深井煤巷围岩力学特性及控制技术研究

深井煤巷围岩力学特性及控制技术研究

由于岩石较厚，深部巷道的填充屋顶之间存在许多厚度较低的薄岩石或煤炭线，变形不均匀，容易形成层压。然而，现场观察到，在高应力的作用下，一些复合屋顶（整个岩石的强度很低）下沉，导致道路不稳定形势，给矿山生产带来重大的经济损失和安全隐患。目前，关于深度-浅层复合顶板变形机制的科学研究主要集中在厚硬交替的小层之间，在切割和拉张力的作用下，它们主要变形或坍塌。在控制技术方面，主要使用支臂顶板技术，使用砂浆或支架技术共同维护顶板结构。事实上,有些巷道的复合顶板岩层的整体力学强度都比较低,即各子分层的强度都较低.此类顶板在高应力作用下,其变形量大、持续时间长,如采用普通的支护技术,甚至是锚杆与锚索联合支护也不能很好地控制较大范围的下沉,甚至直接导致巷道的失稳.由于对这种深井煤巷厚层复合顶板整体下沉原因及机理不明,引起锚杆、锚索等支护体不能完全发挥作用而随顶板岩层一起下沉的现象时有发生.因此,研究这种处于深部高应力作用下巷道的厚层复合软弱顶板的整体变形力学作用机理及控制技术是非常必要的.1变形特征及其影响道路稳定性1.1煤巷厚层复合顶板的力学性质针对江西曲江煤矿深部采准巷道(该巷道埋深于900m以下)进行了现场调查和分析,发现厚层复合顶板岩层具有如下结构特征:1)岩层厚度较大,但整体力学强度较低.目前,曲江煤矿的开采水平为-850m,埋深900m,煤层厚度2.6~3.0m,平均2.8m.直接位于煤层上面的复合顶板岩层,其厚度可达到9~11m,由砂质泥岩、泥岩和煤线等强度较低的岩层组成.2)整个顶板岩层中分布着众多的小分层,还包含有较多厚度在0~20mm的煤线.这些煤线小分层的存在相当于强度更低的夹层,进一步弱化了复合顶板的整体承载强度,若支护参数不合理,将会发生复合顶板变形不均匀、下沉量大,甚至破坏.3)由于复合岩层内部有较多的煤线夹层,各岩层之间的黏结力非常小,刚度和强度差异较大,导致变形不一致而易发生岩层脱落现象,在没有进行支护的情况下,应是从浅部开始破坏和垮落.除具有以上结构特征之外,深井煤巷厚层复合顶板在力学上还表现为如下特点:1)当顶板岩层处于稳定状态时,其完整性较好,呈现厚层顶板的力学特征,各分层变形步伐一致,整体形成一个组合梁的结构,此时,复合顶板的抗拉强度和承载能力都较高.2)当顶板岩层处于不稳定状态时,由各分层构成的复合顶板的完整性遭到破坏后,剧烈的水平变形和下沉使顶板分层迅速分解而破碎,并呈现类似散体的软岩力学特征,此时,顶板的承载能力大大降低.1.2复合顶板的稳定性1)整体下沉严重.现场调查发现,这种强度较低的顶板岩层变形可分以下2种情况:一是当顶板没有进行支护时,由于岩体本身软弱,自我承载能力较低而不能经受上覆岩层的压力,最终导致顶板岩层不断下沉、离层,甚至破坏.这种大变形是由表及内的,即先从表面开始,随着下沉位移和破坏程度的增大,较深处岩体也开始下沉和破坏.二是当进行了锚杆和锚索支护后,由于软弱岩层较厚,锚杆和锚索并没有充分发挥悬吊和拉伸作用,只是起到了组合梁的作用,在一定程度上提高了整个复合顶板的整体性和挠度,也提高了其自我承载能力.但是,从现场看到,即使进行了锚、网支护,顶板下沉也会非常明显的.从江西曲江煤矿深部煤巷可以很明显地看到这种现象(如图1所示),前期安装的锚索和锚杆支护结构整体随着顶板的变形而下沉,导致刚性支护结构槽钢被压弯,甚至扭曲.由此可见,深井厚层软弱复合顶板岩层即使进行了“锚杆(Φ22mm×2000mm)+锚索(Φ15.24mm×6300mm)+钢筋网”等支护技术,也会整体下沉,甚至破坏,仍然没有解决好大变形问题.2)变形时间长.这种复合性软弱顶板在复杂应力环境下,其突出的特点不但是整个顶板整体下沉量大、变形速度快,而且持续时间较长,多数可持续到半年以上仍不能稳定.对曲江煤矿的现场调查发现,307工作面风巷已掘1a多时间,其变形仍在继续,需要不断地拉底、扩帮和挑顶,才能保证巷道断面的正常使用.图2为现场巷道变形监测曲线,可知顶板下沉到212d时,其变形量已增加到1089mm,其变形速率仍保持在2.36mm/d左右.1.3顶、底板位移分析作为深井煤层厚层复合性软弱顶板岩层,在高应力和采动的作用下,它会产生严重的整体下沉,且持续时间长,这对整个巷道系统的稳定性非常不利.从现场观察到,处于此种条件下的巷道,其变形是整体性的,包括顶底板和两帮.例如:曲江煤矿-850m水平307工作面巷道开掘后的顶、底板移近量一般在1500mm左右;两帮移近量一般也可达到1800mm,这种大变形给安全生产造成了严重的影响.数值分析结果(图3)表明,当复合顶板整体下沉808.2mm时,帮部变形可达到930.8mm,底鼓可达到405.7mm.另外,随着顶板岩层的下沉,底板和两帮的变形也在不断增大,虽然这两种变形增量要小于顶板下沉增量,但整个断面的不断缩小对于整个巷道的稳定性极为不利(图3a).从位移失量也可以看出,当顶板产生下沉时,顶板中央的应力大部分向两帮煤体上方的岩层中转移,较高的应力会压碎实体煤帮,致使两帮煤体向外鼓出(图3b);此外,较高的应力也会转向底板,使底鼓变形较大,使整个巷道断面缩小,甚至破坏而失稳.2经过加固保护后，复合板岩的整体变形理2.1厚层复合顶板下沉机理由以上分析可知,处于深井厚层复合顶板煤巷即使进行了长锚索支护,其顶板也会产生整体下沉,并导致支护结构变形过大而失效.分析其原因,是由于锚索的整个有效锚固长度都处于复合顶板中,锚固端并没有深入到承载强度较高的岩层中,具体作用特点如图4所示.由图4可见,此时的锚索并没有起到悬吊和拉伸作用,起到的作用可能只有组合梁作用,即将厚层复合顶板的几个分层岩体进一步组合在一起,在一定程度提高了整个复合层顶板的抗弯曲能力,但此时,锚索锚固端(A点)和锚头(B点)的变形是同步的,锚索没有受拉而产生变形,或者受到很小的拉力和变形,使上覆岩层压力基本上由顶板承担,此时,锚固端没有起到承载作用.因此,在深部高应力作用下,加上自身岩层厚而重力较大的因素,使得自身力学强度低而承载能力有限的复合层顶板会产生整体下沉现象.为了进一步揭示顶板整体下沉机理,这里,可将锚索支护后的厚层复合顶板煤巷的变形与破坏分区表示为如图5a所示.当巷道开掘后,由于应力得到一部分释放,加上复合顶板厚度大,自身重力较大,在自身承载能力有限的情况下,顶板岩层,特别是巷道的中间部分岩体迅速下沉.下沉位移达到一定值时,首先巷道中央部分岩体裂缝迅速扩张,并破坏岩体的整体性,形成许多松散破碎的小岩块,当没有进行锚网支护时,该部分岩体就会垮落下来;而且在松散岩体的上方,顶板内部存在许多强度不一致的小分层,特别是其中有力学强度较低的煤线,因此,在随着下分层垮落和破碎的过程中,强度不一致的分层之间可能产生程度不一的离层现象,而且这些分层也会产生许多裂隙或裂缝;另外,在厚层复合顶板的深处,由于下沉位移相对较小,分层也不会产生离层现象,但会整体向下产生一定程度的弯曲.这种厚层复合顶板在高应力下不断地释放能量和应力,最终产生垮落、离层和弯曲等破坏与变形现象.因此,类似于采场上覆岩层的“三带”原理,可将煤巷上的厚层复合顶板岩层的变形区域划分为垮落层带、离层裂隙层带和弯曲层带,这里称之为“小三带”,其分布如图5所示.应该说,“小三带”的形成是导致这种力学强度较低的厚层复合顶板岩层整体下沉的直接原因.另外一个造成这种厚层复合顶板整体下沉和巷道破坏的主要原因是复合顶板力学强度低、应力高、两帮煤体破碎松散.即在高应力作用下,力学强度较低的复合顶板不断下沉,巷道上覆岩层应力也不断转向巷道的两肩顶处并作用于两帮煤体;同时,在较高的水平应力作用下,本来可以对顶板起到一定支撑作用的两帮煤体也在不断鼓出而变得松散破碎,直到失去承载能力.这种顶板下沉的过程也是压迫两帮煤体的过程,当煤体在受到来自顶板的压力和水平压力时,不断向巷道空间鼓出而失去承载能力,煤体的松散范围迅速扩大,这时,煤体对顶板起的支撑作用也迅速减小,甚至完全失去,这相当于加大了顶板的悬空跨度,进一步促使顶板向下运动,顶板的向下运动又会作用于两帮煤体而使较深处的煤体进一步变形而松散,这样就形成了一种“顶板-两帮”不稳定的循环作用系统.2.2煤柱-煤柱的巷道顶板无稳定支护的破坏机制对于沿空掘巷,实际上由于小煤柱已经处于屈服和破坏状态,呈松散结构,其对顶板的支承能力大大降低,导致顶板出现大范围下沉,如图5b所示.由于复合顶板的强度有限,下沉到一定程度时,最靠近巷道的分层首先破裂成小岩块,若没有进行锚网支护,这部分岩块就会垮落下来.和实体煤巷一样,煤巷上方的厚层复合顶板的变形区域也可以划分为垮落层带、离层裂隙层带和弯曲层带的“小三带”分布.但对于沿空掘巷,顶板变形的直接诱因是小煤柱的破坏,即在工作面开采后,由于高支承应力作用,小煤柱已处于屈服状态,甚至完全呈松散结构,这时,随着采空区顶板的垮落和煤柱被压坏,沿空掘巷顶板也产生较大程度的向下移动.在高应力作用下,顶板下沉也要会进一步压迫煤柱,若支护强度不大,则会使煤柱向巷道空间不断移动,这种不断移动的后果又进一步引起煤柱的压缩量增大,从而导致顶板进一步下沉,这样不断循环,同样形成了“顶板-小煤柱”的不稳定作用系统.3稳定原理和重要的控制技术3.1厚层复合顶板锚杆支护的选择中国矿业大学侯朝炯教授提出了“大、小结构”稳定原理,该理论认为大结构是指包括直接顶、老顶和作用在老顶上的载荷岩层;小结构是指巷道周围支护与围岩组成的锚固体.因此,支护目的就是尽快形成小结构,防止大结构产生失稳,即维护好顶板的整体性.而对于厚层复合顶板煤巷“大、小结构”的特点首先表现在锚杆的对象主要为顶板最浅处的岩层,即垮落层带或离层裂隙层带,只要将这部分岩层维护好,就可以保证较深处的弯曲层带岩层下沉变形小得多.因此,可将厚层复合顶板的垮落层带或离层裂隙层带岩层作为小结构的支护对象;而将较深处的弯曲层带作为大结构.支护的目的就是尽量对垮落层带和离层裂隙层带岩层进行支护,以便形成小结构,避免大结构产生较大的变形而失稳.而小结构的稳定性主要取决于顶板和两帮(或小煤柱)的稳定性以及锚杆和锚索的支护阻力和对围岩强度的强化程度.一般来讲,锚杆和锚索的锚固体的作用就是减小围岩强度弱化程度,即提高围岩的残余强度,它与锚固体的力学强度、支护密度和预紧力都有关.当然,锚杆和锚索支护成功的关键是锚固端必须布置在相对稳定的部位.3.2预应力大刚度桁架锚索复合顶板岩板力学模型根据受力特点,巷道顶板产生下沉的同时也是应力释放和转移的过程,首先表现为顶板压力不转移到巷道的两帮煤体上方,并会产生高应力集中现象,这种高应力集中现象会形成一种应力压缩区(如图6所示),即对该区域内的围岩应力压紧而形成一个较为稳定的区域.因此,可将锚固的关键点固定在这个应力压缩区域中.同样,底板的两帮煤体下方也存在两个压缩区,也可作为锚固的关键部位.为了控制厚层复合顶板的下沉,必须提高其支撑力.其支撑力主要来源于两方面:一方面是直接对顶板进行支护;另一方面是来自于两帮煤体或煤柱的支撑.故对于厚层复合顶板煤巷的控制,不但要对顶板进行合理的支护,而且还要对两帮(特别是沿空掘巷小煤柱)进行强化支护.这样既提高了两帮煤体的稳定性,又增大煤体的承载能力和支撑强度,进一步提高了顶板的稳定性.根据以上分析,针对深井厚层复合顶板的变形特点,提出以“预应力大刚度桁架锚索”为核心的综合控制技术,具体方案如图6所示.这种支护技术主要利用了顶板的大结构作用,通过锚索发挥力的传递作用将作用在顶板和两帮的压力传入顶板应力压缩区中,既提高了顶板的稳定性,又强化了两帮结构,起到了“固帮强顶”的支护作用.这种“固帮强顶”的支护作用首先体现在该技术能较好地改善锚固区内围岩的应力状态,可以降低锚固区内岩体(煤体)拉应力.从力学分析的角度来说,整体运动的复合顶板可以看作一个组合梁,由此,建立的力学模型如图7所示.由材料力学理论可得到桁架锚索锚固后复合顶板岩梁的中性轴计算公式为式中:σmy为复合顶板下端锚索的预紧拉应力,MPa;Iz为桁架锚索作用区内岩层的惯性矩,m·kg·s2;Mz为桁架锚索区内岩层的力矩,N·m;α为锚索的水平倾角,°,在复合顶板下端,由于锚索紧贴顶板,故α=0.根据梁的弯曲应力理论,可得到桁架锚索作用区内围岩拉应力σt为式中:Mh为桁架锚索支护时的弯矩,N·m;hx为计算点与横坐标的垂直距离,m,;M为采用普通锚索支护时该处的弯矩,N·m;Iy为桁架锚索支护时该处岩层的惯性矩,kg·m2;My为桁架锚索支护时该处岩层的力矩,N·m.式(1),(2)表明,采用预应力大刚度桁架锚索时比普通锚索支护时的锚固区围岩中性轴会下移,从而使锚固区内大部分围岩处于压应力状态,有效保证了锚固区内围岩的稳定性.此外,预应力大刚度桁架锚索综合技术的“固帮强顶”支护作用还体现在桁架锚索的力传递机理,即将锚索拉力直接传递到钢梁(槽钢)上,增大了受力面积(其力学模型如图7所示),亦即支护后的围岩(煤体)可认为是处于三轴应力状态中,由此,根据库仑-莫尔破坏准则可得到围岩(煤体)的极限强度为式中:c为围岩(煤体)的黏聚力,MPa;φ为围岩(煤体)的内摩擦角,°;σmytanβ为围岩(煤体)受到支护结构的侧向支撑应力,MPa;β为桁架锚索岩体端的水平倾角,°,其值一般为40°~50°.根据式(3)不难发现,桁架锚索的预应力σmy越大,围岩(煤体)受到的侧向支护应力σmytanβ越大,其抗压能力σct也越大.以上2种支护力学机理都起到了“固帮强顶”的作用,具有减少拉应力区域,增大压应力区域,进一步提高复合顶板和巷道两帮煤体承载能力的作用.另外,从数值分析结果也可以看出(图8),没有进行预应力桁架锚索支护的巷道,其围岩的应力分布在顶板两肩和底板两脚处较为集中,这种高应力集中现象会形成承载能力较高的压缩区域;而当进行预应力桁架锚索支护后,巷道围岩应力分布明显变得均匀,并且原垮落层带岩层的应力值比较适中,这说明复合层岩层的整体性较好,应力并没有得到全部释放,也就没有产生大变形而呈松散破碎结构.因此,依靠预应力桁架锚索支护技术,将应力压缩区作为关键锚固部位,尽快形成强度较高的小结构,充分发挥大结构的主要承载作用,对提高整个巷道的稳定性具有显著效果.4现场试验4.1顶板锚索、槽钢和槽钢的布置分别在丰城曲江煤矿的212工作面煤巷、601工作面煤巷和307工作面煤巷进行了以“预应力大刚度桁架锚索梁”为关键技术的锚网索支护试验.其中212工作面煤巷的具体支护方案如图9所示.具体支护参数如下:1)巷道顶板采用5根螺纹钢锚杆和3.2m长梯子梁、钢筋网的联合支护形式,锚杆规格为Φ22mm×2400mm;间排距为750mm×800mm.另外,在顶板每2排锚杆布置一套桁架锚索系统,钢绞线(9股)规格为Φ17.8mm×6300mm;锚索的间排距为2500mm×1600mm.2)巷道高帮采用5根螺纹钢锚杆和3.0m长梯子梁、菱形金属网的联合支护形式,锚杆规格为:Φ22mm×2400mm;间排距为700mm×800mm.另外,在巷道高帮每2排锚杆布置一套桁架锚索系统,钢绞线(9股)规格为Φ17.8mm×6300mm,锚索的间排距为2100mm×1600mm.3)巷道低帮采用4根螺纹钢锚杆和2.2m长梯子梁、菱形金属网的联合支护形式,锚杆规格为:Φ20mm×2400mm;间排距为700mm×800mm.另外,在巷道低帮每2排锚杆布置一套桁架锚索系统,钢绞线(9股)规格为Φ17.8mm×6300mm,锚索的间排距为1400mm×1600mm.4)锚索梁采用大刚度槽钢,顶板槽钢的尺寸为2700mm(长度)×200mm(宽度);高帮槽钢的尺寸为2300mm(长度)×200mm(宽度);低帮槽钢的尺寸为1600mm(长度)×200mm(宽度).综上所述,该技术的主要核心构件由大刚度槽钢、预应力锚索及锁器和连接套等组成.因此,称之为预应力大刚度桁架锚索梁支护技术.4.2预应力桁架锚杆支护煤巷的顶收敛量分别在212工作面煤巷、601工作面煤巷和307工作面煤巷进行了支护试验,在试验中为了证明支护效果,共进行了长达4个半月的现场监测,其中212工作面煤巷部分监测数据见图10.监测结果表明,进行预应力桁架锚杆支护后的煤巷明显好于原支护煤巷(原支护为锚杆和锚索联合支护),即经过112d的监测知,经预应力桁架锚杆支护后,煤巷的顶板底总收敛量为548mm,而原支护煤巷的顶板底总收敛量