受动压影响巷道围岩松动圈测试及支护技术研究_赵庆冲.pdf
第 2 卷第 2 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 2 2020 年 5 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING May 2020 023031-1 赵庆冲, 付宝杰. 受动压影响巷道围岩松动圈测试及支护技术研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2020, 2 2 023031. ZHAO Qingchong, FU Baojie. Study on loose zone testing and support technology of roadway surrounding rock affected by dynamic pressure[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2020, 2 2 023031. 受动压影响巷道围岩松动圈测试及支护技术研究 赵庆冲, 付宝杰 安徽理工大学 能源与安全学院, 安徽 淮南 232001 摘 要 为防止在动压影响下, 潘二矿11123工作面开切眼下方部分底抽巷 承担胶带运输任务 的变形失稳, 11123工作面初次来压后, 在原锚网索支护基础上, 采用增加注浆锚索的方式对巷 道进行补强加固, 并用地质雷达测试巷道围岩松动圈的厚度, 以判断支护方案的可行性。地质 雷达探测结果表明 第1次测量 工作面推进50 m时 、 第2次测量 工作面推进90 m时 、 第3次测量 工作面推进150 m时 , 松动圈的厚度发育较为迅速; 第4次 工作面推进200 m时 、 第5次 工作面 推进200 m时 和第3次测量相比, 松动圈厚度趋于稳定; 底抽巷所形成的松动圈厚度在1 300 mm 左右, 属于中小松动圈, 加强支护效果可以满足安全生产的要求。 关键词 采动; 巷道围岩; 探测; 松动圈; 巷道支护 中图分类号 TD353 文献标志码 A 文章编号 2096-7187 2020 02-3031-08 Study on loose zone testing and support technology of roadway surrounding rock affected by dynamic pressure ZHAO Qingchong, FU Baojie College of Energy and Security, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China Abstract To prevent the deation of Paner No. 2 Coal Mine 11123 working face cutting under the current part of the bottom pumping roadway undertake belt transport task due to the dynamic pressure, a new solution is introduced. After the first time of working face was under pressure, reinforcement of grouting anchor cables on the basis of original anchor net and cable support were applied and the thickness of the loosening zone of surrounding rock of roadway was detected by ground penetrating radar, to analyze the feasibility of supporting scheme. Ground penetrating radar detection results showed at the first measurement working face pushed over 50 m, second measurement working face pushed over 90 m, third measurement working face pushed over 150 m, the thickness of loosening zone develops rapidly; compared with the third time, the thickness of loosening ring tended to be stable at the fourth time the face pushes over 200 m and the fifth time the face pushes over 200 m . The thickness of loosening zone ed by bottom drainage roadway was about 1.3 m, it fits in the small and medium loosening circle. The strengthened support effect meets the requirements of safety production. Key words mining; surrounding rock of roadway; detection; loose zone; roadway support 收稿日期 2019-07-07 修回日期 2019-09-22 责任编辑 许书阁 基金项目 国家自然科学基金资助项目 516 74007, 51574007 作者简介 赵庆冲 199 4 , 男, 山东聊城人, 硕士研究生, 主要从事巷道支护技术方面的研究工作。E-mail1142231702qq. com 围岩松动圈的测试结果是选择巷道支护方案和围岩稳定性分析的重要依据 。国内外学者已 ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-2 经对巷道围岩松动圈进行了大量研究 李奋勇等 对北岭煤矿1105回风巷距工作面前方50, 65, 80, 95, 110 m处煤壁进行巷道围岩松动圈的测试, 并通 过对比巷道支护围岩松动圈分类表确定了围岩特 性; 胡世敬等 通过对直墙拱形断面和圆拱形断面 分别进行多样本测试, 判定巷道松动范围界限, 统 计分析每种类型巷道松动圈范围, 揭示其发育规律 并对巷道支护方案提供了技术依据; 刘京铄等 对 深部巷道围岩松动圈厚度测试及支护体变形机制 进行分析, 分析了深部矿区巷道围岩塑性区变化发 展趋势, 然后与现场支护体变形特征和围岩变形收 敛规律相结合, 再采用巷道围岩相互作用的力学机 理和喷锚网支护体, 并对深部巷道双层喷锚网支护 结构的变形机制进行了研究。巷道围岩松动圈是 指在原岩中开挖巷道或受煤层开采扰动影响, 岩体 由原始的三向应力状态变为二向应力状态甚至单 向应力状态, 单向应力状态或二向应力状态的稳定 性远低于三向应力状态。应力状态的改变使围岩 应力局部降低或升高。应力升高部位会发生弹塑 性变形甚至破坏。在破坏区进行支护, 应力会重新 平衡, 平衡过程中在巷道围岩内形成一定范围的松 弛破碎带, 即松动圈 。大量现场测试结果表明 在 巷道开挖和受煤层开采扰动时, 巷道围岩破坏不可 避免, 即使处于低应力场中的巷道围岩, 在原地应 力作用下也难以自稳, 出现应力重新平衡或支护后 的应力重新平衡, 一般也会出现中小松动圈 。 本文的研究对象在受采动影响后已提前进行 了加强支护, 研究巷道围岩松动圈的大小对评价现 有加强支护方案是否符合安全生产要求具有重要 意义 。巷道围岩松动圈厚度的测试方法有 钻屑 指标法, 对钻点布置有较高技术要求, 对偶然性规 避率较低, 故复杂地质条件不宜使用; 多点位移计 法, 测试数据量较大, 精度较低, 测点布置较多, 且 测试周期长, 该方法主要适用于位移量较大的软岩 巷道, 而对于位移量较小的围岩, 其精度有限; 电阻 率法, 测试时间短, 速度快, 但仪器精度直接决定了 测试精度, 对测试人员的操作水平要求较高, 且巷 道在进行测试时已经进行了支护, 不宜进行钻孔测 试, 会对巷道结构产生一定的破坏性; 地质雷达测 试法, 高效、 便捷, 适应于不同强度的岩石, 在探测 过程中对结构无损伤 。因此本文选择采用地质 雷达测试法对已经进行支护的巷道进行测试。 1 工程概况 1.1 工作面及底抽巷概况 11123工作面位于潘二矿一水平东一采区, 上 覆11124工作面已回采, 下伏1煤无采掘活动。该工 作面地面标高为19.5~22.5 m, 工作面标高为 -429.9~-497.5 m。开采的3煤厚度为0.7~13.8 m 平均厚度为5.5 m , 煤层平均倾角为10, 属稳定煤 层 具体岩性如图1所示 。11123工作面面长160 m, 从底板巷道位置整体受力分析, 采高2.5~4.0 m煤 壁应力峰值幅度增加不大, 但最大主应力呈先增大 层厚/m柱状 砂质泥岩 深灰色, 厚层状, 水平层理, 砂泥质分 布不均, 局部砂质富集, 可见铝质成分, 富含植 物碎片, 局部碳化, 岩性偏硬 岩性描述 2.013.0 泥岩 深灰色, 含少量植化条带及白云母碎片和 较多的菱铁小结核, 岩性较破碎1.3 6.0 02.6 1.613.8 1.5 5.5 0.62.4 3煤 黑色, 暗亮煤, 性软, 以亮煤为主; 其次为镜 煤, 暗煤, 呈透镜体, 有玻璃光泽, 内部发育一层 厚01.2 m的泥岩夹矸 泥岩 灰至深灰色, 无光泽, 泥质胶结 3.5 0.85.8 1煤 黑色, 半暗至半光亮煤, 性软, 以亮煤为主; 其次为镜煤, 暗煤, 丝炭, 参差断口, 有玻璃光泽, 内部发育一层厚01.5 m的泥岩夹矸 3.8 砂质泥岩 深灰色, 含少量白云母片, 见较多炭化 植物茎化石, 局部富集, 以及较多的微薄膜煤条 带, 局部砂质成分高集呈细砂岩, 滑面发育, 并充 填钙膜, 性较破碎 4.2 细砂岩 灰色, 块状, 主要由石英长石组成, 泥硅 质胶结, 见较多的灰黑色砂质泥岩薄层, 不均匀 分布, 性较破碎 711.0 1.2 9.0 0.81.8 泥岩 灰色, 深灰色, 上部夹薄层粉砂岩, 含菱铁 颗粒, 可见结核体, 较破碎, 易冒落 C 石灰岩 浅灰色, 块状, 裂隙发育充填有方解中 石脉,致密坚硬 1.22.5 1.5 2.0 1.02.2 1.62.8 0.5 2.5 1.04.5 2.0 0.5 7.0 细砂岩 灰色,灰白色, 薄层状, 层面间含有泥质 成分,性脆, 坚硬 砂质泥岩 深灰色, 块状, 砂泥质分布不均, 较破 碎 C 石灰岩 深灰色, 致密, 坚硬, 具缝合线构造, 裂 隙发育, 充填方解石脉, 见腕足类化石 煤线 泥岩 深灰色, 块状, 致密, 具滑面, 含较多植化碎 片, 下部含铝质及菱铁颗粒, 瓷状断口 C 石灰岩 浅灰色, 致密, 坚硬, 具缝合线构造, 裂隙发育, 充填方解石脉, 见腕足类化石 煤线 埋深130.2 m 图1 11123工作面综合柱状图 Fig. 1 11123 working face comprehensive histogram ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-3 后略减小的趋势, 采高控制在3.5 m以下。底抽巷位 于煤层底板约23 m处, 布置于C 与C 之间, 巷道围岩 包括石灰岩、 泥岩。参照11123工作面开采时底板 岩 石 力 学 性 质 参 数 , 泥 岩 的 平 均 抗 压 强 度 c 15.948 MPa,23, 泊松比0.17; 石灰岩平 均抗压强度 c 45.6 MPa,31, 泊松比0.26。 1.2 11123工作面底板受力破坏特征模拟分析 从11123工作面底抽巷到11123工作面下巷每 间隔30 m布置一条水平压力测线。图2, 3分别反映 了3.5 m采高条件下采场垂直应力及最大主应力分 布规律。图4为3.5 m采高条件下各测线应力分布。 -36.1 -33.8 -31.4 -29.0 -26.8 -24.2 -21.8 -19.4 -17.0 -14.6 -12.2 -9.8 -7.4 -5.0 -3.6 应力/MPa 图2 采高3.5 m垂直应力云图 Fig. 2 Vertical stress cloud map with mining height of 3.5 m -36.5 -34.2 -31.8 -29.4 -27.0 -24.6 -22.2 -19.8 -17.4 -15.0 -12.6 -10.2 -7.8 -5.4 -3.0 应力/MPa 图3 采高3.5 m最大主应力云图 Fig. 3 Maximum principal stress cloud map with mining height of 3.5 m 由图2, 3可知, 底抽巷及联络巷位置的应力介 于17.6~24.0 MPa之间。由图4可知, 70~240 m为 开采范围, 各测线在该范围内均为卸压区, 应力较 低, 而两侧为实体煤, 均形成应力增高区; 0~70 m 最大应力值增加到21.61 MPa, 峰值距煤壁15 m, 影 响范围约为煤壁前50 m。 0 5 10 15 20 25 0306090120150180210240270 应力/MPa 模型尺寸/m 测线1 测线3 测线2 测线4 图4 采高3.5 m各测线应力分布 Fig. 4 Stress distribution of measuring lines with mining height of 3.5 m 1.3 工作面下方底抽巷交岔点支护方案设计 煤层底板平均23 m处布置有底抽巷及联络斜 巷, 开采后所形成的支承压力将影响底抽巷及联络 巷的稳定性。由于底抽巷及联络巷巷道围岩为泥 岩及石灰岩, 根据岩石力学的库仑破坏准则 13 1 1 c sin sin 1 式中, 为围岩在三向受力下破坏的抗压强度, MPa; 为单轴抗压强度, MPa;为内摩擦角, ; H/1-, 其中,为泊松比, 通过实测测得。 由式 1 可知, 泥岩在三向受力下破坏的强度为 17.02 MPa, 石灰岩为46.94 MPa。 由1.2节可知, 泥岩类巷道顶板或两帮受力超出 其极限荷载, 易发生失稳, 应对受影响的50~60 m 范围内的巷道进行加强支护。考虑底抽巷及联络 巷受力, 同时结合巷道之间的位置关系, 设计分为 普通支护段及注浆锚索加固段。四岔门向采空区 20 m范围、 向开切眼外10 m范围及联络巷向开切眼 外10 m范围为注浆锚索加固段, 即图5中红色圈内 部分。两条巷道注浆锚索加固段向外50 m范围采用 普通锚索加强支护。具体位置划分如图5所示。 11123工作面回风巷 11123工作面运输巷 11123工作面 11123工作面底抽巷 联络斜巷 20 m10 m50 m 50 m 10 m 开 切 眼 图5 加强支护位置示意 Fig. 5 Schematic diagram of strengthening support position ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-4 普通巷道段采用锚索加强支护。锚索规格 21.8 mm6 300 mm, 间排距1 900 mm2 000 mm, 每帮2根, 顶部1根, 每个断面内5根锚索, 相邻2排相 对应位置的2根锚索采用12号槽钢进行连接。每孔 装Z2355型中速树脂药3卷, 抗拔力设计10 kN。 巷道连接处, 悬顶面积及巷道断面较大, 受采 动作用较充分 图6 。采取以注浆锚索为核心的锚 注支护方式, 即先采用锚索支护, 然后再喷浆, 滞后 一定时间再采用锚注加强支护。注浆锚索为 22 mm6 300 mm的钢铰线, 间排距1 900 mm 2 000 mm, 相邻2排相对应位置的2根锚索采用12号 槽钢进行连接。一个断面内5根注浆锚索。初始不 进行注浆, 待到工作面回采第1个周期来压后进行 注浆加固。每孔装Z2355型中速树脂药3卷, 抗拔力 设计10 kN。为防止跑浆, 注浆加固段设计50 mm厚 喷层, 且考虑浆液的渗透性, 本加固段向工作面内 喷浆长度加长5 m, 即开切眼向里25 m内喷浆。 4 600 mm 4 800 mm 注浆锚索 φ 22 mm2 500 mm 间排距700 mm700 mm 锚索加注区域 作用范围2 000 mm 注浆锚索 φ 22 mm6 300 mm 间排距1 900 mm2 000 mm 巷道表面混凝土喷浆厚度100 mm 3 600 mm 3 400 mm 15 图6 交岔点位置附近的巷道加强支护原支护示意 Fig. 6 Strengthened supportoriginal support sketch of roadway near intersection 2 地质雷达探测技术的应用 2.1 地质雷达的应用原理 地质雷达工作时, 在雷达主机控制下, 向测试 目标发射高频率电磁波。当电磁波在传播路径上 遇到介质介电常在不同于测试界面时发生反射 。信号在接收机经过整形和放大等处理后, 经电 缆传输到雷达主机, 并以伪彩色电平图/灰色电平图 或波形堆积图的方式显示出来, 经处理, 可用来判 断地下目标的深度、 大小和方位等特性参数。因此 主机通过雷达记录的双程反射时间即可根据式 2 计算出该界面的埋藏深度H。 2 r tc H 2 式中,t为目标层雷达波的反射时间;c为雷达波在真 空中的传播速度 0.3 m/ns ; 为目标层以上介质相 对介电常数均值。 2.2 测试点的布置 在探测过程中, 为避免某一点岩石破碎状态以 及井下很多因素带来的影响, 选择具有普遍代表意 义的巷道 。测量分为交岔点附近a段, 普通段b两 个区段, 每个区段分5次测量。第1次测量在工作面 推进50 m时进行, 第2次测量在工作面推进90 m时 进行, 第3次测量在工作面推进150 m时进行, 第4 次、 第5次测量在工作面推进200 m时进行。每次测 量点的位置固定 图7 , 便于研究松动圈发展、 稳定 的历程。 石灰岩巷道 普通段位置 b区段10 m 硐 室 底抽巷 泥岩巷道 联 络 巷 石 灰 岩 巷 道 硐 室 交岔点位置 a区段10 m 图7 测试点布置 Fig. 7 Test site layout plan 2.3 松动圈雷达探测结果分析 2.3.1 a区段测试 第15次的松动圈厚度测量结果如图8, 9所 示。第1次测量松动圈的平均厚度在712 mm左右, 第2次测量松动圈的平均厚度在900 mm左右, 相比 第1次增加了188 mm。第3次测量松动圈的平均厚 度在1 136 mm左右, 相比第2次增加了236 mm。第4 次、 第5次和第3次相比松动圈厚度趋于稳定, 稳定 在1 200 mm左右, 属于中小松动圈, 为一般稳定围 岩 , 故提出的支护方案的支护效果可以满足安 全生产的要求。第1次、 第2次和第3次的测量结果 显示松动圈的厚度在前期发育较为迅速 , 第3次、 第4次和第5次的测试结果 图9 显示松动圈厚度发 育极其缓慢并趋于稳定。 2.3.2 b区段测试 第15次的松动圈厚度测量结果如图10, 11所 示。第1次测量松动圈的平均厚度在735 mm左右, 第2次测量松动圈的平均厚度在1 001 mm左右, 相比 ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-5 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第1次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第2次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第3次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第4次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第5次测量 图8 第15次测量a区段松动圈厚度示意 Fig. 8 Schematic diagram for the 1st-5th times measurement of the thickness of loosening ring in Section a 246810 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 松动圈厚度/mm 松动圈厚度/mm 测量长度/m 246810 测量长度/m 第1次测量 第2次测量 1 125 1 130 1 135 1 140 1 145 1 150 1 155 第3次测量 第4次测量 第5次测量 图9 第15次测量a区段松动圈厚度比较 Fig. 9 Comparison diagram of the thickness of the loose ring measured for the 1st-5th times in Section a ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-6 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第1次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第2次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第3次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第4次测量 0 8.6 17.2 25.8 34.4 时间/ns 0 0.49 0.98 1.46 1.95 深度/mm 第5次测量 图10 第15次测量b区段松动圈厚度示意 Fig. 10 Schematic diagram for the 1st-5th times measurement of the thickness of loosening ring in Section b 246810 700 750 800 850 900 950 1 000 1 050 246810 1 308 1 310 1 312 1 314 1 316 1 318 1 320 松动圈厚度/mm 松动圈厚度/mm 测量长度/m测量长度/m 第1次测量 第2次测量 第3次测量 第4次测量 第5次测量 图11 第15次测量b区段松动圈厚度比较 Fig. 11 Comparison diagram of the thickness of the loose ring measured for the 1st-5th times in Section b ChaoXing 赵庆冲等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2, No. 2 2020 023031 023031-7 第1次增加了266 mm。第3次测量松动圈的平均厚 度在1 312.4 mm左右, 相比第2次增加了311.4 mm。 第4次、 第5次和第3次相比松动圈厚度趋于稳定。 稳定在1 300 mm左右, 属于中小松动圈, 为一般稳定 围 岩 , 故提出的支护方案的支护效果可以满 足安全生产要求。第1次、 第2次和第3次的测量结 果显示松动圈的厚度在前期发育较为迅速 , 第3 次、 第4次和第5次的测试结果 图11 显示松动圈厚 度发育极其缓慢并趋于稳定。 通过对a, b区段测量数据的分析可知 巷道围 岩松动圈在前期发育较为迅速, 后期发育较为缓慢 并逐渐趋于稳定; 巷道围岩松动圈在3次测量中, b 区段的厚度均比a区段大, 且发育速度大于a区段, 最 终趋于稳定时的厚度比a区段大。根据工作面推进 方向和煤层卸压机理可知 a区段处于卸压区, b区 段处于集中应力区。a, b区段应力分布如图12所示。 X 卸压区 集中应力区 a b σy 工作面推进方向 图12 a, b区段应力分布 Fig. 12 Stress distribution map of Section a and b b区段的应力大于a区段应力。故b区段巷道围 岩松动圈的厚度和发育速度都大于a区段。 3 结 论 1 受11123工作面采动影响, 并根据岩石力学 的库仑破坏准则可知 底抽巷及联络巷两帮泥岩受 力超出其承载能力, 易发生失稳破坏, 为避免失稳 破坏的发生, 应对巷道围岩进行加强支护。 2 基于采动对巷道围岩影响程度不同, 设计 锚索加强支护段和注浆锚索加固段, 测试结果分析 表明, 11123工作面的底抽巷围岩松动圈稳定在 1 300 mm左右, 属于中小松动圈, 为一般稳定围岩, 可以满足安全生产的要求。 3 受11123工作面采动影响后, 巷道围岩松动 圈有一个产生、 发育、 稳定的过程, 利用地质雷达对 巷道围岩松动圈测试, 并对测试结果进行分析, 可 对巷道围岩稳定性进行分类, 判别巷道支护设计方 案的有效性, 这可对煤矿的安全生产提供参考。 参考文献References [1] 陈秋南, 黄小城, 谢小鱼. 基于Hoek-Brown准则对围岩松动圈半径 的推导及改进[J]. 应用力学学报, 2015, 32 2 304-310, 357-358. 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