浅谈深部围岩变形基理及控制技术.docx
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浅谈深部围岩变形基理及控制技术
浅谈深部围岩变形基理及控制技术
张军亮刘树德
摘要
黑龙江省龙煤矿业集团鸡西分公司开采于1906年,已有百年历史。
鸡西分公司东海煤矿成立于1958年,已开采50年,随着开采时间的增加,矿井逐步向深部延伸,浅部煤层已全部开采完,矿井现已进入深井开采阶段,开采最深达1005米,属黑龙江省开采最深矿井。
浅部原岩体多数处于弹性应力状态,但进入深部以后,在高地应力以及采掘扰动力等的作用下,浅部表现为普通坚硬的岩石,在深部可能表现出大变形、难支护的软岩特征,即矿井由浅部的硬岩矿井转化为软岩矿井,提高井巷工程施工和支护难度。
东海煤矿通过在五采32#层四段风道进行深井支护实验,使用全程锚固高预应力锚杆和锚索联合支护,在开采深度达950米条件下,一次实验成功,解决了制约深井开采井巷工程支护的难题,为矿井的长远发展奠定了基础,增加了矿井的可采储量,提高了矿井服务年限。
关键词
开采深井支护全程锚固锚杆锚索联合支护
一、矿井概况
东海煤矿位于鸡东县东海镇内,井田走向11公里,倾斜3公里,井田面积33平方公里。
该矿井于1958年由农垦局建井,1997年建成二段皮带井,设计能力120万吨。
通过近两年技术改造,主要改造了通风系统、供电系统及副提升系统,现矿井实际生产能力140万吨/年。
截止2006年底,矿井可采储量5110.3万吨。
由于东海矿开采有近50年历史,浅部煤层现已全部采完,进入深部区开采。
进入深部区开采后,在高地应力以及采掘扰动力等的作用下,浅部表现为普通坚硬的岩石,在深部可能表现出大变形、难支护的软岩特征,即矿井由浅部的硬岩矿井转化为软岩矿井,矿压比浅部大,井巷工程支护困难,给掘进及回采带来一定困难。
在采空区两侧的开拓巷道经常发生冒顶、片帮事故,严重影响安全与生产。
通过近两年的探索,我们已经解决深井支护问题。
二、巷道支护基本参数
东海矿主采32#层、35#层
1、东海煤矿32、35层柱状情况
柱装图见表1所示
表1柱状图
序号
名称
厚度(m)
1
细砂岩
3.0
2
粉砂岩
3.0
3
细砂岩
4.1(10.1)
4
32煤层
1.5
5
细砂岩
0.7
6
煤
0.2
7
煤页岩
0.3
8
细砂岩
1.3
9
粉砂岩
0.5
10
细砂岩
2.3
11
页岩
0.15
12
粉砂岩
0.3
13
细砂岩
1.4
14
粉砂岩
1.5(8.65)
15
煤
0.35
16
细砂岩
0.7
17
煤
0.05
18
细砂岩
2.5
19
粉砂岩
1.1
20
细砂岩
0.35
21
粉砂岩
1.6
22
细砂岩
0.5(7.15)(15.8)
23
35煤层
1.5
24
页岩
0.5
25
细砂岩
2.3
32层与35号层间距45.8m。
2、上山位置示意图(见图1)
—600
—640
—680
—720
—760
—800
32层左四路
80~140m
32层左五路
32层右五路
80~140m
32层左六路(35层左五路)
32层右六路(35层右五路)
100m
32层左七路
32层右七路85m
92m35层左六路
32层左八路
32层右八路90m
92~98m
32层左九路
图1上山位置图
图中数据是35层的停采线位置,32层停采线一般减去14米。
3、原始力学参数
根据35号层实际原始参数见表2、3。
表2 35#层力学参数表
参数
岩性
厚度
(m)
弹性模量E(109MPa)
泊松比
抗压强度
(106MPa)
抗剪强度
(106MPa)
粉砂岩
1.6
14.843
0.337
82.434
7.978
细砂岩
0.5
15.886
0.236
67.561
5.9
35#煤
1.5
4
03
10
2
页岩
0.5
1
0.4
5
0.5
中砂岩
2.3
15.216
0.302
76.895
5.722
表3 支护材料参数表
参数
材料
厚度
(m)
弹性模量E(109MPa)
泊松比
抗拉强度
(106MPa)
抗剪强度
(106MPa)
Φ20锚杆
20e9
63.69
锚索
U型钢
二、巷道压力产生和围岩变形的主要原因
巷道埋深大,32层、35层下山距地表深度分别为950m和900m,属于深部开采情况。
当开采深度达到一定程度后,巷道围岩受上部岩石自重的影响,其岩石自身强度发生变化。
岩石试件在地表与井下表现出不同的特征(岩石强度低,内聚力、摩擦角发生变化)。
深部开采主要表现是巷道围岩变软、围岩面易发生爆裂,回采工作面煤壁片帮、回采工作面前方集中压力值较小,但是影响范围大,超前支撑压力在回采工作面前方100米就有反映。
1、顶板压力
采区下山掘出后,巷道围岩从三向受力状态转为两向受力状态,加上深部开采顶板压力大,使巷道围岩破坏大,松动圈大,最大松动圈可以达到2.0m以上。
2、回采工作面的超前压力影响大
在回采工作面超前压力和巷道顶板压力的影响下,巷道两帮向巷道内移动,岩层抗水平应力的截面减少,在水平应力作用下煤层沿水平层理面向巷道挤入,致使巷道帮顶受水平应力作用而破坏。
巷道顶板受两帮移动挤压变形→岩石局部屈服变形→节理弱面发生破坏→顶板较低层位发生弯曲变形(伴有局部岩块脱落)→岩层局部发生剪切破坏→巷道顶板变形破坏。
巷道围岩首先由巷道顶板压力与回采工作面超前压应力引起巷道两帮向巷道内移动,造成巷道围岩的挤压破坏。
随着挤压破坏向围岩深处发展引起岩石裂隙扩张和体积膨胀,造成巷道周边岩层弯曲,而产生弯曲拉应力,导致顶板岩层破坏。
32层巷道底板有一层煤线和煤页岩厚度0.5m,影响巷道的稳定性,是引起巷道底臌和围岩变形的主要原因。
35层巷道底板有一层0.5m的页岩,强度低,是引起巷道底臌和围岩变形的主要原因。
三、巷道支护原则
东海煤矿深部开采支护的原则是加强两帮和顶板的支护,控制巷道两帮的移动范围和顶板的下沉量。
1、锚杆、锚索支护参数时有关原始条件如下
理论分析和实践证明,对于深部开采的巷道而言,仅从单层锚杆作用的角度来不断提高巷道支护强度,由于锚杆长度小,药圈锚固长度小且在巷道的破碎区内,这无法阻止巷道顶板的破坏。
那么,锚杆支护的设计就不应单纯从提高支护体强度的角度来考虑,而应从对破坏围岩的加固、阻止围岩继续松动和提高松动体自稳性的角度来考虑,既要突出锚杆支护的优越性,又能使复合顶板的支护效果得以保证,需要叠加支护理论。
(1)、锚索
锚索的主要作用是把冒落拱中的岩石串起来,起悬吊作用。
在锚杆支护失稳状态下能悬吊冒落拱中的岩石重量,增加巷道维护的可靠性。
根据理论分析计算,巷道冒落拱最大高度为巷道宽度的一半,即2.0m。
这样,冒落拱最大面积为:
(1)
考虑锚索悬吊冒落拱中岩石的重量,锚索需要的悬吊力.5.3*2.5=13.25t/m
巷道围岩松动圈最大按2.5米计算,巷道松散岩体重量为:
4.0*2.5*1*2.5*2/3=16.7t/m
(2)
顶板锚索长度5~7m(根据32层与35层顶板岩性确定),利用7根刚交线锚索,每根锚索支护能力为25t。
双锚索布置,每排锚索支护能力为2*25=50t。
按
(1)式计算锚索间距为3.7米、按
(2)式计算为3.0米。
设计锚索排距实际取值2.7m(中间有3.5m的短锚杆)。
巷道帮锚索长度5m,由5根钢绞线组成。
锚索利用三~四个药卷安装,
(2)、锚杆
根据满足顶板最下一层岩层外表面抗拉强度条件确定组合梁厚度,即锚杆有效长度:
=0.5*4(5*4*4.0*2.5/2.55)1/2=1.77m
式中:
B——巷道宽度mm;
k——安全系数,取3;
q——顶板均布载荷,MPa,取4倍巷道高度岩层重量;
σt——各岩层平均抗拉强度,MPa。
锚杆的间排距由组合梁的抗剪强度确定:
=1.45*22*0.8*120.0/(6*0.285*2.2)=815mm
式中:
d——锚杆直径,mm;
τ——锚杆材料抗剪强度,MPa;
K2——顶板抗剪强度安全系数,取3~6。
σ——岩石平均抗压强度;
K2——抗拉安全系数,取3~5;
L3——锚杆锚固段长度(取0.8m)。
常规锚杆采用直径22mm的罗纹钢,长度2.2m。
锚固长度为锚杆的2/3,即1.6m,利用4~5个药卷锚固(见图3)。
图3锚杆锚固段长度
4、巷道支护方式
(1)、锚杆支护
锚杆锚固厚度小,锚固体扩容变形量相对较小,扩容应力也较小。
所以一些矿井在深部开采工程中,对巷道围岩进行注浆,提高围岩的自身强度。
但是对于东海煤矿的深部开采巷道,围岩破坏范围较大、裂隙多,注浆成本高,施工复杂。
所以设计采用一般常规锚杆,但是需要加强锚杆的锚固段长度来达到对围岩加固的目的。
锚杆采用长度2.2m、直径22mm的螺纹钢锚杆,锚固长度为1.5m(5个药圈),使常规锚杆达到全长锚固的作用
利用锚杆增加锚固段长度的强螺纹钢锚杆支护,可满足巷道围岩锚固体的扩容变形和扩容应力,形成初期支护阶段的围岩挤压加固拱平衡状态,形成强度很高的次生承载圈。
利用钢绞线长锚杆的可延展性,适应围岩破坏的扩容变形量,保持破坏岩体的承载强度,使次生承载层在破坏前后始终保持良好的塑性及强度。
利用钢绞线锚杆的长度和强度,进一步强化次生承载层的抗变形能力。
长锚杆与短锚杆相间布置,且布置在最容易弯曲破坏的巷道围岩中部和肩窝处,克服因肩窝处和中部围岩应力大、变形量大引起的刚性较大的短锚杆即刻达到最大应力而破坏的缺陷,增强了围岩次生承载层的抗压强度和塑性变形能力,形成塑性强、承载能力大的不均匀对称承载体,提高了破坏岩体的自稳能力。
(2)、锚索支护
利用7根(巷道顶板)和5根(巷道帮)钢绞线锚索对岩体挤压加固作用,使锚索之间相互作用、相互补强,而且与短锚杆、长锚杆所加固的承载体相互补强。
锚索有很好的延展性和抗拉强度,使锚索形成的锚固岩体在巷道围岩中形成一条强度大、塑性强、结构稳定的承载体。
锚索锚固点处在松动圈之外,增加了顶板承载体的稳定性。
锚索布置在几排锚杆之间,增加了支护的密度,锚索与长锚杆相同的高延展性、高强度,进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力,提高了承载体的自稳能力。
更加32层和35层煤层顶板的不同岩性组合,顶板采用不同的锚索长度,32层顶板锚索长度为5m,35层顶板锚杆为5m。
帮锚索采用相同的长度5m。
四、支护方案如下
方案锚杆+长锚杆+锚索支护见图9
两帮支护图
图9顶板支护图
锚杆间距0.7m。
巷道帮锚杆之间用W型钢带护帮。
巷道顶板沿巷道长度方向锚杆(锚索之间)之间用W型钢带护顶。
顶板锚索角度60~65度,帮锚索角度10度。
巷道底板角锚杆支护角度50度。
巷道围岩进行挂网和喷浆支护,喷浆厚度0.2m。
五、模拟实验研究
根据以上支护方案和其它方案,对东海煤矿35号煤层四段较车道支护模拟研究如下。
1、建立有限元模型
平面模型宽度取30米,高度取25米,巷道宽3.4米,高3米,拱形。
选用PLANE183(2D8节点单元)对几何模型进行有限元划分,得到巷道有限元模型,图10所示。
图10 巷道有限元模型
2、边界条件
模型上边界为上覆岩层重量,20.7MPa,下边界为固定支撑边界,左右边界
。
3、模型计算与结果分析
(1)、巷道围岩应力分布规律研究
图12为巷帮采用2排锚杆、一排锚索与钢带联合支护时应力分布图,锚杆距底板分别为0.4m、1.2m,锚索距底板0.8m,锚杆为全程锚固锚杆,长度2.2m,锚索长6米,加予紧力。
图13为巷帮采用U型钢支护时应力分布图。
图14为巷帮采用3排锚杆与U型钢联合支护时应力分布图,锚杆距底板分别为0.4m,0.8m,1.2m,锚杆为全程锚固锚杆,长度2.2m。
图15为巷帮采用1排锚杆、2排锚索与钢带联合支护时应力分布图,锚杆距底板0.8m,锚杆为全程锚固锚杆,长2m,锚索长6m,距底板分别为0.4m、1.2m,且与底板成一定角度布置,锚索加予紧力。
图11——20为不同支护条件下巷帮应力分布曲线。
图11三排锚杆支护巷道围岩应力分布图
图12 二排锚杆一个锚索联合支护(双锚杆)巷道围岩应力分布图
图13 U钢支护巷道围岩应力分布图
图14 U型钢+锚杆联合支护巷道围岩应力分布图
图15一排锚杆二排锚索联合支护(双锚索)巷道围岩应力分布图
从全程锚固锚杆的应力分布规律图上可以看到,应力最大值发生在岩体内部,由内向外,杆体上的应力逐渐减小,锚杆的破坏是在岩体内部发生的。
六、巷旁钻孔卸压模拟研究
模拟对象为采用3排锚杆支护结合钻孔卸压时应力分布图,锚杆距底板分别为0.4m,0.8m,1.2m,锚杆为全程锚固锚杆,长2.0m;卸压钻孔距底板0.8m,孔深10m,钻孔外端打全程锚固锚杆,有效卸压孔长度为8m。
卸压钻孔布置压力。
锚杆支护巷道经钻孔卸压后巷帮应力由34.90MPa降低到32.79MPa。
对模拟结果进行分析可以看出,由于采用了全程锚固锚杆,巷道帮上的应力集中得到了很大程度的缓解,从裸巷的37.6MPa降低到支护后的34.9MPa;采用巷帮中部锚索,巷帮两端锚杆支护时,锚索施加以予紧力,增加了巷帮强度,巷帮应力值增加到35.27MPa;当巷帮上下两端采用锚索支护,中部采用锚杆支护时,巷帮应力为38.98MPa;采用U钢支护巷帮平均强度可达36.56MPa,但是帮的中部由于支护力小,变形量大;采用U钢与锚杆联合支护时,巷帮强度可达59.7-66.9MPa。
从上面的分析结论中可以得出以下结论
(1)支护方式可以改变巷道应力分布状态。
全程锚固锚杆可以降低巷道应力集中程度,加予应力则可以起到增加巷道围岩强度的作用,两种支护手段联合使用效果更好。
(2)予紧力对支护效果的影响是巨大的,随着予紧力的增加,被支护体的总体强度有着明显的增大,这与岩石的三向压缩特点相吻合,即随着侧向压力的增大,岩石的抗压强度也逐渐增大,对我们工程很有指导意义。
(3)采用锚杆与U钢联合支护时,以U钢做为锚杆的托盘,巷帮强度明显大于采用其它支护手段时的强度,这说明高围岩应力状态下,巷道维护困难时可以采用此种支护方式。
(4)支护是否成功,不仅取决于锚杆性质,还与托盘选择密切相关,因此在必要时需选择高强度的托盘。
(5)喷浆是重要环节,巷道喷浆后,使锚杆、锚索由单个支护转变为支护整体,从而提高巷道整体支护强度,充分发挥锚杆、锚索的支护作用,使巷道围岩形成均匀受力。
2006年在五采32#层集中风道左九路至左十路使用全程锚固锚杆,长度2.2米,直径18mm,锚深2.1米,7.3米长锚索,锚深7米,选者方案四支护巷道,取得了成功,为深井开采奠定了基础,提高了矿井可采储量,延长了矿井服务年限,提高了企业经济效益。
作者简介:
张军亮,男,1978年出生于黑龙江省密山市,大专文化,助理工程师。
1994年考入黑龙江省煤炭工业学校地下采煤专业,1998年7月毕业,多年井下从事现场技术管理工作。
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