特厚煤層巷道泥巖頂板易發(fā)生冒頂機(jī)理研究

在道路開挖過程中，由于地下水和巖體的相互作用，圍巖承載能力的突變、圍巖變形的急劇增加，隧道頂板的風(fēng)險(xiǎn)增加，這主要是由水對(duì)道路圍巖的侵蝕和破壞以及保護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞引起的。這些問題嚴(yán)重影響了礦山的安全，大多數(shù)煤層屋頂存在不同程度的洪水問題。國內(nèi)外科學(xué)家從物理、化學(xué)和力學(xué)的角度研究了復(fù)雜水-巖界面的影響，并從宏觀和微觀角度研究了巖石對(duì)巖石的影響。一些科學(xué)家認(rèn)為，復(fù)雜水-巖化學(xué)作用對(duì)巖體的力學(xué)影響比簡單物理的影響更大。考慮到時(shí)間效應(yīng)的影響，有時(shí)比機(jī)械因素的損傷更嚴(yán)重。尤其是當(dāng)?shù)缆讽敳康膰鷰r是親水粘土?xí)r，一旦發(fā)生水，就很容易使頂板軟化、崩潰并發(fā)生頂板事故。針對(duì)神華寧煤梅花井礦112201工作面機(jī)巷頂板遇水后易于失穩(wěn)而發(fā)生垮冒事故的工程特性,選取在該地區(qū)具有代表性的巖樣,從微觀上對(duì)泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析和測(cè)試,并結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際情況,提出了具有針對(duì)性的控制思路與對(duì)策.現(xiàn)場實(shí)踐表明,巷道支護(hù)效果得到了顯著改善.1項(xiàng)目總結(jié)1.1層序地層格架112201運(yùn)輸平巷冒頂段煤層沿2-1煤掘進(jìn),2-1煤厚為1.2~1.5m,巷道頂板多為泥巖,泥質(zhì)膠結(jié),結(jié)構(gòu)疏松,易風(fēng)化,節(jié)理發(fā)育,抗水浸能力差,易軟化,強(qiáng)度低,屬易冒落的松散頂板.基本頂為侏羅系中統(tǒng)直羅組底部砂巖,巖性以粗砂巖為主,中砂巖次之.該層砂巖厚17.59~82.50m,平均42.94m,為影響112101工作面的主要含水層.底板主要為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖,泥質(zhì)膠結(jié),遇水易泥化.1.2頂板冒落位置.112201工作面運(yùn)輸平巷冒頂位置距運(yùn)輸巷開口處約140m處,該段巷道位于2-1煤中,其位置如圖1所示.112201工作面運(yùn)輸巷在2-1煤段頂板下沉嚴(yán)重,為防止頂板冒落在該段巷道內(nèi)已打上單體支柱,安裝單體支柱的巷道段的長度約為100m.但單體支柱支護(hù)強(qiáng)度和剛度不夠,安上單體支柱后不能有效的控制頂板的下沉,決定將單體柱子換成∏型鋼梁,到冒頂發(fā)生時(shí)已換上30多架鋼梁棚子.冒頂事故發(fā)生在即將換∏型鋼梁棚子段,冒落頂板推倒了幾架鋼梁棚子.沿巷道軸向頂板冒落的剖面見圖2.頂板冒落的長度約7.0m,冒高約3.2m.冒頂處巷道頂板支護(hù)參數(shù)為20mm×2200mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距700mm×900mm,沒有錨索.冒頂后頂板錨桿全部隨冒落的巖石落下,但頂板肩部錨桿(即與巖面垂直方向成15°角)沒有落下,冒落后的頂板巖面平整,錨桿沒有發(fā)現(xiàn)破斷現(xiàn)象.2道路頂板機(jī)分析2.1x射線衍射分析X射線衍射儀測(cè)試礦物組成成分的基本原理是根據(jù)X射線能透入結(jié)晶物質(zhì),并能在礦物晶面上發(fā)生衍射,再按Bragg公式計(jì)算其晶面間距及估計(jì)各線條強(qiáng)度,用以鑒定礦物組成成分,具有較高的準(zhǔn)確度,已被廣泛應(yīng)用.本實(shí)驗(yàn)采用的是中國礦業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心日本理學(xué)(Rigaku)公司生產(chǎn)的D/Max-3B型X射線衍射儀,泥巖組分分析X射線衍射圖譜見圖3.由圖3可以看出,在泥巖中黏土礦物占礦物總體成分的75%,石英占12.6%,長石占9.1%,菱鐵礦占1.3%,方解石占0.4%,白云石占0.2%,余量為其他成分.黏土礦物中主要為高嶺石(40.1%),其次為蒙脫石(16.7%),伊利石(7.1%),綠泥石(5.8%)和伊蒙混層(5.3%).高嶺石干燥時(shí)有吸水性(黏舌),遇潮后有可塑性,而蒙脫石吸水后體積急劇膨脹并成糊狀,水化后體積膨脹可超過50%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該泥巖黏土礦物成分較高,且含有較高的蒙脫石及伊蒙混層,親水性強(qiáng),吸水后具有一定的膨脹性.2.2頂泥巖的親水性為了掌握直接頂泥巖在水中浸泡崩解隨時(shí)間變化規(guī)律,開展了泥巖浸水崩解試驗(yàn),見圖4.結(jié)果表明,該直接頂泥巖遇水后呈現(xiàn)出崩解快速、強(qiáng)度弱化明顯,強(qiáng)吸水性等特點(diǎn),反應(yīng)了該泥巖孔隙率較高,親水性強(qiáng)等特點(diǎn).在經(jīng)水浸泡8min后即開始崩解,浸水8h后巖塊呈松散塊狀,強(qiáng)度已很小,用手可碎,具滑感,顆粒較細(xì).2.3煤系沉積巖巷道圍巖結(jié)構(gòu)及圍巖強(qiáng)度巖石是一種多礦物體,不同巖石所含礦物成分也不相同,因而也決定了其遇水后呈現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)變化上的差異.一般而言,巖石遇水后強(qiáng)度降低,這種現(xiàn)象被稱為水對(duì)巖石的軟化作用,沉積巖巖石浸水后強(qiáng)度降低可見表1.煤是沉積成因而成的天然礦物,其直接頂?shù)装宥酁槟鄮r、頁巖等沉積巖,由表1可知,沉積巖的軟化系數(shù)一般大于0.5,強(qiáng)度弱化現(xiàn)象明顯,這也是煤層巷道頂板遇水時(shí)圍巖穩(wěn)定難以控制的關(guān)鍵因素之一.康紅普通過對(duì)山東兗州礦區(qū)泥巖浸水后的全應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),當(dāng)巖石含水率增加時(shí),其抗壓強(qiáng)度及彈性模量顯著減少,巖石單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量與含水率基本呈線性關(guān)系,見圖5.由圖5可知,當(dāng)含水率由3%增加到6%時(shí),泥巖強(qiáng)度及彈性模量衰減約80%,強(qiáng)度及彈模隨含水率的增加大幅度下降.由于圍巖二次應(yīng)力的調(diào)整引起的巖體的變形及破壞,致使巖體含水率增加.對(duì)于該類泥巖巷道,如不及時(shí)對(duì)圍巖加固或支護(hù)強(qiáng)度不夠,巷道圍巖頂板易于失穩(wěn).2.4巷道圍巖變形量測(cè)試巷道圍巖遇水前后力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化,易于引起工程巖體的變形失穩(wěn),誘發(fā)工程事故的發(fā)生,而圍巖變形量是一個(gè)反映圍巖穩(wěn)定的綜合指標(biāo).借助FLAC2D4.0數(shù)值模擬軟件,利用其具有應(yīng)力-滲流耦合系統(tǒng),研究了巷道頂板在有水和無水影響下巷道的變形情況.2.4.1巷道圍巖模型幾何模型尺寸為50m×50m,劃分40000個(gè)網(wǎng)格.約束條件為左右邊界約束水平方向位移,底部約束垂直方向位移,頂部施加6.0MPa的面力代替上覆巖層的重力,采用摩爾-庫侖模型.模擬計(jì)算中巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2.2.4.2預(yù)處理頂板強(qiáng)度在受水影響和無水影響下巷道圍巖塑性區(qū)、垂直位移見圖6.未遇水時(shí),巷道頂板、底板和肩角深部的塑性區(qū)范圍、位移量小于遇水時(shí)的塑性區(qū)范圍.這與巷道開挖引起圍巖裂隙的不斷擴(kuò)展,地下水的浸入加劇了頂板的軟化,使得頂板圍巖強(qiáng)度降低密切相關(guān);同時(shí),對(duì)于采用錨桿支護(hù)的巷道來說,頂板圍巖在水的作用下,巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展發(fā)育,弱化了錨桿的著力基礎(chǔ),錨桿錨固效果下降,又促使塑性區(qū)發(fā)展和位移量的增大.在受水影響和無水影響下巷道圍巖位移量見圖7.巷道圍巖在未受水影響時(shí),頂?shù)装?、兩幫位移量分別為185mm和85mm,受水影響后增大到210mm和113mm,增加了13.5%和32.9%.巷道圍巖總體變形趨勢(shì)為頂?shù)装遄冃未笥趦蓭妥冃?其中頂板變形大于底鼓,左幫(斜矩形高幫)變形量大于右?guī)?低幫),而且在受到水的影響后頂板下沉量、底鼓量、左幫及右?guī)妥冃瘟烤胁煌潭鹊脑黾?2.5次應(yīng)力擾動(dòng)和巖體力學(xué)性質(zhì)下降,頂板支護(hù)受精于巖運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬綜合研究手段,研究分析認(rèn)為引起112201工作面機(jī)巷發(fā)生冒頂事故的機(jī)理在于:1)巷道直接頂泥巖具有較強(qiáng)吸水性和膨脹性,易于崩解.冒頂區(qū)頂板泥巖礦物成分定量分析結(jié)果表明其黏土礦物成分含量高達(dá)75.0%,且蒙脫石及伊蒙混層含量占22.0%,具有較強(qiáng)的吸水性和膨脹性.泥巖浸水8min后即發(fā)生崩解,至8h后崩解成十分松散的塊狀.2)二次應(yīng)力擾動(dòng)和巖體力學(xué)性質(zhì)的軟化.二次應(yīng)力的擾動(dòng)引起巷道頂板圍巖裂隙的發(fā)展發(fā)育引起其含水率的增加,隨著含水率的增加,泥巖強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),進(jìn)一步弱化了頂板圍巖強(qiáng)度.3)錨固結(jié)構(gòu)損傷.地下水還對(duì)樹脂藥卷具有弱化作用,降低錨桿的錨固力,腐蝕錨桿桿體,使錨桿既失去了穩(wěn)定的“承載基礎(chǔ)”,又弱化了預(yù)應(yīng)力傳遞介質(zhì)“巖體”,從而降低了錨桿的預(yù)應(yīng)力作用,錨桿支護(hù)效果降低.4)時(shí)間效應(yīng)的影響.流變是軟巖的特性之一,水-巖之間復(fù)雜的物理、化學(xué)作用會(huì)使巖體的力學(xué)效應(yīng)發(fā)生改變,而時(shí)間因素的影響會(huì)使巖體內(nèi)部的損傷更為嚴(yán)重.5)圍巖控制參數(shù)不合理.錨桿支護(hù)剛度和強(qiáng)度不夠,現(xiàn)場檢測(cè)表明,頂板錨桿預(yù)緊扭矩一般小于150N·m,頂板預(yù)緊力偏小,且沒有使用錨索,致使頂板巖層產(chǎn)生過大的應(yīng)力擴(kuò)容變形.同時(shí),針對(duì)頂板裂隙水浸蝕頂板,也沒有采取有效的保水、控水措施,導(dǎo)致頂板長期受頂板水的浸蝕作用,不斷加劇對(duì)巷道頂板的弱化作用.3支出和救濟(jì)措施及影響分析3.1巷道圍巖支護(hù)對(duì)策頂板遇水時(shí),巷道圍巖情況將變得異常復(fù)雜,通常的控制措施達(dá)不到支護(hù)要求.因此,實(shí)現(xiàn)頂板遇水時(shí)巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵在于對(duì)水的有效控制和合理的圍巖控制參數(shù).一方面通過合理支護(hù)降低頂板裂隙發(fā)育,阻斷水的滲透通道;另一方面在頂板巖層遇水時(shí),采用有效手段降低其含水量,以減少水對(duì)支護(hù)產(chǎn)生的負(fù)面影響,實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定.針對(duì)112201工作面機(jī)巷頂板巖層抗水浸、抗風(fēng)化能力差、遇水后會(huì)易膨脹、易崩解及失水后易風(fēng)化等特點(diǎn),為了對(duì)該類巷道圍巖進(jìn)行有效的控制,提出高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索網(wǎng)帶支護(hù)與對(duì)頂板巖層的有控疏水、合理保水等相結(jié)合的綜合圍巖控制支護(hù)對(duì)策:1)有控疏水.現(xiàn)場實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)基本頂富含水巖層裂隙較為發(fā)育且巷道頂板出水位置一般為巖層中弱結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn),這為人為有控疏水提供了可能.沿巷道走向布置泄水孔,泄水孔參數(shù)可以根據(jù)煤層頂板巖層的變化規(guī)律進(jìn)行確定,一般鉆孔直徑在75.0mm為宜,鉆孔深度以基本頂含水巖層中出現(xiàn)較大弱面為準(zhǔn).2)合理保水.合理保水包括全長或加長錨固技術(shù)、圍巖噴漿技術(shù)和注漿堵水技術(shù).錨桿、錨索的鉆孔成為含水層與泥巖之間的水流通道,采用加長錨固或全長錨固技術(shù)在一定程度上封堵鉆孔,有效減少頂板淋水、滴水,減少水對(duì)圍巖的損傷程度,同時(shí),提高了錨桿錨索支護(hù)強(qiáng)度;選擇合理時(shí)機(jī)封閉圍巖,可防止巷道圍巖在空氣中潮解、風(fēng)化和巷道圍巖內(nèi)部水的流失,改善施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境,噴漿厚度以30.0~50.0mm為宜;通過巖層內(nèi)部注漿封堵頂板巖層中的裂隙,減少含水層水的流失,提高錨固圍巖體的承載能力.3)高性能錨桿支護(hù)和礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù).高支護(hù)系統(tǒng)剛度和強(qiáng)度可以有效控制圍巖裂隙發(fā)展發(fā)育,特別對(duì)松散軟弱巖體的控制效果更加明顯,從而人為控制圍巖體的含水率.同時(shí),需要配合礦壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù),從巷道掘進(jìn)開始,對(duì)巷道圍巖變形和內(nèi)部裂隙發(fā)展發(fā)育規(guī)律、頂板水流動(dòng)特點(diǎn)以及錨桿、錨索受力狀況等進(jìn)行日常觀測(cè),并及時(shí)進(jìn)行總結(jié)和反饋現(xiàn)場觀測(cè)信息,為完善圍巖控制參數(shù)提供依據(jù).3.2錨桿錨索支護(hù)力學(xué)分析巷道發(fā)生冒頂后,及時(shí)調(diào)整了巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù),采用了有控疏水、合理保水與高性能錨桿、錨索支護(hù)相結(jié)合的綜合控制技術(shù)手段,有效控制了巷道圍巖變形,掘進(jìn)期間對(duì)巷道頂板深部位移和錨桿托錨力進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),如圖8所示.其中,錨桿為20mm×2500mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿,間排距800mm×800mm,錨索為17.8mm×6300mm鋼絞線.錨桿1初始托錨力為60kN,錨桿2初始托錨力為30kN,錨桿3初始托錨力40kN,錨索托錨力為242kN,錨索緊跟迎頭安裝.圖8a中,應(yīng)變?yōu)檎膮^(qū)域稱為拉張域,應(yīng)變?yōu)樨?fù)的區(qū)域稱為壓縮域,可以看出,巷道頂板圍巖中沒有出現(xiàn)較大的拉張域,而在頂板4.0~5.0m區(qū)域出現(xiàn)了壓縮域,說明頂板淺部圍巖錨固體為整體變形,而在錨固體與錨索之間的圍巖在錨索強(qiáng)支護(hù)阻力作用下處于壓縮狀態(tài),充分發(fā)揮了錨桿錨索協(xié)調(diào)支護(hù)作用.圖8b可知,在錨桿安裝后的前8d,錨桿托錨力變化較快,最大增阻達(dá)65kN,呈現(xiàn)出高增阻、快速承載的特性.錨桿1在8d以后,托錨力下降,由于該處錨索孔一直滲水,水巖相互作用使得淺部圍巖軟化、破碎,從金屬網(wǎng)處開始表層巖石掉塊、脫落,滲透到錨桿附近,是錨桿的托錨力逐漸減小的原因.而鉆孔沒有滲水的錨桿2和錨桿3受力隨著頂板圍巖的下沉不斷增加,充分發(fā)揮了錨桿的加固作用.錨索與錨桿實(shí)現(xiàn)了同步承載,在該類巷道中需充分發(fā)揮錨索的加固作用,實(shí)現(xiàn)錨桿錨索的協(xié)調(diào)支護(hù),錨索20d后受力減小,與錨索托板后圍巖松動(dòng)破壞有直接關(guān)系.同時(shí),從錨桿錨索受力變化曲線可以看出,錨索變化量小于錨桿2和錨桿3的變化量,說明巷道頂板支護(hù)中起主導(dǎo)作用和主要承載結(jié)構(gòu)是有錨桿組成的錨巖支護(hù)體,而錨索起到了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的作用.4頂板控制方案設(shè)計(jì)1