富水软岩异形巷道支护技术

杨吉平,姜 光,王益品,朱守颂

(1.神华宁煤集团金能煤业公司,宁夏石嘴山 753000;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

富水软岩异形巷道支护技术

杨吉平1,姜 光2,王益品2,朱守颂2

(1.神华宁煤集团金能煤业公司,宁夏石嘴山 753000;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

以某矿 10022工作面回采巷道为例,针对富水软岩巷道难支护的实际情况,通过RFPA数值模拟软件对原支护方案进行模拟,分析了不同载荷下巷道围岩应力以及渗流的变化情况,总结出巷道围岩变形的规律,并据此提出了加强锚索桁架支护方式,在现场进行了成功应用,取得了良好的效应。

富水;软岩;RFPA数值模拟;桁架

Supporting Technology of Roadway with HighWater-content and Soft Rock

近二十年来我国煤矿采深不断加大,整体开采条件趋于艰难,部分矿井的新掘巷道破坏严重,陷入多次修复、重复投资的困境[1],其中大部分属于软岩问题。因此,合理解析软岩巷道围岩控制机理,确定经济可靠的支护方式成为亟待解决的技术课题。

针对某矿 10022工作面回采巷道变形严重,掘后一段时期顶板部分地段潮解、滴水进而发展到淋水的现象,从控制围岩应力与导水裂隙发育的角度出发,提出了富水条件下软岩巷道加强锚索桁架支护方式[2-5],即在巷道原支护方案下,于低帮肩角处加锚索桁架用以控制导水裂隙发育。

1 工程概况

1.1 地质条件

某矿 10022工作面回采巷道位于复杂岩层结构中,机巷长 2614m,标高 -580～-540m,风巷长2638m,标高 -530～ -500m,两巷方位角 339°,开切眼斜长 198m,平距 192m。10号煤层平均倾角 17°,走向 NW,倾向 NE;平均厚 0.89～3.59m,煤质松软。机巷断面为异形,断面：宽 ×高 =4.2m×2.8m。直接顶以灰黑色泥岩为主,平均厚约 2.17m,局部为深灰色粉砂岩和伪顶泥岩,厚约 0～1m,据现场观测,淋水处岩石手搓可碎,呈碎粒状;基本顶为泥岩或粉砂岩,平均厚 7.6m。随掘进揭露,该巷道层位交错,层理结构复杂。

1.2 原支护方案

顶板采用 φ22mm×M24×2400mm的锚杆,帮采用 φ20mm×M22×2200mm的锚杆,间排距均为800mm ×800mm。锚索为 φ15.24mm ×6300mm,间排距为 1800mm×3200mm,每排 2根,顶板锚杆配合 KT M3型钢带进行支护,钢带梁长 4000mm;帮部采用M60钢带,实体煤帮梁长 2600mm,煤柱帮为2200mm。

由于支护参数的选择以及水对围岩的影响,在掘进期间,顶板围岩表面破碎,风化和泥化现象严重,且顶板局部下沉量较大,煤帮存在片帮,底角内挤,特别是低帮肩角处淋水较大,锚杆主动支护作用并未得到充分发挥。

2 计算机模拟

2.1 RFPA系统[6-7]

RFPA是Realistic(Rock)Failure ProcessAnalysis的简称。是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算软件,是能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。用该系统数值模拟时,其模型应力状态通过模型破坏过程图片上的灰度值反映,灰度越亮表示压应力越大,灰度越暗表示拉应力越大。渗流分析采用流固耦合模拟岩体破裂过程中的渗透性演化和水力梯度、流速等变化规律。

2.2 建立模型

计算机模拟以掘进巷道实际地质条件为原始依据,以地应力测量确定区域主应力大小和方向,作为模型加载的边界条件。提取顶底板岩样和煤样做力学试验,得出其单轴抗拉压强度、内摩擦角、泊松比、弹性模量、黏聚力等力学性质参数,为计算机模拟提供真实依据。其围岩力学性质见表 1。

表1 围岩力学性质

鉴于 RFPA系统软件是二维模拟,为便于观测,只模拟巷道断面取原支护参数下的变形情况,并得出其围岩变形规律。巷道模型为 200×200个单元,模型高 20m,宽 20m,巷道高 2.8m,宽4.2m,单元尺寸为 200mm×200mm,模型与实体比例为 1∶100。

2.3 模拟分析

2.3.1 巷道围岩应力分析

模拟开挖巷道初始围岩应力分布如图 1(a)所示。采用原支护方案下,其围岩应力分布为肩角及两帮处压应力集中,顶板围岩应力稍小。由于顶板为富水软岩,其锚杆 +锚索组合的支护方式从图1(b)中得出顶板组合梁虽然作用明显,但在巷道载荷至 8.1MPa时围岩发育至较大范围的弹 -塑变形,并伴有微裂隙。巷道围岩应力转移趋于偏离,由于锚杆和锚索的悬吊加固作用减少了直接顶离层的产生,使其还保持在一个相对稳定状态。此为控制富水软岩巷道围岩变形及渗水的关键,进行合理的控制巷道煤柱帮非对称变形趋势,可更好控制导水裂缝带的产生,使其不能形成畅通的水力通道进而影响采掘施工。

图1 原支护巷道围岩应力 -渗流模拟

2.3.2 巷道围岩渗流分析

围岩裂隙受采动和载荷加大影响逐渐产生并动态发育[5],当外部围岩存在充足的补给水源时,此裂隙会形成水力通道直达巷道,形成支护难题。因此,控制导水侧围岩泥化流变变形成为防 (堵、隔)水关键。如图 1(a)右部图所示,巷道开挖初期,巷道浅部围岩破裂,原生裂隙受采动逐渐压密,此时深层富水岩层和巷道顶板松软泥岩并未贯通,只有个别地段浅部含水岩层释放。当巷道载荷变大,浅部围岩破碎使塑性变形往深部调整,如图1(b)右部图所示。在此状态下由于应力场与渗流场的耦合作用,巷道浅部顶板岩层纳水性开始增强,以充实塑性变形中留下的微裂隙,如控制不当,围岩裂隙发育将经历了由小到大的过程,最终形成畅通的导水带,顶板潮解、滴水进而发展到淋水。可见,富水软岩巷道控制顶板水的关键在于强化低帮顶板及肩角的深部岩层控制,防止外围水对岩体力学性质劣化。

分析得出原支护方式在复杂的富水软岩巷道中,难以阻挡巷道围岩发展进入泥化流变变形阶段。加强锚索桁架支护方案,如图 2所示。围岩应力分布与原支护时相似,但围岩变形明显要小,这是由于锚杆 (索)桁架支护中肩角处锚索 (桁架)更好地控制了深部岩层裂隙发育所致,顶帮及肩角的锚杆承载效果更加明显。巷道顶板变形情况明显优于原支护方式。围岩的抗变形能力随承载力的加强而升高,稳定的围岩应力和较小的变形,有效地阻止了地下水渗入岩体导致其泥化和塑化。

图2 锚索桁架支护方案

3 工程效果

图3 表面变形速率曲线

实验巷道两帮和顶底板移近量随时间的变形速率曲线如图 3所示,由图得出,表面变形量在初期变化较为明显,掘后二周左右基本趋于稳定。数值模拟中的顶底板变形量曲线比实测要平缓,这是由于现场实际来压方式与模拟存在一定误差造成的,但其总体变形趋势基本一致。据现场跟踪观测,采用锚杆 (索)桁架加强支护方式在巷道掘进 2个月后,围岩保持了良好的稳定性,顶板围岩矿压显现比原支护方案时明显得到改善。可见在富水软岩异形巷道进行锚杆 (索)桁架加强支护方式有效地控制了围岩变形和导水裂隙,达到了预期效果。

4 结论

(1)通过 RFPA对富水条件下异形软岩巷道进行数值模拟,分析不同载荷下巷道围岩应力及渗流情况,据此提出加强锚杆 (索)桁架支护方式。

(2)富水软岩异形巷道顶板围岩破坏先从低帮开始,逐步发展到整个顶板的离层和破碎,导水裂隙发育基本与顶板破坏一致,控制顶板水的主要方法就是控制顶板岩石的完整性。采用加强锚杆(索)桁架支护方式可更好的均布顶板及肩角处围岩应力,取得良好技术经济效应。

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TD353

B

1006-6225(2010)01-0068-03

2009-08-13

杨吉平 (1971-),男,宁夏中宁人,高级工程师,现任神华宁夏煤业集团金能煤业公司经理。

王兴库]