度的影響,盡可能減小跨度。煤巷兩幫變形破壞的原因在于煤幫出現(xiàn)的剪切滑移面,根據(jù)其滑移條件,要控制巷幫煤體滑移面的形成與發(fā)展,只有減小滑移面上的剪應(yīng)力而增大正應(yīng)力。其護(hù)幫作用主要是防止巷幫煤體出現(xiàn)松動(dòng)、片幫后持續(xù)發(fā)展,直至失去對(duì)頂板的支撐控制作用。3.2頂板方向約束礦工鋼棚形成的剛性支護(hù)對(duì)頂板切落具有明顯的支撐控制作用,主要表現(xiàn)在:在垂直于頂板方向約束承擔(dān)了作用在頂板巖層上的部分載荷,減小了作用在頂板剪切面上的剪應(yīng)力;在下方整體地支撐頂板或頂板錨固層,進(jìn)一步增加了頂板承載結(jié)構(gòu)的承載能力,對(duì)破碎頂板的承載作用更大,避免“組合梁”整體切落,增強(qiáng)作用效果。3.3控彎抗彎原理礦工鋼支護(hù)控制頂板彎曲拉伸破壞主要表現(xiàn)在減跨作用:通過其豎向約束阻止頂板各分層之間的離層,通過橫向約束相對(duì)錯(cuò)動(dòng),圍巖各分層組合成一個(gè)整體,從而控制頂板的彎曲拉伸破壞,頂板抗彎剛度增大,下沉量減少,減少垂直載荷向梁的兩端轉(zhuǎn)移,從而減小“組合梁”的拉應(yīng)力。4巷道兩幫煤支護(hù)的理論依據(jù)(1)通過分析研究,完善了極軟雙突厚煤層條件下煤巷圍巖支護(hù)控制理論,摸清了矩形煤巷圍巖變形、破壞機(jī)理和支護(hù)機(jī)理,為巷道支護(hù)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。