動壓高幫回采巷道圍巖穩定性分析及支護參數優化

0動壓高幫類巷道圍巖穩定性控制回收通道是地下礦產開采和運輸的通道，其圍巖穩定性控制對確保生產線的安全高效開采具有重要意義。針對動壓巷道圍巖變形破壞特征和穩定性控制，學者們從不同角度提出了各種圍巖控制方法，如高預應力強力錨桿一次支護上述研究成果極大豐富了高幫類巷道或受動壓影響巷道的圍巖變形特征和穩定性控制技術，但大多是基于單一影響因素的穩定性研究，很少涉及巷道在高幫和動壓兩方面綜合作用下的圍巖變形規律和穩定性控制，即動壓高幫類巷道圍巖穩定性控制研究。動壓高幫類巷道是指服務期限內受動壓影響嚴重、巷幫高度較大的巷道，其圍巖變形特征是斷面尺寸和動載影響下耦合作用的結果。不同地質條件下的圍巖變形規律和破壞特征又顯現出不同。基于此，本文以某礦15312工作面高幫進風平巷為研究對象，探討該平巷在動壓影響下的破壞機理，通過優化原有的支護參數，保證該動壓高幫回采巷道的穩定性，為類似條件下的動壓高幫回采巷道圍巖穩定性控制提供借鑒和參考。1動壓高幫回采巷道的特征15312工作面開采煤層厚度為4.4～6.8m，平均5.7m，局部含1～2層夾矸；煤層傾角為4～11°，平均6°。煤層偽頂為平均厚度為0.1m的砂質頁巖，直接頂為平均厚度為12.3m的石灰巖和泥巖組成的互層，基本頂為平均厚度為10.8m的細粒砂巖和砂質泥巖。煤層直接底為平均厚度為5.4m的粉砂質泥巖，夾有細砂巖薄層，基本底為平均厚度為4.8m的細粒石英砂巖。15312工作面東側為相鄰的15310工作面，北側為采空區，南側為采區回風巷，西側為15312工作面實體煤。15312工作面進風巷用于進風、行人和運輸，巷道埋深為240～300m，設計斷面為矩形，沿煤層頂板掘進，巷道凈寬度為5.0m，凈高度為4.4m，屬于高幫巷道。進風平巷在服務期間不僅會受到掘進擾動的影響，也會受到相鄰工作面（15310工作面）和本工作面回采動壓的影響，即15312工作面進風平巷屬于動壓高幫回采巷道。15312工作面進風平巷與15310工作面回風平巷間的煤柱寬度為12m，工作面布置如圖1所示。2動壓高簇回采道變形破壞機2.1巖變形量大，巷道斷面收縮嚴重15312工作面進風平巷屬于動壓高幫回采巷道，其在使用過程中的破壞特征主要表現在幫部圍巖變形量較大，尤其是靠近頂板位置的幫部圍巖，部分區域出現大面積片幫和冒落，使得此區域的頂板跨度變大，頂板下沉量增大，且伴隨著錨桿破斷、托盤失效及金屬網撕毀嚴重等現象，幫部圍巖的整體性降低，巷道斷面收縮嚴重，導致巷道在服務期間存在較大的安全隱患，無法正常使用。2.2巷道圍巖支護強度由15312工作面進風平巷具體條件和巷道破壞特征可知，影響進風平巷圍巖穩定性的因素主要包括圍巖自身強度、巷道斷面尺寸、圍巖所處的應力環境和圍巖支護強度。2.2.1抗煤體孔隙裂隙發育15312工作面進風平巷屬于煤巷，煤層為松軟破碎煤層，煤體孔隙裂隙發育，強度較低。巷道幫部圍巖作為薄弱環節，易在開采擾動和自身載荷的綜合作用下首先發生較大變形，進而導致巷道整體變形量較大，出現局部失穩現象。2.2.2巷道寬度和高度15312工作面進風平巷斷面尺寸為5.0m（寬）×4.5m（高），巷道寬度和高度較大，尤其是高度達到4.5m，使得巷道圍巖變形較大，自穩能力較差。此外，巷道沿煤層頂板掘進，巖層分界面相當于結構弱面，導致巷道的穩定性進一步降低。2.2.3工作面集中系數15312工作面進風平巷先后受到掘進擾動的影響、相鄰工作面開采擾動的影響和本工作面開采擾動的影響。對于進風平巷掘進擾動，巷道開挖后圍巖應力重新分布，幫部圍巖由淺部到深部垂直應力先增大后減小，之后逐漸恢復到原巖應力狀態，此時工作面側的幫部圍巖應力集中系數為K相鄰工作面開采對進風平巷的影響如圖3所示。15310工作面開采過程中，工作面側向支撐壓力和15312工作面進風平巷周邊的支撐壓力相互疊加，導致煤柱上的應力集中程度增大，此時煤柱上的應力集中系數為K本工作面開采對進風平巷的影響如圖4所示。15312工作面開采過程中，工作面側向支撐壓力與煤柱原有的載荷相互疊加，導致煤柱上的應力集中程度愈加明顯或煤柱快速發生失穩，此時煤柱上的應力集中系數為K2.2.4錨桿、錨索支護強度15312工作面進風平巷原采用錨桿+錨索+鋼帶+菱形網聯合支護的方式，如圖5所示。頂板錨桿采用20號螺紋鋼，長度為2400mm，間排距為1500mm×800mm，配套托盤尺寸為300mm×160mm×10mm。頂板錨索采用1×7股結構鋼絞線，直徑為17.8mm，長度為7200mm，配套專用的錨索鎖具，間排距為1500mm×800mm，且頂板錨索間隔布置在M型鋼帶上。進風平巷幫部圍巖兩側采用不同的支護參數，其中煤柱側的錨桿為20號螺紋鋼，長度為2000mm，間排距為800mm×800mm；工作面側的錨桿為玻璃鋼錨桿，長度為2400mm，間排距與煤柱側間排距相同。進風平巷原支護配套網片規格為5000mm×1200mm的菱形網，錨桿預緊力為120kN，錨索預緊力為170kN。分析15312工作面進風平巷原始支護參數可看出，進風平巷頂板和幫部圍巖支護強度和支護范圍差異較大。頂板采用錨桿+錨索的支護方式，支護范圍達到頂板上方7.2m；而幫部圍巖僅采用錨桿支護，最大支護范圍為幫部圍巖以內2.4m，且巷道左右兩側采用不同的支護材料和支護長度，使得進風平巷整體支護強度和范圍不協調，而進風平巷在服務期限內，進風平巷煤柱側承受的載荷和擾動遠大于工作面側，即原始支護參數未充分考慮巷道實際的承載特征；同時錨桿和錨索的預緊力降低，最大僅為170kN，難以提供較強的支護應力場。綜上所述，巷道圍巖自身強度較低、斷面尺寸較大、圍巖所處的應力環境較復雜及圍巖支護強度不合理是導致15312工作面進風平巷變形嚴重的主要原因。結合15312工作面進風平巷實際條件，從圍巖自身強度低、巷道斷面尺寸大和圍巖所處的應力環境較為復雜的角度控制巷道穩定性較為困難，且現場觀測到巷道變形量雖然較大，但間隔煤柱未發生失穩破壞，即間隔煤柱的寬度能夠滿足進風平巷的需求，故采取優化巷道原有支護參數的措施，通過提高巷道整體的支護強度和支護范圍，降低進風平巷的變形量，實現15312工作面進風平巷圍巖穩定性控制。3道路圍巖的穩定性3.1錨索及網孔布置根據15312工作面進風平巷服務期間的圍巖受力特征，結合巷道變形的實際情況，增大巷道兩幫支護強度和支護范圍，以提高巷道圍巖的整體支護強度。優化后的具體支護參數如下。頂板錨桿采用鋼號為500的左旋無縱筋螺紋鋼，直徑為20mm，長度為2400mm；采用加長樹脂錨固劑（MSCK2380），配套150mm×150mm×10mm的拱形托板和4800mm×280mm×4mm的W鋼帶；錨桿間排距為900mm×1000mm，預緊力不小于120kN。頂板錨索采用1×19股鋼絞線，直徑為21.8mm，長度為6200mm；采用加長樹脂錨固劑（MSCK23120），配套高強度托盤；頂板每排布置2根錨索，間排距為1800mm×1000mm，預緊力為250kN。幫部采用全錨索支護，錨索材料為1×7股鋼絞線，直徑為17.8mm，長度為4200mm；采用加長樹脂錨固劑（MSCK23120），間排距為900mm×1000mm，預緊力為150kN；全斷面配套使用尺寸為4100mm×1100mm的經緯網，網孔尺寸為50mm×50mm。優化后的支護斷面如圖6所示。3.2巷道圍巖支護應力分析為驗證支護參數優化后的動壓高幫回采巷道圍巖控制效果，采用FLAC由圖7可知，在原始支護參數作用下，錨桿和錨索產生的支護應力近似呈橢圓狀，在同等支護應力下，頂板支護應力的范圍遠大于幫部圍巖支護應力的范圍。以支護應力0.020MPa為例，頂板圍巖中支護應力達到0.020MPa的范圍為6.7m，而幫部僅為2.3m。在優化后的支護參數作用下，巷道圍巖支護應力場近似呈圓形，頂板圍巖中支護應力達到0.020MPa的范圍為5.5～6.0m，幫部為3.7m，且支護應力最大值接近0.334MPa，超過原支護應力場最大應力的26.7%。同時，相同支護應力條件下，優化后的支護應力范圍遠大于原支護應力的范圍。對比支護參數優化前后的支護應力場可以看出，優化后的幫部圍巖支護應力場范圍增大，而頂板支護應力場范圍減小。考慮到15312工作面進風巷變形主要集中在幫部，且幫部實體煤的強度比頂板的砂巖和泥巖小，故優化后的支護參數更適用于動壓高幫回采巷道圍巖穩定性控制。3.3錨索受力監測對15312工作面進風平巷進行礦壓監測，通過監測錨桿和錨索受力情況，分析支護參數優化后的動壓高幫回采巷道圍巖穩定性控制效果。2019-10-01—2020-04-17錨桿和錨索受力情況如圖8所示。由圖8可知：支護參數優化后，15312工作面進風平巷錨桿錨索的受力整體較小，頂錨桿的受力基本保持不變，維持在110kN左右；頂錨索、左錨索和右錨索受力在工作面接近測點位置時增大，但頂錨索和右錨索增大幅度較小，而左錨索受力快速增大，接近300kN，三者后期均趨于穩定。分析監測結果可知，由于左錨索布置在進風平巷煤柱側，右錨桿布置在進風平巷工作面側，而煤柱側受到相鄰工作面和本工作面開采的擾動影響較大，煤柱內應力集中較為明顯，且巷道頂板的穩定性比幫部煤體高，故在本工作面逐漸接近測點時，左錨索受力增大幅度遠大于頂錨索和右錨索受力增大幅度，但錨索最終的受力未超過其強度極限，即支護參數優化后，能實現動壓高幫回采巷道的圍巖穩定性控制，現場也觀測到圍巖變形量較小，圍巖控制效果較好。4支護參數優化(1）揭示了15312工作面進風平巷圍巖穩定性低的主要原因為圍巖自身強度低、巷道斷面尺寸大、圍巖所處的應力環境復雜和圍