特厚煤层综放工作面围岩稳定性研究

特厚煤层综放工作面围岩稳定性研究

目前，我国煤矿道路保护的重点类型超过软岩路面的10%。在软岩内布置巷道,巷道开挖后围岩变形速度快、持续时间长、变形量大、巷道易产生底鼓、稳定性差、极难维护。因此,软岩巷道支护问题成为煤矿安全生产亟待解决的难题。1项目总结1.1下统地层厚度郁山煤矿-220m水平轨道大巷为该矿北翼主要运输巷道,担负着郁山井田北翼采区煤炭回采时的通风、煤炭运输、行人运料的任务。该区揭露的含煤地层自上而下依次为二叠系上统上石盒子组,厚146.40～218.55m,平均厚193.95m;二叠系下统下石盒子组,厚271.45～292.27m,平均厚277.92m;二叠系下统山西组,厚73.14～102.84m,平均厚85.66m;石炭系上统太原组,厚24.46～35.74m,平均厚28.04m;石炭系上统本溪组,厚4.69～16.61m,平均厚8.46m。该轨道大巷为穿层巷道,穿过的岩层主要有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等,岩石强度低,遇水易软化,地层构造复杂。巷道原支护技术为锚杆+金属网+U型钢可缩性金属支架等联合支护的方式,断面形状为直墙半圆拱形,断面尺寸为3.4m×3.3m,净断面积12.8m2,锚杆间排距700mm×700mm,巷段部分地段采用锚索加强支护。1.2x射线衍射实验根据研究需要,在东翼运输大巷进行取样,采用日本理学(Rigaku)公司生产的D/Max-3B型Х射线衍射仪进行X射线衍射实验,衍射图谱见图1。X射线衍射结果分析:郁山煤矿岩样为一般常见矿物,样品主要成分是高岭石,有中等含量的石英、伊利石或伊蒙混层等矿物,含少量蒙脱石,具有一定的膨胀性。从以上分析结果可以得出,该巷道围岩岩性具有明显的软岩物理特征。2道路围岩变形破坏机分析1炭质泥岩地层巷道围岩强度低且层理发育,该轨道大巷为穿层巷道,穿过的岩层主要有泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等,岩石强度低,遇水易软化,地层构造复杂。根据围岩矿物组分实验室测定结果可知,围岩中矿物具有一定的膨胀性。由于围岩中主要矿物成分为高岭石,因此,围岩遇水易泥化崩解,使得围岩强度显著降低。尤其在巷道围岩为泥岩和炭质泥岩中,巷道变形最为严重。2巷道围岩受水侵蚀严重,形成导水通道,加剧了巷道围岩力学性质的恶化由于东大巷涌水量较大,巷道围岩层理裂隙较发育而形成导水通道,同时围岩中含有大量亲水性矿物,使得巷道围岩受水的侵蚀泥化、崩解、膨胀现象严重,从而进一步加剧了巷道围岩力学性质的恶化。3锚杆支护失效东大巷原支护采用锚网棚支护,围岩变形破坏后采用U型钢可缩性支架架棚支护。由于巷道围岩软弱,层理裂隙发育,受到采动影响后,围岩塑性区范围大,锚杆的锚固段受到破坏,锚固力降低,从而导致锚杆支护失效;受到水的影响后,围岩变形进一步加大。采用U型钢棚支护后,不重视壁后充填,使得U型钢棚受力不均,在局部受到集中载荷作用下,支架承载能力大幅度降低,不能有效控制围岩的破坏变形。由于未能有效维护巷道底板,巷道两帮和两底角应力集中程度大,引起巷道底板鼓起,两帮角严重内移,又进一步降低了U型钢支架的承载能力。3u型钢支护对围岩的强化根据上述对该巷道破坏机理分析,提出了巷道修复方案:1)适当刷大巷道断面,预留变形量。2)初喷及时封闭围岩,提高围岩的表面强度并消除环境效应对围岩强度的影响。3)背网架设马蹄形U型钢可缩性支架优化巷道断面,并有控制地释放围岩中的变形能。4)采用锚注技术实施金属支架壁后充填,并对围岩内部和表面的裂隙进行充填,提高围岩自身承载结构的整体性,改善支架的受力状态。5)实施锚索梁对巷道关键部位进行加固,从根本上控制巷道的流变变形,维护巷道的长期稳定性。4修复方案的实施4.1凝土密贴封闭围岩巷道断面形状设计为马蹄形,断面设计净宽4.6m,净高3.8m,断面扩刷后喷射混凝土密贴封闭围岩。混凝土强度为C20、浆液配比水泥∶砂∶石子∶水=1∶2∶2∶0.6,喷浆前先清理围岩表面,然后再进行喷浆作业。马蹄形棚各段弧首尾连接,受力结构合理,能有效地将围岩的残余应力分解传递到其自身的承载结构中,易于保持棚子均衡受力和巷道稳定。4.2支出参数4.2.1卡缆安装及连接巷道支护采用29U大刚度马蹄形全封闭金属支架,每棚支架由4部分搭接而成,每节之间搭接500mm,搭接处用2副卡缆固定。卡缆采用双槽板卡缆,槽板厚23mm、卡缆螺杆为M27。架设棚距为650mm,支架间用6个拉杆连接,分别位于架顶、架肩、底梁腿连接处、底梁中间。每棚的顶帮用d6mm钢筋制成的钢筋网背严,钢筋网规格为2000mm×800mm,网格规格为70mm×70mm。全封闭马蹄形29U型钢支架加工图见图2。4.2.2锚索锚固结构对巷道底板进行开挖,使其形成反拱结构。反拱半径为3101mm,反拱最大深度为1200mm。底板反拱浇注混凝土,浇注800mm后,再采用2根锚索进行锚注支护。锚索规格为钢绞线规格d1530mm×6300mm,眼深6m,排距1.5m。注浆锚杆先注浆,锚杆d15mm,长800mm;封孔可采用空心水泥卷或树脂药卷密实,封孔深度0.8m。注浆最大压力为2.5MPa。待张拉完毕,混凝土回填400mm(反拱最大深度)并留设水沟。4.2.3锚索梁及支护方案1)巷道注浆采用长短孔交替循环注浆,注浆孔排距700mm。长孔深为3500mm,短孔深度为1000mm。注浆顺序为:先注短孔,后注长孔,先下后上,先底脚、后两帮、再肩窝、最后注正顶,注浆液为标号525的硫铝酸盐快硬水泥,水灰比0.85～1.0。长短孔分别采用长度为3000mm和800mm的注浆锚杆进行注浆,注浆压力为1～1.5MPa,成品巷道坚持洒水养护14d。2)浆液凝固达到锚固力设计要求后,巷道采用锚索梁加强支护,见图3所示。巷道两帮分别采用2道(排)走向锚索梁加强支护,顶部1道(排)。巷道两侧下帮锚索向下30°～45°布置,上帮锚索向上斜10°～15°布置。两帮锚索间距1100mm,最下1根锚索距离底板600mm布置,排距1000mm,帮锚索排间用矿用工字钢连接。11号矿用工字钢,长度2000mm,眼距1000mm,每副锚索梁工字钢压4副U棚。钢绞线规格d17.8mm×7300mm,眼深7m,排距1m,每孔采用7节树脂药卷加长锚固。使用锚杆测力计MS15-230/55张拉器测量每根锚索,读数不得小于22.6MPa。5围岩变形速度北翼轨道大巷修复巷道长165m,共布置3个测站,测站间隔50m。该巷道从2011年12月15日起进行矿压观测,共进行了5个月的矿压观测。该巷道3号测站的围岩观测结果见图4,图5。从图4,5可知,该巷道在扩巷掘进后7天内变形速度和两帮移近速度较大,在30天以内巷道两帮相对移近速度和顶板下沉速度减缓,巷道表面位移表现为缓慢增加;30天以后,围岩处于稳定状态总体上,巷道顶板下沉量和两帮移近量都比较小,顶板最大下沉量为260mm,两帮最大移近量为300mm。这说明该巷道围岩已趋于稳定,提出的混凝土反拱+锚索锚注+马蹄形全封闭金属支架联合支护的修复方案是可行的、有效的。6巷道支护方式确定在该矿区-220m三水平轨道大巷修复中采用混