富碱性水弱胶结软岩巷道围岩控制技术研究.pdf
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1、58Vol.55,No.8COALENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308011富碱性水弱胶结软岩巷道围岩控制技术研究宋刚(中煤天津设计工程有限责任公司,天津300131)摘要:针对碱水环境下大南湖七号煤矿弱胶结软岩巷道大变形问题,综合采用现场实测与数值计算等手段,研究了碱水侵蚀下弱胶结软岩巷道围岩变形机制,分析了不同支护参数下巷道围岩塑性区演化及锚杆(索)承载特性,提出了弱胶结软岩巷道最佳支护方案。结果表明:现有支护参数下,巷道整体移近量及锚杆索受力均呈现先急剧增大后缓慢增大趋势,且2.0 m内顶板裂隙较为发育;富碱性水弱胶结软岩巷道具有初期变形
2、快、浅部离层大的变形特点,应采取及时支护措施;锚杆、锚索排距是巷道围岩变形与锚杆、索载荷值的主控因素;提出并验证了锚杆预应力50 kN、锚固长度1.5m、锚杆排距7 50 mm、锚索排距150 0 mm的支护方案,实现了巷道长时稳定。关键词:富碱性水;弱胶结软岩;巷道;围岩变形;控制技术中图分类号:TD823.4文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 0 58-0 5Roadway surrounding rock control technology of weakly cemented soft rockwith with rich alkaline
3、waterSONG Gang(China Coal Tianjin Design Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300131,China)Abstract:In view of the large deformation of weakly cemented soft rock roadway in Dananhu No.7 Coal Mine under alkalinewater environment,the deformation mechanism of weakly cemented soft rock roadway surrounding rock
4、under alkaline watererosion was studied by means of field measurement and numerical calculation,the evolution of plastic zone of roadwaysurrounding rock under different support parameters and the bearing characteristics of bolts and cables were analyzed,and theoptimal support scheme was proposed.The
5、 results show that under the existing support parameters,the overall roadwayconvergence and the stress on the bolts and cables tend to increase sharply first and then slowly,and the fissure on the roof isdeveloped within 2.O m;the roadway deforms rapidly in the initial mining,and bed separation is o
6、bvious in the shallow part,which requires timely support measures;spacing of the bolts and cables is the main control factor for the deformation of thesurrounding rock and the load on them;with the proposed scheme the long-time roadway stability is maintained,in which thebolt pre-stress is 50 N,the
7、bolting length is 1.5 m,bolt spacing is 750 mm and cable spacing is 1500 mm.Keywords:alkaline water;weakly cemented soft rock;roadway;surrounding rock deformation;control technology成岩年代晚、胶结程度低的侏罗纪和白垩纪煤系地层广泛分布于我国新疆地区,该类地层岩石具有“松、软、弱”等特点,遇水时极易软化、泥化甚至崩解1.2 。软岩巷道顶板下沉剧烈、两帮收缩严重及底板底鼓明显等现象突出,为巷道围岩稳定性控制带来巨大挑战
8、3。同时,富含OH及其他矿物离子(催化剂)的碱水环境导致水岩作用更为强烈,岩层劣化程度更大,巷道围岩变形破坏特征及支护参数难以确定4围绕弱胶结地层巷道围岩控制方面,不同学者提出了各种各样的支护策略。李学彬、马斌等5,6 基于弱胶结岩层自身特点,提出巷道围岩注浆改性加固技术;孟庆斌等7 对比分析了不同断面形式的弱胶结软岩承载特性;杜明启、王襄禹等8.9 提出锚杆(网)索联合支护为手段的让抗支护技术。巷道围岩稳定性控制和应力环境相关性较大10 。围绕富水环境下巷道支护方面,主要聚焦于中性水和酸性水条件下围岩控制,12 :陈康等13 提出富水弱胶结顶板收稿日期:2 0 2 2-10-19作者简介:宋
9、刚(198 2 一),男,山东青州人,高级工程师,从事矿井设计与技术质量管理工作,E-mail:47 10 0 38 7 q q.c o m。引用格式:宋刚富碱性水弱胶结软岩巷道围岩控制技术研究J煤炭工程,2 0 2 3,55(8):58-6 2.59灰2023年第8 期程煤施工技术断面、锚固形式与锚固力复合优化技术;范育青等14 提出了基于弱胶结岩石微观结构、宏观力学特性与变形特征的支护策略;许兴亮、李刚、宋艳清等15-17 提出了以阻断泥化或较少侵蚀为核心的富水软岩巷道围岩控制手段;朱先龙、张俊敏等18,19 提出了多层次、多方位顶板全锚索富水巷道支护技术。以上研究丰富了富水弱胶结顶板支护
10、理论与技术的发展,但针对富碱性水弱胶结软岩巷道围岩控制技术研究较少。基于此,本文以新疆大南湖七号煤矿11701工作面回风巷为例,现场实测了碱性水侵蚀下弱胶结围岩变形破坏特征,数值优化了巷道支护参数并进行了工业性实践。1工程概况大南湖七号煤矿弱胶结软岩主要成岩于侏罗系、白垩系及新近系,7#煤层平均厚度为14.48 m,顶板含水层为碱性水(pH为7.1 11.9)。117 0 1工作面位于大南湖七号煤矿一分区南端,回风巷走向长度为2 36 8 m,巷道断面形状为矩形,沿煤层底板掘进,巷道尺寸为50 0 0 mm3000mm,经现场淋水测试确定117 0 1工作面回风巷淋水区域pH平均值为9,为中等
11、碱性强度。2弱胶结软岩巷道围岩变形破坏特征2.1围岩变形与锚杆(索)承载特征为了掌握现有支护参数下受富碱水侵蚀的117 0 1工作面回风巷道弱胶结围岩变形特征,在巷道迎头两帮及顶板位置安装锚杆、索测力计,连续采集锚杆、索轴向载荷;采用红外测距仪对巷道顶底板及两帮移近量进行测定;同时于滞后迎头10 m位置处进行顶板钻孔窥视以确定巷道顶板破碎程度。11701工作面回风巷掘进过程中围岩变形及锚杆(索)受力如图1所示。随着掘进工作面向前推进,巷道围岩位移及锚杆、索受力均呈现先急剧增大,后缓慢增加趋势。其中,围岩位移速率拐点分别为滞后掘进迎头30,8 0 m。顶板最大下沉量为137 mm、两帮最大移近量
12、为116.5mm、最大底鼓量为34mm,根据掘进速度换算可得最大变形速率为2 7.5mm/d。顶板锚杆载荷稍大于帮部锚杆,锚杆、锚索的最大轴向载荷分别为119.0,2 59.3kN。此时锚索承载值已超过屈服载荷(2 52 kN),处于屈服拉伸阶段,已无法完全承载巷道围岩;锚杆虽具有一定的承载空间,但富余量较小,待锚索局部失效后基本无法承载,可能诱发冒顶事故。160r一一两帮变形量一一顶板变形量120一底鼓值80上4000204060 80100120140距掘进工作面距离/m(a)围岩位移量曲线3025一两帮锚杆20顶板锚杆一-顶板锚索151091-9090-2051I-9012-9097-9
13、0 10-L01I-LO91-20日期(b)锚杆(索)受力曲线图1巷道围岩变形与锚杆(索)承载钻孔窥视结果如图2 所示,由于富碱水环境巷道围岩具有胶结性差、强度低等特点,巷道顶板上方浅部围岩,特别是2.0 m以下位置,整体出现了明显的离层与横向、纵向裂隙,具有整体垮冒致灾危险。锚杆承载力较大且浅部围岩离层明显,这与支护时机相关性较大,富碱水弱胶结软岩应采取及时支护措施,避免软岩前期过早变形,影响巷道围岩完整性。现有支护参数下,巷道整体移近量及锚杆索受力均呈现先急剧增大后缓慢增大趋势,且浅部离层现象明显。因此,呕需对117 0 1工作面回风巷支护设计进行优化改进,提高围岩变形的控制能力,避免矿井
14、灾害的发生。52#(a)0.5 m深度(b)1.0 m深度(c)1.5 m深度(d)2.0 m深度图2围岩钻孔窥视结果2.2弱胶结软岩变形破坏规律为进一步分析富碱水侵蚀下弱胶结围岩变形特征,归纳弱胶结软岩变形破坏规律,采用FLAC3D数值模拟计算方法对碱水条件及无支护条件下巷道围岩变形进行反演分析。确定巷道围岩不同深度位移、塑性区发育随计算时步的关联性,揭示碱性水环境下弱胶结软岩巷道的变形破坏机理为考虑碱性水对弱胶结围岩力学特性的影响,采用FISH语言对围岩力学参数进行修正,具体参数见602023年第8 期施工程二技术炭煤参考文献2 0 。以117 0 1工作面实际钻孔资料和工程地质情况为基础
15、,建立40 0 m(长)8 0 m(宽)95m(高)的Mohr-Coulomb本构模型,模型底部采用固定约束边界,四周为辊支撑(水平方向固定,垂直方向自由),上表面按上覆岩层自重施加均布载荷。数值计算确定不同围岩深度与不同运算时步下围岩位移与塑性区变化规律如图3所示。在模型运行初期(前2 0 0 0 步),巷道顶板下沉量与两帮移近量分别达到总移近量的6 2%、6 3%。同时,距巷道表面深度7 m以上围岩移近量占总移近量的98%,如图3(a)所示。以上表明现场实际生产过程中,顶板及两帮初期变形量较大,且深部围岩初期、末期变形量差别不大。从巷道表面至深部0.5,1.0,1.5,2.0,2.5m,顶
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