特厚煤层综放面软岩巷道支护变形相似模拟研究

特厚煤层综放面软岩巷道支护变形相似模拟研究

此外，跨采区的连续提升不仅不需要留下保护立柱，更少的开挖和切割，还节省了设备的移动时间和成本。然而，由于采空的影响和影响较小，传统的提升维护技术很少，但受到强烈的采空的影响后，道路维护变得困难，难以使用。例如，自采矿1304-1井以来，波甸-北翼煤矿的开采区域一直位于1304-1号断面。下井的岩石主要为泥岩，岩石性质较差，裂缝发育。因此，在动压的作用下，轨道大、皮条和主要岩石集中道路受到严重破坏。到目前为止，一些地区已经修复了4.5次。在修复过程中，采用马蹄形29u钢支撑仍损坏底鼓和框架。因此，对提高矿山安全生产和采矿效率具有重要意义。1深灰色粉砂岩鲍店煤矿北翼采区轨道石门、皮带石门、轨道大巷、皮带大巷及主要岩石集中巷,主要位于3煤底板太原组灰黑色泥岩至五灰之间的地层中,与3煤底板的距离约45m左右,巷道埋深在410～430m之间.其间的主要岩层有灰黑色泥岩、深灰色粉砂岩、浅灰色铝质泥岩,局部含三灰和薄煤层等,它们的物理、化学及力学性质有以下特点:1)泥岩、粉砂质泥岩及粉砂岩中的主要粘土矿物成分为高岭石、伊利石及伊蒙混层矿物.泥岩中伊蒙混层含量最大,其力学性质和工程特性也最差.2)泥岩、粉砂质泥岩及粉砂岩的结构特征基本上属于紊流状或层状结构,宏观表现为干燥状态下岩块有一定强度,各向异性比较明显.但岩石中含有许多尺寸不一的微裂隙、微孔隙,这些微观缺陷的存在不但削弱了岩石的强度,同时使得水分子极易渗入到岩石内部,削弱岩石颗粒间的粘结力,从而引起岩石膨胀、软化、崩解.3)泥岩遇水后膨胀性不大,破坏方式主要是崩解与碎裂.但由于水的存在,使得泥岩的软化系数达0.24～0.10,而抗拉强度更是大幅度降低.2支护形式模拟试验.为了确定跨采软岩巷道合理、有效的加固支护形式,在中国矿业大学岩层控制实验室进行了相似材料模拟试验.试验旨在通过对同一围岩和外部条件的巷道在不同支护形式及加固后的变形情况的对比,确定出合理、有效的加固支护形式.实验在长×宽×高=3200mm×400mm×1850mm的平面应变相似模拟试验台上进行,外载采用液压稳压器伺服控制的千斤顶实施.2.1模拟道路及其维护特点2.1.1巷道围岩密度模型几何相似比为1∶30,模型布置如图1所示.巷道围岩的平均密度γ=2.5g/cm3;巷道埋深H=420m;巷道为半圆拱形,宽×高=4400mm×3700mm.模拟试验有关参数见表1.2.1.2模拟锚杆支护模拟巷道原支护形式有锚网喷支护、料石碹支护和U型钢半圆拱支护,巷道加固为锚杆加注浆.模型设计支护方案(模型1～5)为:1)锚网喷支护;2)在锚网喷支护的基础上锚注;3)料石碹支护加锚注;4)U型钢半圆拱支护;5)在U型钢半圆拱支护的基础上进行锚注.a.模拟锚杆采用ue001φ1.5mm,拉断力为55N的铝丝模拟ue001φ22mm的无缝管注浆锚杆;采用ue001φ1.8mm,拉断力为65N的铝丝模拟ue001φ16mm的螺纹钢锚杆.两种模拟锚杆的受力与拉伸特性如图2所示.b.注浆压力试验中注浆压力为40～50kPa,相当于实际注浆压力为2.0～3.0MPa.c.料石碹支护实际料石碹支护的厚度为250mm,材料为石灰岩,试验中选用的模拟材料为石膏,按水膏比=1∶1配制,预制厚度为8mm.d.U型钢半圆拱支护试验中采用薄铁皮制作而成,支架排距为26.7mm,相对应的实际支架排距为800mm.2.2模型加载与集中首先按设计要求铺好模型,干燥20d后开挖巷道,然后打锚杆.锚杆排距为800mm,巷道断面上布置17根锚杆,其中帮上各3根,半圆拱上9根,巷道底角各1根.打好锚杆后铺网喷浆,喷层厚度为3mm,喷层材料为石膏加碳酸钙与水配制而成.继续干燥3d后开始加载,加载时首先在竖直方向上加载到原始应力水平(模型值为0.227MPa),水平应力为竖直方向的三分之一,以确保水平边界条件.初始加载后进行注浆,并凝固3d.而后对模型施加集中应力以模拟因开采引起的应力集中.试验中根据实际巷道的变形量确定开采引起的应力集中系数为3.1左右.加载步骤为:第一步加载至原始应力状态,应力水平为0.227MPa;第二步模拟开采引起的应力集中,如图3所示,峰值从右边的第一个千斤顶开始依次向前推进,峰值应力为0.704MPa.每加载一次,过0.5h后测量巷道变形,包括两帮相对位移和顶底板相对位移,直至整个加载过程完成.3结果与分析3.1巷道支护方式对采时动压的影响图4为模型1——普通锚喷网支护(未注浆)的变形破坏情况.模型2～5的围岩条件及跨采时动压的影响程度均与模型1相同,而巷道支护方式分别为锚网喷加锚注支护、料石碹加锚注支护、U型钢半圆拱支护、U型钢半圆拱加锚注支护.模型2～5模拟巷道的破坏情况如图5所示;模型1～5模拟巷道的顶底相对位移、两帮相对位移和底臌量见表2和图6.3.2锚网喷支护后巷道力学性状的变化从加载过程中巷道的变形曲线(图6)可以看出,不受采动影响即处于原始应力水平时,不同支护形式的巷道变形情况差别不大.但受跨采影响时,不同支扩与加固巷道的变形量相差较大,没有进行锚注加固的巷道变形量远远大于加固处理后的巷道,最大相差达10倍以上,底鼓现象尤其突出.采用U型钢支架支护时,由于其支护的被动性,在达到一定工作阻力前,围岩已经产生了较大的位移,支架已经产生了较大变形.当受到跨采的影响时,支架因变形而产生局部应力集中,使得支架首先发生局部破坏,承载条件进一步恶化,承载能力不断下降,最后导致支护失效.锚网喷支护虽然实现了对岩体的主动支护,但在受跨采影响的软岩巷道中,围岩力学性能逐渐弱化,使得锚杆失去了可靠的着力基础,因而不能发挥锚杆应有的作用.由表2和图5,6可以看出,采取锚注加固后,由于围岩得到加固,巷道在经历跨采动压影响后仍然保持完好状态.这说明在锚喷支护、金属支架支护和料石碹支护的基础上进行注浆,将松散破碎的围岩胶结成整体,裂隙因注浆充填而阻止了水对岩体的侵蚀,从而提高了岩体的粘聚力、内摩擦角及弹性模量,使岩体强度显著提高.利用注浆锚杆注浆充填围岩裂隙,再配合金属网和喷浆封闭围岩,能形成一个多层组合拱(即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱及浆液扩散加固拱),从而扩大了支护结构的有效承载范围,提高了支护结构的整体性和承载能力.此外,注浆后使得作用在拱顶上的压力能有效地传递到两帮,通过对两帮的加固,又能把荷载传递到底板.由于组合拱厚度加大,能减小作用在底板上的荷载,从而减小底板岩石中的应力和底板塑性变形,加之底角锚杆的作用,使底鼓减小.而底板的稳定有助于两帮的稳定,底板和两帮的稳定又为拱顶的稳定创造了有利条件.因此,注浆支护(加固)的重要作用之一是保证两帮与底板的稳定,从而保证整个支护结构的稳定.上述试验结果已应用于鲍店煤矿,尽管该矿北翼采区采用综采放顶煤采煤法,动压影响较大,但对跨采巷道在原支护基础上采取锚注加固措施后,跨采5个月后巷道加固段断面收缩率不超过9%.4锚注加固的效果1)首次采用物理模型模拟受跨采影响的软岩巷道支护,试验研究成果成功地应