叠加应力影响下大巷加固技术研究_李建忠.pdf

叠加应力影响下大巷加固技术研究 李建忠1，王子越2，陈金宇2，任硕2 1. 煤炭科学研究总院 北京开采研究院，北京 100013; 2. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］针对寺河矿二号井 15 号煤层大巷受叠加应力影响导致巷道围岩变得极为破碎、变形 量大的特点，在地质力学测试的基础上，结合巷道变形破坏情况对其破坏机理进行分析。通过 UDEC 数值模拟论证了注浆对破碎围岩的加固作用，最终确定对寺河二号矿 15 号煤层 3 条大巷两帮和底板 采用先注浆后打锚索的注浆加固技术方案。矿压监测结果表明，该方案可有效地控制大巷变形，为类 似条件下的破碎巷道加固技术提供了参考。 ［ 关键词］叠加应力; 数值模拟; 注浆加固; 矿压监测; 破碎巷道 ［ 中图分类号］ TD353［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 2016 01- 0063- 04 Reinforcement Technology of Main Roadway with Superimposed Stress Influence LI Jian- zhong1，WANG Zi- yue2，CHEN Jin- yu2，REN Shuo2 1. Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China; 2. Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract Surrounding rock of main road in No. 15 coal seam of No. 2 shaft of Sihe coal mine had became extremely broken and large deation as superimposed stress influence，surrounding rock broken mechanism was analyzed on the basis of in- situ stress test and roadway deation and broken situation. Detailed numerical model with UDEC was conducted to demonstrated the grouting reinforce- ment effect on cracked surrounding rock，the grouting reinforcement that first grouting then supporting with cable was applied to two sides and floor of three main roadway in No. 15 coal seam of No. 2 shaft of Sihe coal mine，the results of rock pressure monitoring showed that the deation of main roadway could be controlled effectively，it provided reference for similar situation. Keywords superimposed stress; numerical simulation; grouting reinforcement; rock pressure monitoring; cracked roadway ［ 收稿日期］ 2015 －07 －27［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2016. 01. 017 ［ 基金项目］ 中国煤炭科工集团青年基金项目 2016QN008 ; 天地科技创新基金项目 KJ －2015 － TDKC －08 ［ 作者简介］ 李建忠 1990 － ，男，江西吉安人，硕士研究生，从事巷道支护与矿压理论研究。 ［ 引用格式］ 李建忠，王子越，陈金宇，等 . 叠加应力影响下大巷加固技术研究 ［ J］． 煤矿开采，2016，21 1 63 －66，46. 寺河矿二号井批准开采 3 号、9 号和 15 号煤 层。15 号煤层位于太原组一段顶部，埋深为 329 ～ 419m，上距 9 号煤层 28 ～ 30m，距 3 号煤层 60m， 煤层厚 1. 97 ～3. 84m，平均 2. 66m。3 号煤已经采 空，15 号煤 3 条大巷在 151303 工作面对应区域上 覆 9 号煤层有Ⅸ4309 工作面正在回采。 15 号煤层 3 条大巷原有支护方式为锚杆锚索 联合支护，由于巷道受上部煤层开采煤柱应力、上 部煤层工作面开采、本煤层巷道掘进等影响，巷道 围岩变得极为破碎，高预应力、高强度、高刚 度 ［1 －3 ］的支护技术不能充分发挥，导致巷道变形量 非常 大，顶 底 板 移 近 和 两 帮 位 移 量 普 遍 达 到 500mm 以上，局部地区因变形量过大已影响到了 巷道的正常使用。随着本煤层开采再增加的趋势， 必然会给矿井的正常生产带来更大影响。矿方对大 巷出现大变形地段采用补打锚杆和锚索、棚式支架 等支护方式，但仍不能有效控制巷道围岩的变形。 为提高巷道支护质量，为此在地质力学测试分析、 巷道变形破坏机理分析、UDEC 数值模拟的基础 上，确定出寺河二号矿 15 号煤层 3 条大巷两帮和 底板采用先注浆后打锚索的注浆加固技术方案，并 在该矿 15 号煤层 3 条大巷进行井下试验，进行了 叠加应力影响下大巷加固支护技术研究。 1地质力学条件测试及分析 对 15 号煤层 3 条大巷进行了 3 个测点的地质 力学测试。3 个测点中 σH最大为 8. 66MPa，最小 为 6. 58MPa，3 个测点地应力侧压系数 σH /σ V分别 为 1. 30，1. 19 ，1. 15 ，侧压系数均大于 1，可见 地应力主要以水平应力为主，属于构造应力场类 型。3 个测站最大水平主应力方向为北偏东方向， 没有大的偏斜，一致性较好。 对 151101 大巷进行窥视发现，两个测点表明 大巷两帮围岩破坏范围达到 6m，破坏严重区域深 度为 4m，破坏严重区发育有大量裂隙，煤体极为 破碎。同时，从窥视孔可看出顶板较为完整，裂隙 36 第 21 卷 第 1 期 总第 128 期 2016 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 21No. 1 Series No. 128 February2016 发育较少，离层量不大，围岩完整性较好。因此， 只对底板和两帮加固支护。鉴于钻孔窥视两帮破坏 范围达到 6m，故设计两帮深孔注浆孔深度不少于 6m。图 1 为 151101 大巷两帮和顶板窥视图。总体 而言，15 号煤层 3 条大巷地应力水平不大，巷道 两帮围岩裂隙极为发育，围岩非常破碎，顶板围岩 较为完整，但其含有较厚的泥岩夹层，容易产生下 沉变形。 图 1 151101 大巷顶板和两帮钻孔窥视 2大巷变形破坏机理分析 寺河二号矿 3 号煤、9 号煤与 15 号煤层之间 距离较小，3 号和 9 号煤层开采后的煤柱应力以及 9 号煤层正在开采的Ⅸ4309 工作面对 15 号煤层大 巷稳定性造成较大影响。同时，15 号煤层 3 条大 巷掘进的相互影响，多种应力的叠加影响造成大巷 两帮煤体变得极为破碎，顶底板围岩产生大量变形 与离层。而破碎煤岩体与锚固剂之间粘结效果差， 无法发挥锚杆锚索的预应力作用，而预应力及预应 力的扩散对支护效果起着决定性的作用 ［4 －6 ］，从而 导致锚杆锚索的主动支护效果差。 综合上述分析，对于受叠加应力影响导致围岩 变得极为破碎的巷道而言，其支护的关键因素在于 以下两个方面 1对于极为破碎巷道而言，应采取一定加 固措施，改善破碎围岩状态，提高其完整性和围岩 与锚固剂之间的粘结力，改善锚杆支护效果。 2采用锚杆支护加固巷道，不仅要满足高 预应力，还要高强度、高刚度，保证巷道一次支护 到位，避免二次支护。 3注浆加固数值模拟 基于地质力学条件和巷道变形破坏机理分析， 采用离散元程序 UDEC 数值模拟软件，根据寺河矿 二号井实际地质条件建立数值模型，注浆加固支护 巷道是巷道在产生较大变形以后进行的，表 1 为计 算模型中各煤岩层物理力学参数，建立的注浆模型 如图 2 所示。模拟分析注浆对围岩应力的影响、注 浆对围岩塑性区的影响、注浆后锚索支护与未注浆 直接锚索支护轴力对比分析、注浆与未注浆下大巷 变形特征共 4 种情形。 表 1计算模型煤岩层物理力学参数 层位 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦 角/ 基本顶157. 82. 645 直接顶96. 02. 335 煤层21. 01. 324 直接底53. 01. 430 老底109. 02. 335 图 2数值分析模型 3. 1注浆对围岩应力的影响 模拟在同一条巷道中进行，先对巷道右帮进行 注浆，之后再对整条巷道锚索支护，图 3 为锚索布 置图，图 4 为左右两帮注浆与不注浆巷道锚索支护 围岩垂直应力变化曲线。对比左右两帮围岩垂直应 力图可知，先注浆后锚索支护围岩浅部应力明显高 于单纯锚索支护，深部围岩应力要比单纯锚索支护 小，并且深部和浅部围岩应力差别较小，深浅部围 岩受力较为均衡，而单纯锚索支护深部围岩应力要 比浅部围岩应力大得多。说明先注浆后打锚索支护 可使巷道深部围岩应力由深部向浅部转移，提高浅 部围岩承载能力的同时也防止了深部围岩出现高应 力集中而发生破坏，改善了深部围岩应力状态，提 高了巷道围岩整体承载能力。 3. 2注浆加固对围岩塑性区分布的影响 表 2 是不同支护模型计算的塑性区最大值。从 表 2 可知，在注浆基础上再进行锚索支护，巷道围 岩塑性区较单纯采用锚索支护大幅度减小，左帮、 右帮、底 板 和 顶 板 分 别 减 小 53. 2，60. 3， 29. 7和 48. 5。说明在打设锚索之前先注浆， 可有效改善巷道围岩的结构，使得锚索的支护作用 46 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 图 3巷道锚索布置 图 4巷道左右两帮垂直应力 表 2不同支护状态下塑性区大小 支护方式巷道位置塑性区的平均范围/m 单纯锚索支护 顶板2. 35 左帮3. 85 右帮3. 02 底板3. 13 注浆后打锚索支护 顶板1. 21 左帮1. 80 右帮1. 20 底板2. 20 得到更大程度地发挥。 3. 3注浆后锚索受力分析 图 5 为先注浆后打设锚索支护与单纯锚索支护 破碎围岩中锚索所受轴力情况，锚索编号从顶板锚 索按逆时计依次编号，共 12 根锚索。图中右帮围 岩在打设锚索之前进行注浆加固，顶板、底板和左 帮未注浆加固，直接打设锚索进行支护。由图 5 可 以看出，右帮锚索受力比左帮要大，这是因为右帮 围岩进行了注浆，注浆加固改善了围岩的完整性， 围岩与锚索和锚固剂之间的锚固效果得到改善，右 帮注浆锚索最大锚固力达 448. 5kN，而左帮直接锚 索支护锚索最大锚固力为 187. 7kN，锚索锚固力大 大提高，锚索受力较左帮有大幅度提高; 底板锚索 的轴力相对巷道右帮较小，但大于顶板和左帮，这 是因为对巷道右帮注浆时，浆液由于重力的作用向 底板扩散，所以底板围岩结构也得到一定的改善; 顶板锚索基本不受力，是因为顶板围岩破碎离层十 分严重，基本失去可锚性，锚索没有起到支护加固 顶板作用。注浆能提高围岩完整性，改善围岩和锚 索间的可锚性，充分发挥了锚索的支护作用。 图 5注浆和未注浆的破碎围岩中锚索轴力 3. 4不同支护下围岩变形特征 图 6 为巷道破坏以后，采用不同支护后围岩变 形情况。图中单纯锚索支护，巷道最大两帮位移为 693mm，底鼓为 286mm，顶板下沉为 251mm;而 先注浆再进行锚索补强的支护方式，巷道两帮最大 位移 为 202mm，底 鼓 为 101mm，顶 板 下 沉 为 189mm。与单纯采用锚索支护相比，两帮移近、底 鼓和顶帮下沉分别减小 70. 8，64. 9，24. 7。 在两种不同的支护方式下，巷道表面位移量都较 大，但注浆加固后再进行锚索支护较单纯锚索支护 而言，可较大幅度减小巷道围岩位移，有效控制巷 道的变形。 4大巷加固方案 根据现场围岩条件，对 15 号煤层 3 条大巷变 形严重段进行加固修复。西胶带运输巷和 151101 巷采取先采用注浆锚索加固底板，再进行两帮浅孔 和深孔注浆加固，并采用预应力注浆锚索加固。 151102 大巷加固方案与其他两条大巷基本一致， 区别之处在于 151102 大巷的宽度与其余两条大巷 有差异，因此底板锚索布置排距与其余两条大巷有 差异，其余加固方案都相同。其加固方案如下 底板加固大巷底板采用注浆锚索进行加固， 锚索孔直径为 56mm，深度为 8000mm，间距为 1500mm，排距为2000mm。注浆孔钻孔成功后预埋 锚索，灌入水泥浆进行锚索注浆，锚索直径为 56 李建忠等 叠加应力影响下大巷加固技术研究2016 年第 1 期 图 6支护方式与围岩变形的关系 17. 8mm，长度为 8300mm，钻 孔 内 插 入 长 度 为 4500mm 铝塑注浆管用于注浆。锚索预埋 7d 后， 注浆前张拉锚索，锚索预紧力不小于 150kN。 两帮加固两帮先进行浅部注浆加固，接着进 行深孔注浆加固，最后采用注浆锚索加固。注浆孔 成排 三 花 眼 布 置，间 排 距 分 别 为 3000mm 和 1100mm，注浆孔深浅孔深度分别为 3000mm 和 8000mm。注浆完毕后进行全长预应力注浆锚索支 护，锚索为 17. 8mm，1 7 股高强度预应力钢绞 线，长度 5300mm，锚索成排布置，间排距分别为 1000mm 和 2000mm。 5矿压监测与数据分析 大巷进行注浆加固支护后，151101 和 151102 巷分别布置了 1 个表面位移测站。图 7 和图 8 分别 为 151101 和 151102 大巷的表面位移变形图。 图 7 151101 巷道表面位移 从图 7 可以看出，151101 巷注浆加固完成后， 巷道两帮变形和顶底板的移近量均比较小，2013 年1 月28 日之前，两帮移近量最大为36mm，底鼓 量最大为 40mm，说明注浆浆液能充填围岩内部裂 隙，提高围岩的完整性和锚索锚固力，使得锚索支 护作用得到充分发挥，控制了巷道围岩的大量变 形。2013 年 2 月 23 日后底鼓量突然剧烈增大，这 图 8 151102 巷道表面位移 主要是因为受到了 151303 工作面回采的强烈动压 影响，但巷道变形没有继续发展，而是趋于稳定， 说明注浆加固与锚索支护控制了叠加应力影响下大 巷的稳定。从图 8 可以看出，151102 巷在注浆后 再进行锚索支护后，巷道表面位移一直不大，两帮 移近量最大为 50mm，底鼓量最大为 43mm，说明 巷道支护状况良好。 与巷道单纯采用锚索支护加固相比，对大巷底 板采用注浆锚索加固，而后两帮先进行浅孔和深孔 注浆加固，再对两帮采用注浆锚索支护，巷道围岩 较单纯采用锚索支护更完整、稳定，两帮围岩可锚 性大大改善，巷道变形得到控制，巷道支护质量得 到提高。说明受叠加应力影响下大巷围岩破坏严 重、变形较大情况下采用先注浆加固围岩，再进行 锚索支护巷道是合理可行的。 6结论 1对破碎围岩进行注浆加固，浆液能充填 围岩内部裂隙，改善围岩结构并提高其完整性，提 高浅部围岩承载力的同时降低深部围岩承载应力， 使得巷道整体围岩承载能力增强。 2 注浆加固可明显减小巷道围岩的塑性区 下转 46 页 66 总第 128 期煤矿开采2016 年第 1 期 力环境遭到破坏，相邻工作面回采过程中产生的超 前支承压力与原工作面采空区的残余支承压力在一 定范围交叉形成叠加效应，给回撤通道的维护带来 更大的困难。尤其是在二次回采工作面前方 20m 范围之内，回撤通道所受影响最为严重，这期间， 需对回撤通道加强支护。 3回撤通道沿空留巷施工工艺 工作面推进到设计停采线以前，在支架上方提 前上绳 7 道，提前进行锚网索带支护; 在回采到设 计停采线以后，对所要保留下来的回撤通道顶帮进 行锚网索补强支护，形成巷内支护体系; 回撤通道 贯通后，需要在巷道底板进行铺轨用于回撤支架， 在支架回撤的同时用单体支柱或木点柱进行临时支 护。当临时支护工作完成之后，在回撤通道采空区 侧使用高水材料构筑巷旁充填体。撤架、沿空留巷 施工工艺流程如图 8 所示。 图 8施工工艺流程 4结论 1为了最大限度地回收煤炭资源和延长服 务年限，有些煤矿已经进入回收矿区内边角煤的阶 段。合理的工作面布置和回采工艺设计是安全、高 效回收以上困难区域煤炭资源的保障。在合理布置 工作面的前提下，提出将采用高水速凝材料留巷技 术应用于回撤通道中。 2根据上覆顶板断裂线的位置，可将工作 面末采阶段上覆岩层划分为 3 种类型，回撤通道沿 空留巷的最佳顶板结构为基本顶在停采线后方断 裂，并且只要对回撤通道采取合适的支护方式，便 能保证工作面支架的顺利撤出。 3回撤通道沿空留巷共经历撤架 － 留巷、 二次回采两个阶段的影响。当液压支架回撤时，需 要在撤架位置后方 80m 的范围内加强支护;在工 作面回采过程中，应对工作面前方 20m 范围内的 回撤通道进行加强支护。 4对采用高水材料构筑巷旁充填体的回撤 通道沿空留巷施工工艺进行初步设计，对工程实践 有一定指导意义。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 林伯强 . 中国能源发展报告 2008 ［ M］ ． 北京中国财政经济 出版社，2008. ［ 2］ 王淮海 . 我国能源结构与资源利用效率分析 ［N］． 中国信息 报，2006 －04 －19. ［ 3］ 国家煤矿安全监察局 . 中国煤炭工业年鉴 ［M］． 北京 煤炭 工业出版社，2007. ［ 4］ 崔民选 . 中国能源发展报告 2012［M］ ． 北京社会科学 文献出版社，2012. ［ 5］ 李永生，刘彦昌 . 锚网支护在综采工作面回撤通道中的应用 ［ J］． 煤炭科学技术，2010，38 4 35 －36，74. ［ 6］ 郑书兵，康红普，董文敏，等 . 大采高工作面撤架通道加固 支护技术 ［ J］ ． 煤炭科学技术，2006，34 10 33 －36. ［ 7］ 柏建彪 . 沿空掘巷围岩控制 ［M］ ． 徐州 中国矿业大学出版 社，2006. ［ 8］ Xuanmin Song，Zhongmin Jin. 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