陳四樓礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】
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專
題
部
分
高應(yīng)力大變形巷道卸壓機(jī)理及技術(shù)現(xiàn)狀
【摘 要】隨著礦山地下開采深度的增加,地壓?jiǎn)栴}對(duì)開采的影響也日趨嚴(yán)重。維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定性是開采能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。理論分析和工程實(shí)踐表明,在高應(yīng)力區(qū)或受采動(dòng)應(yīng)力影響嚴(yán)重的區(qū)域,可以采用卸壓支護(hù)的方式來維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。因此,可以采用卸壓開采的方式來降低開采區(qū)域的應(yīng)力,并根據(jù)卸壓后應(yīng)力降低程度選擇合理的支護(hù)形式和參數(shù),從而通過卸壓支護(hù)達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定性的目的?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明,采用卸壓支護(hù)技術(shù)可以有效協(xié)調(diào)巷道周圍巖體的變形,達(dá)到維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】 巷道；高應(yīng)力;大變形; 卸壓 ;技術(shù)
1.卸壓支護(hù)現(xiàn)狀
1.1 卸壓支護(hù)原理
卸壓支護(hù)是指卸壓與支護(hù)相配合的巷道維護(hù)方法。卸壓指卸壓開采,是運(yùn)用應(yīng)力轉(zhuǎn)移原理將回采區(qū)的高應(yīng)力通過一定的卸壓措施轉(zhuǎn)移到四周,使區(qū)內(nèi)應(yīng)力降低,改善礦巖體的應(yīng)力分布狀態(tài),控制由于多次采動(dòng)影響而造成的應(yīng)力增高帶相互重疊的程度,以實(shí)現(xiàn)順利開采。卸壓開采技術(shù)主要分垂直卸壓和水平卸壓工藝。垂直卸壓是將回采區(qū)上部覆巖壓力部分或全部轉(zhuǎn)移到四周,從而使壓力拱下的開采工程只承受礦巖自身重力,應(yīng)力值顯著降低而變得易于開采。水平卸壓是將作用于開采礦體上的水平應(yīng)力隔絕,形成水平應(yīng)力降低區(qū),以減小水平應(yīng)力對(duì)采礦工程和人員的危害。目前國(guó)內(nèi)外常用的卸壓方法主要有:
① 巷道圍巖中開槽、切縫、鉆孔或松動(dòng)放炮;
② 在受保護(hù)巷道附近開掘?qū)Ｓ玫男秹合锏?
③ 從開采上進(jìn)行卸壓或?qū)⑾锏啦贾迷趹?yīng)力降低區(qū)內(nèi)。
對(duì)于這3種卸壓方式,可以簡(jiǎn)單稱為周邊卸壓、巷道卸壓和開采卸壓。
卸壓開采并不是通過開采來降低回采區(qū)域的壓力,而是通過卸壓分段的回采來改變巖體應(yīng)力的區(qū)域分布特征和規(guī)律,形成新的應(yīng)力分布狀態(tài),即形成應(yīng)力降低區(qū)域和應(yīng)力升高區(qū)域。根據(jù)回采引起的巖體應(yīng)力變化規(guī)律和分布特征,通過合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇和采場(chǎng)結(jié)構(gòu)布置,使得卸壓分段回采后其下分段回采工程處于應(yīng)力降低區(qū)域,從而保證下分段回采工程的穩(wěn)定性。而無底柱分段崩落法卸壓開采技術(shù)主要包括2方面。其一是卸壓,即通過卸壓分段的回采,在下分段形成一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)域;其二是開采,開采即包括卸壓分段的回采,也包括卸壓分段以下分段的回采。
因此,卸壓支護(hù)即首先根據(jù)卸壓開采原理進(jìn)行卸壓開采,形成應(yīng)力降低區(qū)域并將主要工程布置在應(yīng)力降低區(qū),或通過卸壓開采將主要工程區(qū)域的應(yīng)力降低,之后根據(jù)卸壓方式及效果,選擇合理的支護(hù)方式和參數(shù),從而達(dá)到共同維護(hù)巷道穩(wěn)定性的目的。
1.2 卸壓與支護(hù)關(guān)系分析
為了研究卸壓與支護(hù)之間的關(guān)系以及對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響,本研究根據(jù)卸壓開采和不卸壓開采時(shí)巖體應(yīng)力場(chǎng)的變化情況,設(shè)計(jì)了不同的數(shù)值計(jì)算方案,分析錨桿支護(hù)機(jī)理以及錨桿支護(hù)參數(shù)與卸壓開采之間的關(guān)系,為錨桿支護(hù)參數(shù)的選取及確定提供相應(yīng)的理論依據(jù)。設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)數(shù)值計(jì)算方案見表1。
不同計(jì)算條件下的最大下降位移、測(cè)點(diǎn)最大位移以及錨桿最大軸力見表2。從表2可以看出,在相同應(yīng)力條件下,不同錨桿支護(hù)參數(shù)下的巷道變形量相差較小。這表明錨桿支護(hù)并不能有效控制巷道頂板圍巖的變形程度,也就是說,以錨桿支護(hù)為主的巷道支護(hù)手段,并不能有效地控制巷道的變形,其對(duì)巷道的支護(hù)作用不在于對(duì)巷道變形的控制,而在于協(xié)調(diào)巷道周圍巖體的變形。
表1 錨桿支護(hù)數(shù)值計(jì)算方案 m
開采方式
不支護(hù)
支護(hù)
卸 壓
0.6×0.6
0.8×0.8
0.6×0.6
0.8×0.8
0.6×0.6
0.8×0.8
不卸壓
0.6×0.6
0.8×0.8
0.6×0.6
0.8×0.8
0.6×0.6
0.8×0.8
表2 不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比
計(jì)算項(xiàng)目
不 卸 壓
卸 壓
0.6×0.6
0.8×0.8
1.0×1.0
不支護(hù)
0.6×0.6
0.8×0.8
1.0×1.0
不支護(hù)
最大下降位移/mm
3.780
4.150
4.180
4.120
2.480
2.710
2.730
2.740
拱頂測(cè)點(diǎn)/mm
3.120
3.231
3.290
3.701
2.073
2.155
2.195
2.469
拱角測(cè)點(diǎn)/mm
2.376
2.335
2.518
2.695
1.586
1.556
1.691
1.800
兩幫測(cè)點(diǎn)/mm
1.214
1.238
1.319
1.397
0.785
0.808
0.871
0.923
最大軸力/MPa
3.564
3.785
4.779
-
2.605
2.725
3.540
-
雖然錨桿支護(hù)不能有效控制巷道頂板的圍巖變形,但是對(duì)于改善頂板部位的圍巖應(yīng)力狀態(tài)卻有著明顯的效果,如圖1和圖2。在相同的應(yīng)力條件下,不支護(hù)時(shí)巷道拱頂部位的垂向應(yīng)力降低范圍和降低幅度最大,在采用不同錨桿支護(hù)參數(shù)后拱頂部位的垂向應(yīng)力降低范圍和降低幅度都有所減小,而且支護(hù)參數(shù)越小降低范圍和降低幅度越小,這就說明巷道頂板部位錨桿參數(shù)越小,錨桿越密集,其頂板應(yīng)力變化就越小?？梢?錨桿支護(hù)可以改善巷道拱頂部位巖體應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)。
表3是卸壓前后不支護(hù)和相同錨桿支護(hù)參數(shù)下的頂板最大下降位移、測(cè)點(diǎn)位移和錨桿最大軸力的變化率。從表中的變化率可以看出,在卸壓30%條件下,卸壓后位移變化率基本在33%~35%之間,錨桿所受的最大軸力變化率在25%~28%之間。由此可見,卸壓程度影響著巷道變形幅度及錨桿支護(hù)效果,巷道變形幅度和錨桿支護(hù)效果基本和卸壓程度成正比關(guān)系,因此,卸壓程度越高越有利于維護(hù)巷道穩(wěn)定性。將卸壓前后在相同支護(hù)參數(shù)條件下的計(jì)算結(jié)果變化率和相同圍壓條件下的不同支護(hù)參數(shù)所引起的計(jì)算結(jié)果的變化率進(jìn)行對(duì)比可以看出,卸壓所引起的巷道變形率和塑性區(qū)分布大小比改變支護(hù)參數(shù)所引起的巷道變形率和塑性區(qū)分布大小要大。這說明在一定條件下,卸壓對(duì)于維護(hù)巷道穩(wěn)定性的效果要優(yōu)于改變支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道穩(wěn)定性的維護(hù)效果。
圖1 不支護(hù)后時(shí)垂向應(yīng)力分布
圖2 支護(hù)后時(shí)垂向應(yīng)力分布
表3 卸壓前后錨桿支護(hù)計(jì)算結(jié)果變化率對(duì)比 %
計(jì)算對(duì)象
0.6×0.6
0.8×0.8
1.0×1.0
不支護(hù)
最大下降位移
34.39
34.69
34.69
33.50
拱頂測(cè)點(diǎn)位移
33.56
33.30
33.28
33.29
拱角測(cè)點(diǎn)位移
33.25
33.36
32.84
33.21
兩幫測(cè)點(diǎn)位移
35.34
34.73
33.97
33.93
錨桿最大軸力
26.91
28.01
25.93
-
數(shù)值分析結(jié)果表明,錨桿支護(hù)巷道并不在于控制巷道的變形大小,而在于協(xié)調(diào)巷道周圍巖體的變形,并改善巷道拱頂部位巖體應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài),從而最大限度地利用巖體自身的穩(wěn)定能力。雖然卸壓開采對(duì)于維護(hù)巷道穩(wěn)定性有著重要的影響,但并不能忽視支護(hù)的作用,而應(yīng)是卸壓與支護(hù)協(xié)調(diào)并重來維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。
2.深井高應(yīng)力巷道卸壓法防治底臌技術(shù)分析
深埋巷道底臌現(xiàn)象是目前煤礦深部開采所面臨的主要難題之一。大量的實(shí)際資料表明,在底板不支護(hù)的深部開采中,巷道底臌量約占巷道變形量(頂?shù)装褰咏?的70%左右,巷道維護(hù)工作量中有50%是用于防治底臌。因此,長(zhǎng)期以來防治巷道底臌一直是礦井巷道維護(hù)的重大問題之一。目前,防治底臌的方法有支護(hù)加固法和卸壓法兩類?，F(xiàn)有研究多數(shù)是關(guān)注巷道的底板支護(hù)加固措施,但這種被動(dòng)的防治方法在深井高應(yīng)力軟巖條件下往往花費(fèi)巨大且效果不好,其主要原因是圍巖自身不穩(wěn)固,形不成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。
卸壓法的實(shí)質(zhì)是采用一些人為的措施改變巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài),使底板巖層處于應(yīng)力降低區(qū),從而保證底板巖層的穩(wěn)定狀態(tài),是一種抑制底臌的主動(dòng)防治措施,特別適用于控制高地應(yīng)力的巷道底臌。本文結(jié)合鞏義某煤礦的實(shí)際進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn),對(duì)卸壓法防治巷道底臌的機(jī)理及其參數(shù)的選擇進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,卸壓方法可以改善圍巖的受力狀態(tài),促進(jìn)圍巖形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu),從而抑制或延遲底臌的發(fā)生,有助于選擇最佳支護(hù)時(shí)間,為后期的巷道支護(hù)加固提供有利條件。
2.1 數(shù)值模型的建立
2.1.1 巷道工程地質(zhì)條件
鞏義某煤礦開采二1煤層,21采區(qū)軌道上山布置在距煤層底板20m的砂質(zhì)泥巖中,巷道頂板為石灰?guī)r,兩幫及底板為砂質(zhì)泥巖,圍巖的力學(xué)參數(shù)見表1。巷道原設(shè)計(jì)為錨網(wǎng)噴支護(hù),關(guān)鍵部位加U型鋼支架。軌道上山開掘后,底臌現(xiàn)象比較嚴(yán)重,最大處底臌量達(dá)到1m以上,經(jīng)過幾次落底后底臌現(xiàn)象仍然明顯。
2.1.2 數(shù)值模型
模型尺寸為20m×20m,劃分成200×200個(gè)單元,每個(gè)單元格代表0.01m2的巖體,巷道斷面為直墻半圓拱形(寬3.7m,高3.2m)。采用修正的庫(kù)侖判據(jù)(可考慮拉伸破壞)作為單元破壞準(zhǔn)則。以該煤礦地質(zhì)資料為基礎(chǔ)建立上山巷道模型,模型兩側(cè)施加水平約束,垂直方向上施加上覆巖層重力γH(H=750mm)。
2.2 巷道圍巖變形分析
2.2.1 軌道上山變形及應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果
軌道上山巷道幫、頂錨噴網(wǎng)支護(hù)而底版無支護(hù)條件下的圍巖剪應(yīng)力分布見圖3。由于巷道底板巖層較為軟弱,巷道底板最先破壞,而且破壞情況較為嚴(yán)重,應(yīng)力向底板深處轉(zhuǎn)移,造成巷道底板臌起。巷道底板強(qiáng)度較低,影響了圍巖的整體結(jié)構(gòu),造成巷道兩幫漸漸出現(xiàn)破壞,引起整個(gè)巷道變形量較大,圍巖松動(dòng)圈范圍變大。圖4為巷道底板在第2步開挖后和最終平衡(第22步)時(shí)的位移情況(垂直向下為正),可以看出,由于底板無支護(hù),巷道開挖后迅速底臌,底板最大位移達(dá)到30mm左右;巷道在最終計(jì)算到平衡狀態(tài)時(shí),仍是底板位移量最大,達(dá)到了60mm左右。因此,深井高應(yīng)力軟巖條件下,巷道開挖后底板變形很快,而一般情況下支護(hù)措施相對(duì)滯后,即使采用底板加固措施,也會(huì)因?yàn)橄锏绹鷰r完整性已受到破壞而導(dǎo)致支護(hù)效果較差。
圖3 噴錨網(wǎng)支護(hù)下巷道圍巖的剪應(yīng)力分布
圖4 巷道底板巖層位移曲線
2.2.2 采用卸壓措施后巷道的變形及應(yīng)力分布
巷道掘進(jìn)過程中在其底部開槽(槽深800mm)卸壓條件的圍巖應(yīng)力分布見圖5。剛開挖時(shí)(第2步)和模型平衡時(shí)巷道底板巖層Y方向位移曲線見圖6。巷道底部開槽使底板應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部,讓底板淺部巖層處于低應(yīng)力區(qū),同時(shí),底板的卸壓槽能夠吸收大部分的巷道變形量,所以剛開挖后巷道底板Y方向位移量較小,只有4mm左右,在巷道模型計(jì)算平衡后,底臌量也只有10mm左右。巷道掘進(jìn)時(shí)底部開卸壓槽能夠顯著的抑制底臌,使底板處于應(yīng)力降低區(qū),從而保護(hù)底板巖層不受更大程度破壞。但是,與不開槽時(shí)(見圖1)相比,巷道兩幫圍巖的應(yīng)力集中程度較高,因此,巷道開挖后應(yīng)及時(shí)對(duì)兩幫及頂板進(jìn)行有效支護(hù)。
圖5 底部開槽卸壓的巷道圍巖應(yīng)力分布
圖7和圖8是兩側(cè)開槽時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力分布及底板位移曲線。由于巷道兩幫開側(cè)卸壓槽,使兩幫的高應(yīng)力向兩側(cè)圍巖深處轉(zhuǎn)移,巷道表面附近的圍巖處于低應(yīng)力區(qū),底板巖層的受應(yīng)力狀態(tài)與不開卸壓槽時(shí)(見圖1)相比,變化不大。由于卸壓槽的存在,能夠吸收大部分的圍巖變形,因此,巷道底臌量也得到了明顯抑制,底板最大位移量約12mm。但是,巷道兩幫開槽后破壞了兩幫圍巖的完整性,不利于后期對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)加固。
圖6 開底板切槽的巷道底板巖層位移
圖7 兩側(cè)開槽卸壓的巷道圍巖應(yīng)力分布
圖8 兩幫開切槽的巷道底板巖層位移
3 底部開槽深度對(duì)巷道底板位移量的影響
由前述模擬結(jié)果可知,巷道掘進(jìn)時(shí)底部切槽與兩幫切槽都能顯著的抑制底臌。底部切槽施工方便,工程量較小,更為重要的是,兩幫切槽對(duì)巷道圍巖的完整性破壞較嚴(yán)重,不利于后期對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)加固。因此,在相同條件下建議優(yōu)先采用底部切槽的卸壓措施。切槽的參數(shù)也是影響卸壓效果的重要因素,一般情況下根據(jù)實(shí)際情況切槽寬度應(yīng)在500~600mm范圍內(nèi)。切槽深度與底臌量的關(guān)系見圖9,在切槽深度小于1200mm時(shí),巷道底板位移量隨著切槽深度的增大而減少,當(dāng)超過1200mm后,巷道底板位移量切槽深度增大的變化不明顯?？梢?底板切槽深度對(duì)卸壓效果有很大的影響,存在能夠最大程度的抑制底臌并且開挖工程量最小的最佳切槽深度。切槽的最佳深度又受到巷道底板寬度的影響,根據(jù)模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,當(dāng)切槽深度小于巷道底板寬度的一半時(shí),切槽抑制底臌的效果不明顯,一般切槽寬度應(yīng)盡量大于底板寬度的一半。對(duì)于盛鑫煤礦的軌道上山而言,最佳底板切槽深度為1200mm左右,此時(shí),其底板巖層的位移模擬結(jié)果見圖10。
圖9 巷道底臌量與底部卸壓槽深度的關(guān)系
圖10 底板切槽深1200mm的巷道底板巖層位移
3.薄煤層作為保護(hù)層開采的卸壓機(jī)理
參考七臺(tái)河新興煤礦地質(zhì)條件,運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法,對(duì)薄煤層作為保護(hù)層開采時(shí),其圍巖應(yīng)力變化和被保護(hù)層的應(yīng)力分布特征、卸壓范圍等進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明,隨著上保護(hù)層開采范圍的增大,采空區(qū)下的煤巖應(yīng)力急劇下降,被保護(hù)層達(dá)到安全開采的區(qū)域范圍也不斷增加,卸壓效果相當(dāng)顯著。
開采保護(hù)層可以有效地防治沖擊礦壓和煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害。我國(guó)《沖擊地壓煤層安全開采暫行規(guī)定》第十五條明確指出,對(duì)沖擊礦壓礦井進(jìn)行開采設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先開采解放層。而薄煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采的先例,在我國(guó)并不多見,研究文獻(xiàn)也相對(duì)較少。本文通過理論分析和數(shù)值模擬方法,并結(jié)合七臺(tái)河新興煤礦的實(shí)際條件,對(duì)開采薄煤層作為保護(hù)層的卸壓機(jī)理進(jìn)行分析。
3.1保護(hù)層的卸壓機(jī)理
3.1.1技術(shù)原理
保護(hù)層先行開采之后,周圍煤巖層向采空區(qū)方向移動(dòng)、變形,其范圍可由巖石冒落角和移動(dòng)角限定,隨著層間距加大,巖層移動(dòng)和變形減弱。在巖層移動(dòng)直接影響的區(qū)域,應(yīng)力降低,巖體卸載膨脹,在垂直煤層層面方向呈現(xiàn)膨脹變形,不僅產(chǎn)生大量裂隙,也使得原有裂隙張開擴(kuò)大,從而導(dǎo)致煤巖結(jié)構(gòu)的變化,裂隙度增加,進(jìn)而消除或減緩了沖擊礦壓和瓦斯突出的危險(xiǎn)。
3.1.2卸壓范圍判定
在卸壓帶范圍內(nèi),卸載作用隨著向上或向下遠(yuǎn)離保護(hù)層而衰減,所以層間距大的煤層雖然處于卸壓帶范圍,開采時(shí)也無法保證沒有沖擊礦壓發(fā)生。只有在卸壓帶的某些范圍內(nèi),應(yīng)力降低到一定程度時(shí),開采工作才會(huì)免遭沖擊礦壓的危害。一般情況下,認(rèn)為當(dāng)被釋放的煤層應(yīng)力降低到小于γH時(shí),即處于安全范圍,其中H為該煤層發(fā)生沖擊礦壓的起始深度。垂直于保護(hù)層方向上的最大卸壓距離取決于開采深度、采空區(qū)處理方式和圍巖種類等,如果煤層間存在較硬巖層時(shí),會(huì)起到一定的隔離作用。在平行于保護(hù)層方向上的最大卸壓距離取決于采空區(qū)的形狀、煤層傾角和卸壓角。
3.1.3保護(hù)作用時(shí)間
保護(hù)層停采后,巖層和煤層的移動(dòng)與變形在一定時(shí)間內(nèi)是持續(xù)的,因此,保護(hù)帶可得到部分?jǐn)U展。但是保護(hù)層開采后,垮落巖石在上覆應(yīng)力作用下逐漸壓實(shí),應(yīng)力逐漸恢復(fù),卸壓作用和效果隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。因此,開采保護(hù)層的間隔時(shí)間不能太久,一般卸壓有效期為:用全部垮落法開采保護(hù)層時(shí)為3a;用全部充填法時(shí)為2a。
3.1.4開采保護(hù)層的技術(shù)原則
在開采保護(hù)層時(shí),應(yīng)合理安排開采順序,避免形成應(yīng)力集中,在保護(hù)層內(nèi)保證整個(gè)塊段采凈,避免留設(shè)煤柱。開采煤層群時(shí),應(yīng)首先選擇無沖擊危險(xiǎn)煤層作為保護(hù)層開采。當(dāng)沖擊危險(xiǎn)煤層上下方向都有保護(hù)層時(shí),應(yīng)首先開采上保護(hù)層。
3.2.1模型的建立
選取新興煤礦的65煤層作為研究對(duì)象,通過開采上方的63煤層來達(dá)到保護(hù)65煤層的作用。新興煤礦63煤層平均厚度約為1m,距離65煤層約為35m。模型中,煤巖層傾角平均26°。模型共模擬了12層煤巖,其中包括63煤、65煤頂?shù)装?模型高度確定為110m。模型劃分為58676個(gè)單元和58104個(gè)節(jié)點(diǎn)。煤層與巖層之間和巖層與巖層之間的層理均用FLAC3D提供的INTERFACE單元進(jìn)行模擬。工作面模型和煤柱模型均按工作面實(shí)際開采深度模擬,模擬采深平均為600m,等效載荷施加到模型頂端。模型四端固定水平運(yùn)動(dòng),底端固定垂直運(yùn)動(dòng)。模型模擬的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)基本是按巖石力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)確定的,無法得到的煤巖參數(shù)按統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)確定。
3.2.2模擬結(jié)果分析
分別對(duì)上保護(hù)層推進(jìn)8m,20m,60m,100m,140m和180m的情況進(jìn)行分析。所采保護(hù)層的煤層頂?shù)装鍛?yīng)力分布情況如圖11所示。
圖11隨著保護(hù)層開采其頂?shù)装宓膽?yīng)力分布
(1)63煤推進(jìn)8m時(shí),煤層的頂?shù)装逯挥星醒鄹浇霈F(xiàn)了應(yīng)力減小區(qū)域,工作面前方2m左右的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中,最大應(yīng)力達(dá)到28·9MPa,前方6m范圍之外大部分仍保持原巖應(yīng)力狀態(tài),煤層上下受采動(dòng)影響范圍都較小。65煤尚未達(dá)到卸壓效果。
(2)當(dāng)煤層推進(jìn)20m時(shí),煤層頂?shù)装宓男秹悍秶杂袛U(kuò)大,工作面前方的應(yīng)力集中程度也略有增加,為31·5MPa。保護(hù)層下方的65煤層仍然處在原巖應(yīng)力狀態(tài),并沒有達(dá)到卸壓的效果。
(3)煤層推進(jìn)60m時(shí),在采空區(qū)下方已經(jīng)形成了一定區(qū)域的應(yīng)力降低區(qū),應(yīng)力降低區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)基本對(duì)稱,呈50°左右向下發(fā)展。采空區(qū)下的被保護(hù)層也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力減小區(qū)域。
(4)隨著煤層推進(jìn)距離的增大,煤層頂?shù)装宓男秹悍秶苍谶M(jìn)一步擴(kuò)大,而采空區(qū)前后的應(yīng)力峰值也在進(jìn)一步增加,當(dāng)工作面推進(jìn)140m時(shí),工作面前方應(yīng)力值近40MPa。而對(duì)于被保護(hù)層其卸壓效果也是比較明顯的,其卸壓范圍也隨著工作面的
推進(jìn)而不斷擴(kuò)大,但在工作面后方也存在著一定的應(yīng)力集中,因此,在65煤進(jìn)行開采過程中,要盡量避開應(yīng)力集中區(qū),在卸壓范圍內(nèi)進(jìn)行開采。
為了更好地研究保護(hù)層的卸壓效果,對(duì)被保護(hù)的65煤層進(jìn)行了應(yīng)力分析。在數(shù)值模擬過程中,提取不同推進(jìn)情況下的65煤體內(nèi)的應(yīng)力值,通過數(shù)據(jù)處理,得到如圖12所示的應(yīng)力分布曲線圖。
圖12煤層推進(jìn)過程中被保護(hù)層的應(yīng)力變化曲線
從圖12中可以看出:
(1)當(dāng)保護(hù)層推進(jìn)20m時(shí),65煤的應(yīng)力分布無明顯變化,其值都在16·9MPa左右,仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài),即65煤沒有受到保護(hù)層開采的影響。
(2)當(dāng)上保護(hù)層推進(jìn)60m時(shí),在采空區(qū)下方的煤層出現(xiàn)了應(yīng)力減小區(qū),最小值為11·2MPa。由于沖擊礦壓的臨界深度為400m,即應(yīng)力值在10MPa以下時(shí),沖擊危險(xiǎn)方能解除。因此,65煤層雖然處于應(yīng)力減小區(qū),但仍然具有沖擊危險(xiǎn)性。
(3)當(dāng)上保護(hù)層推進(jìn)100m時(shí),在距切眼10~70m的范圍內(nèi),65煤的應(yīng)力值處于10MPa以下,達(dá)到了安全開采的要求,由此推斷出63煤層的卸
壓角在50°左右,另外在采空區(qū)后方,65煤存在一定的應(yīng)力升高區(qū),最高應(yīng)力約為18·2MPa。
(4)隨著上保護(hù)層的進(jìn)一步開采,采空區(qū)下的煤巖應(yīng)力急劇下降,65煤達(dá)到安全開采的范圍也不斷增加,卸壓效果非常顯著。當(dāng)保護(hù)層推進(jìn)180m左右時(shí),65煤的有效卸壓范圍10~150m,滯后63煤層工作面30m左右。
3.3技術(shù)分析
(1)保護(hù)層的卸壓效果與其開采范圍有關(guān),其開采范圍越大,被保護(hù)層的卸壓效果就越好。當(dāng)保護(hù)層開采至180m時(shí),被保護(hù)層的充分卸壓范圍約為140m,卸壓保護(hù)角在50°左右。
(2)由于保護(hù)層的開采,在采空區(qū)的前后兩端開采應(yīng)力集中區(qū),并影響到被保護(hù)層的應(yīng)力分布,因此,在對(duì)被保護(hù)層開采時(shí),應(yīng)盡量避開應(yīng)力集中區(qū)域,如無法避開,應(yīng)采取措施,加強(qiáng)沖擊礦壓的防治措施。
(3)薄煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開采能夠達(dá)到理想的卸壓效果,另外,薄煤層的開采本身安全性也要高于中厚煤層。在對(duì)保護(hù)層進(jìn)行開采時(shí),一定要避免留設(shè)煤柱或煤垛,以免形成新的應(yīng)力集中,增加沖擊危險(xiǎn)性。
4.軟巖大變形巷道卸壓與可控大變形支架支護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀
4.1礦井概況
新安煤礦位于甘肅省,目前處于礦井建設(shè)后期。礦井井底車場(chǎng)巷道群埋深750~900m,所處地層為中生代侏羅紀(jì),受地面山區(qū)地形工業(yè)廣場(chǎng)建設(shè)的位置制約,礦井井底車場(chǎng)和軌道石門、運(yùn)輸石門等主要巷道布置于井田內(nèi)向斜軸部附近,煤巖層傾角由10°向38°過渡,變化急劇。
礦井主要巷道斷面為直墻半圓拱形,采用錨噴支護(hù)。錨桿間排距為700mm×700mm,錨索排距2·1m,每排布置3根。錨桿為直徑22mm,長(zhǎng)度為2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿,錨索直徑18·9mm,長(zhǎng)度6·2~7·4m。巷道表層為φ6mm鋼筋網(wǎng)。巷道爆破后及時(shí)初噴厚度為50mm的混凝土,采用錨桿、錨索支護(hù)施工巷道30m后,再集中對(duì)巷道表層復(fù)噴厚度為100mm的混凝土。
采用錨桿、錨索支護(hù)方式對(duì)受壓破壞的失修巷道進(jìn)行修護(hù),對(duì)巷道進(jìn)行挖底、挑頂、擴(kuò)幫后,提高錨桿、錨索支護(hù)密度以對(duì)巷道重新支護(hù)。但修復(fù)1~2次后的巷道支護(hù)仍不能保持圍巖穩(wěn)定,巷道繼續(xù)出現(xiàn)拱頂下沉、底鼓等破壞現(xiàn)象。
由于采用大直徑錨桿和高密度錨桿支護(hù)方式不能阻止巷道快速變形,后期采用了錨網(wǎng)噴+全封閉格柵拱架鋼筋高強(qiáng)混凝土+底板錨桿修護(hù)的方式對(duì)50周廷振等:軟巖大變形巷道卸壓與可控大變形支架支護(hù)技術(shù)2010年第8期主要巷道進(jìn)行再次返修。由于施工工序復(fù)雜,進(jìn)度十分緩慢,維修巷道月進(jìn)尺不足20m;同時(shí)成本較高,每米支護(hù)材料費(fèi)用高達(dá)3·5萬元,但是修復(fù)后的巷道在6個(gè)月后相繼出現(xiàn)多處幫體開裂現(xiàn)象。礦井煤巷施工時(shí)采用了與巖巷支護(hù)強(qiáng)度等同或更高的錨桿、錨索支護(hù)方式,并套設(shè)架棚加固巷道,但是也難以控制巷幫收縮和劇烈的底鼓。
由于巷道支護(hù)難度大、井巷反復(fù)修護(hù),雖然投入巨資,礦井預(yù)期投產(chǎn)期還要推遲1·5年以上。
4.2大變形軟巖巷道破壞特征
1)巷道周邊圍巖大變形,巷道表層支護(hù)體失效。軟巖錨噴支護(hù)巷道變形以底鼓為主,同時(shí)巷道兩幫向自由空間擠壓,巷道收縮呈現(xiàn)不對(duì)稱變形,斷面收縮率高達(dá)50%~80%,巷道表面支護(hù)體均松散失效。巷道表層支護(hù)體破壞情況如圖13所示。
圖13 礦井巷道表層支護(hù)破壞情況
2)來壓快、初期變形量大、持續(xù)變形時(shí)間長(zhǎng)。軟巖井巷施工后穩(wěn)定性極差,持續(xù)出現(xiàn)拱頂下沉、底鼓和兩幫內(nèi)擠等現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果表明,在巷道施工的1~10d,平均收斂變形為14~16mm/d;在11~50d的平均收斂變形為3·3~4·2mm/d;50d后巷道仍然持續(xù)收斂變形。一般巷道施工3個(gè)月后,必須強(qiáng)制采取挖底措施,5個(gè)月內(nèi)斷面收縮60%左右,需要進(jìn)行挑頂修復(fù),表現(xiàn)為錨桿、錨索斷裂、底鼓嚴(yán)重,巷道表層支護(hù)體失效。巷道錨索斷裂與底鼓情況如圖14所示。
圖14 巷道錨索斷裂與底鼓情況
3)圍巖易風(fēng)化,接觸空氣潮解,強(qiáng)度急劇降低。巷道掘進(jìn)爆破巖石初期尚有一定的強(qiáng)度,圍巖接觸空氣2h后,穩(wěn)定性急劇下降。對(duì)圍巖礦物成分及其含量、圍巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,其泥巖中的伊蒙混層黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)33%~44%,具有較強(qiáng)的膨脹性和吸水性。
4.3大變形軟巖巷道支護(hù)難點(diǎn)分析
目前對(duì)極軟巖巷道支護(hù)尚沒有完善的手段,多數(shù)支護(hù)方法尚處于探索階段。常采用提高錨桿支護(hù)強(qiáng)度和密度控制軟巖巷道變形,或者采用加大巷道掘進(jìn)斷面的措施為圍巖內(nèi)移、讓壓留有空間,延長(zhǎng)巷道斷面收縮變化至滿足生產(chǎn)要求的時(shí)間。此外,部分礦井采用了錨桿支護(hù)與高強(qiáng)度U型鋼拱形支架聯(lián)合支護(hù)方法。上述對(duì)策雖然短期內(nèi)可以起到一定效果,但是仍不能滿足要求,受軟巖大變形特殊性因素的影響,井巷仍然需要不斷修護(hù)[1]。
1)支護(hù)手段難以控制軟巖巷道松動(dòng)圈的不斷向深部發(fā)展。目前以錨桿支護(hù)為主的支護(hù)手段難以阻止圍巖松動(dòng)圈發(fā)展,且軟巖巷道的松動(dòng)圈會(huì)隨巷道的破壞—修護(hù)—破壞不斷向更深的區(qū)域發(fā)展。
2)錨桿支護(hù)強(qiáng)度難以控制軟巖巷道圍巖碎脹應(yīng)力的影響。采用錨桿支護(hù)的目的是在巷道圍巖周邊錨固體內(nèi)形成維持自身穩(wěn)定的錨固平衡拱來保持圍巖的穩(wěn)定性。但是由于軟巖巷道圍巖碎脹應(yīng)力的作用,導(dǎo)致錨桿桿體的強(qiáng)度、延展性均不能滿足支護(hù)要求,支護(hù)強(qiáng)度不夠,難以滿足巷道整體穩(wěn)定支護(hù)的條件。
3)現(xiàn)有機(jī)具對(duì)支護(hù)技術(shù)有所限制?？刂粕畈寇泿r巷道變形的措施之一是在巷道底角或巷道底板采用錨桿支護(hù)控制底鼓,但是由于底角和底板錨桿孔施工的排渣問題仍然未得到有效解決,限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。
4)經(jīng)濟(jì)成本過高。多數(shù)軟巖巷道采用錨網(wǎng)梁索支護(hù)后,再增設(shè)全封閉的拱形支架,在可縮性拱形架棚周邊外側(cè)預(yù)留安設(shè)空間,增大了巷道的實(shí)際斷面,增加了支護(hù)成本。有些礦井已經(jīng)采用高強(qiáng)度混凝土外層保護(hù)體,限制軟巖膨脹變形,但其施工難度大,成本居高不下,同時(shí)施工速度緩慢,難以在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。
4.4巷道卸壓與可控大變形支架支護(hù)技術(shù)
軟巖巷道大變形的主要原因是巷道表層的圍巖膨脹破壞,因此探討一種對(duì)巷道圍巖進(jìn)行卸壓、降低井巷圍巖風(fēng)化的方法很有必要。采用高延伸性錨桿進(jìn)行初次支護(hù)后,在巷道表層開挖卸壓槽,并配合大變形讓壓支架支護(hù)是很有效的控制手段。
巷道圍巖卸壓是在巷道底部和側(cè)幫開挖卸壓槽,在巷道周圍預(yù)先形成人為弱化區(qū),使巷道在開挖初期處于一個(gè)低地應(yīng)力區(qū),使支承壓力峰值向巷道圍巖深部有效地轉(zhuǎn)移,從而減小巷道圍巖表面變形。
1—拱部U型鋼;2—側(cè)拱U型鋼;3—巷幫U型鋼;4—反底
拱U型鋼;5—緩沖墊塊;6—導(dǎo)向槽;7—金屬卡纜;
8—巷幫卸壓槽;9—底板卸壓槽
圖15 大變形支架結(jié)構(gòu)示意
大變形讓壓支架是在可縮性拱形架棚節(jié)間充填一種由高分子材料加工的多孔狀可塑性緩沖墊塊,增加架棚收縮量。大變形讓壓封閉式支架由1~7節(jié)U型鋼及附件構(gòu)成,如圖15所示,在側(cè)拱U型鋼2,4(3,5)段之間放置了可塑性緩沖墊塊。除靠近巷幫側(cè),緩沖墊塊及其上下U型鋼端頭部分采用與U型鋼配套的導(dǎo)向槽固定。巷道圍巖的壓力經(jīng)拱部U型鋼1、側(cè)拱U型鋼2和3向下傳遞至緩沖墊塊,當(dāng)壓力達(dá)到緩沖墊塊的破壞強(qiáng)度后,緩沖墊塊逐漸收縮變形、破碎的同時(shí),側(cè)拱和側(cè)幫U型鋼段(U型鋼2和4,U型鋼3和5)順著2節(jié)之間導(dǎo)向槽內(nèi)滑移,逐漸結(jié)合(部分收縮后的殘余材料被擠至巷幫卸壓槽內(nèi)),整個(gè)支架進(jìn)入新的承壓過程。
巷幫卸壓槽可選用液壓鏈條鋸施工,其卸壓槽成形可控,不破壞巷道幫部的穩(wěn)定性。高分子緩沖墊塊如圖3所示,其強(qiáng)度是U型鋼理論抗壓強(qiáng)度的80%~90%,緩沖墊塊在超負(fù)荷承載后會(huì)逐漸收縮破壞。它可以傳遞壓力保持支架的穩(wěn)定,維持支護(hù)至支承壓力達(dá)到支架阻力的80%~90%后,逐漸收縮被擠碎,使支架得到讓壓。同時(shí)由高分子材料配制的緩沖墊塊強(qiáng)度在制作過程中能夠得以調(diào)節(jié),以適應(yīng)低于U型鋼支架抗壓強(qiáng)度的不同等級(jí),控制支架的收縮變化速度。巷幫卸壓、架設(shè)可控大變形支架施工工藝如下所述。
1)按照設(shè)計(jì)斷面掘進(jìn)巷道。
2)實(shí)施錨網(wǎng)梁索、噴混凝土支護(hù)施工。選用高強(qiáng)度,延伸性良好的錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù)。
3)開挖底板卸壓槽,底槽居于巷道底板中部,距離巷道兩幫1·5m左右;在卸壓槽內(nèi)采用破碎矸石充填后,在巷道底部鋪設(shè)100mm厚的混凝土層,減少水理作用對(duì)巷道圍巖的破壞。
4)在巷幫(后期架設(shè)拱形棚U型鋼2和4、U型鋼3和5段結(jié)合處)施工卸壓槽。
5)架設(shè)可控大變形支架,對(duì)巷道周邊空隙進(jìn)行充填、穩(wěn)固支架。
可控大變形支架在不同階段有不同的承載壓力,承載壓力傳遞到緩沖墊塊時(shí),巷道圍巖和支架有如下變化過程:圍巖應(yīng)力重新分布—錨桿錨索承受圍巖應(yīng)力—支架初步受力—緩沖墊塊承壓破壞—全閉合支架全面承載圍巖壓力,支架總體穩(wěn)定時(shí)間得到延長(zhǎng)。
這種施工支護(hù)方法將為應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生的圍巖膨脹變形提供補(bǔ)償空間,延緩巷道空間收縮的時(shí)間,支架也始終處于承載穩(wěn)定過程,支架服務(wù)時(shí)間得到充分延長(zhǎng)。
4.5小 結(jié)
深部軟巖巷道支護(hù)問題日顯突出,合理有效的支護(hù)技術(shù)值得探討研究。在分析大變形軟巖巷道圍巖變形與破壞特征的基礎(chǔ)上,指出目前軟巖巷道支護(hù)的難點(diǎn)與存在的問題。在此基礎(chǔ)上提出一種新型的卸壓與可控大變形支架聯(lián)合支護(hù)方法,從支護(hù)原理上分析了這種支護(hù)方式的有效性。這種支護(hù)方式有待于在井下進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。
5、軟巖巷道爆破卸壓技術(shù)分析
為了增強(qiáng)爆破卸壓效果,運(yùn)用巖石爆破內(nèi)部作用理論,分析了軟巖巷道爆破卸壓的作用過程以及其影響因素,設(shè)計(jì)了爆破卸壓效果現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng).結(jié)果表明,爆破卸壓具有硬化軟巖、形成爆擴(kuò)空腔和裂隙區(qū),最終形成卸壓區(qū),并使高地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到距巷幫R以遠(yuǎn)圍巖深部的特征.適當(dāng)加大炮孔直徑、提高裝藥密度、選擇爆速高的炸藥,使炮孔間距滿足,并盡可能減少炮孔深度,均可提高爆破卸壓效果.
以持續(xù)變形、流變?yōu)橹饕卣鞯能泿r巷道支護(hù)問題,是目前我國(guó)煤炭深部開采面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn).采深大,地應(yīng)力高,是造成深部軟巖巷道穩(wěn)定性差、支護(hù)困難的根本原因.采取有效措施,減緩乃至消除巷道圍巖的高地應(yīng)力,是解決深部軟巖巷道支護(hù)問題的關(guān)鍵.爆破卸壓能夠?qū)⒆饔糜谙锏乐苓叺募袘?yīng)力或高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移,從而減緩、降低巷道周邊地應(yīng)力的作用水平,是深部高應(yīng)力軟巖巷道支護(hù)的一種有效的輔助手段,自20世紀(jì)50年代初在南非金礦應(yīng)用以來,已被國(guó)內(nèi)外的許多冶金礦山和煤礦采用[2-10].實(shí)踐表明,在采取爆破卸壓技術(shù)的巷道支護(hù)中,巷道支護(hù)的難易與爆破卸壓效果的好壞密切相關(guān)[2,5-7].由于爆破作用的復(fù)雜性,很多時(shí)候爆破不僅起不到卸壓的作用,而且會(huì)造成巷道周邊破壞的加劇,從而進(jìn)一步增加了巷道支護(hù)的難度.因此,如何既使爆破卸壓的效果顯著,又不使爆破作用對(duì)巷道圍巖造成不應(yīng)有的損害,或者使破壞程度最小,是應(yīng)用爆破卸壓技術(shù)解決深部軟巖巷道支護(hù)問題的關(guān)鍵所在.
5.1軟巖巷道爆破卸壓的作用特征
爆破卸壓是通過爆炸加固、硬化軟巖,改變巖石的有效彈性模量、將地層應(yīng)力向深部圍巖轉(zhuǎn)移,來實(shí)現(xiàn)卸壓、改善巷道支護(hù)條件的目的.常采用多炮孔柱裝藥爆破卸壓[3-8],其作用范圍通常不會(huì)波及到卸壓區(qū)域巷道、硐室的圍巖表面,即爆破卸壓不會(huì)、也不應(yīng)該引起巷道巖圍巖破壞,是典型的內(nèi)部爆破作用.當(dāng)在巷道一側(cè)布置多個(gè)水平炮孔實(shí)施爆破卸壓時(shí),所產(chǎn)生的爆炸動(dòng)應(yīng)力與靜態(tài)地層應(yīng)力之間的關(guān)系如圖1所示,其A-A視圖為爆破后形成的卸壓區(qū)(圖16).對(duì)于單個(gè)炮孔來講,當(dāng)裝藥在巷幫巖體內(nèi)部爆炸時(shí),將形成以爆點(diǎn)為中心的由近及遠(yuǎn)的不同區(qū)域,分別為壓縮區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū),如圖17(圖2中B-B視圖)所示.
圖16爆炸動(dòng)應(yīng)力與地層靜應(yīng)力關(guān)系
圖17爆破卸壓后形成的卸壓區(qū)(A-A視圖)
圖18爆破內(nèi)部作用示意(B-B視圖)
1)壓縮區(qū):裝藥爆炸形成的爆炸沖擊波作用在炮孔壁上,使炮孔壁周圍巖石被壓縮成致密、堅(jiān)固的硬殼空腔,形成壓縮區(qū);同時(shí)由于裝藥是在巖石內(nèi)部爆炸的,所以爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫、高壓氣體的絕熱膨脹作用會(huì)在巖體中形成空腔.硬殼的壁厚及空腔的大小與施爆點(diǎn)巖石性質(zhì)、地應(yīng)力大小以及裝藥量有關(guān).根據(jù)文獻(xiàn),爆擴(kuò)空腔的最終半徑R1(圖18)為
式中:rb為炮孔半徑;
為膨脹開始時(shí)的爆生氣體壓力，耦合裝藥時(shí)，;
D為炸藥的爆速;
為側(cè)向壓力系統(tǒng), ,在工程爆破加載范圍內(nèi),u=0.8u0, u0為巖石的靜態(tài)泊松比;
pk為爆生氣體等熵絕熱膨脹時(shí)的臨界壓力;
爆擴(kuò)過程中的圍巖壓力ps為
__D_Dd__________á???________________
式中:
Patm為大氣壓力;
為多向應(yīng)力條件下巖石極限抗壓強(qiáng)度,;
為巖石密度;
cp為巖石中的聲速;
為巖石的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度;
rm為巖石的重度;
為抵抗線.
由圖1可知,當(dāng)爆腔內(nèi)爆生氣體壓力P等于圍巖壓力時(shí),爆擴(kuò)過程結(jié)束.
2)破裂區(qū):沖擊波通過壓縮區(qū)后,繼續(xù)向外層巖石傳播,并迅速衰減為應(yīng)力波,其強(qiáng)度已低于巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度,雖不能直接壓碎巖石,但可使壓縮區(qū)外層的巖石遭到強(qiáng)烈的徑向壓縮而產(chǎn)生徑向擴(kuò)張和切向拉伸應(yīng)變,從而形成徑向裂隙.此時(shí),爆生氣體滲入裂隙,以氣楔作用使這些裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展,直至爆生氣體的瞬時(shí)壓力與巖體裂隙端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子相等時(shí),裂隙擴(kuò)張過程結(jié)束.根據(jù)文獻(xiàn)[13],裂隙區(qū)半徑R2(圖2)為
, (3)
式中:
,為分別為沖擊波壓力和應(yīng)力波壓力衰減指數(shù),,或,;
, 分別為巖石的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度;
A為與巖石性質(zhì)有關(guān)的常數(shù), ;
Pd為耦合裝藥時(shí)柱狀藥包爆炸后投射入孔壁巖石的沖擊波初始?jí)毫?其算式為, (4)
式中：
為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù),一般γ=3.
3)彈性振動(dòng)區(qū):裂隙區(qū)以外的巖體中,由于應(yīng)力波引起的應(yīng)力狀態(tài)和爆生氣體建立的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)不足以使巖石破壞,只能引起巖石質(zhì)點(diǎn)做彈性振動(dòng),直至彈性振動(dòng)波的能量被巖石完全吸收為止.
從爆破卸壓的作用過程可知,軟巖巷道爆破卸壓的根本特征在于硬化爆點(diǎn)附近軟巖、形成爆擴(kuò)空腔和裂隙區(qū),最終形成深度為R、長(zhǎng)度為實(shí)施爆破段巷道長(zhǎng)度的卸壓區(qū)域,并使高地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到距巷幫R以遠(yuǎn)的圍巖深部(圖2).由圖2,3可知,卸壓區(qū)的深度(寬度)為,H為炮孔深度.
顯然,軟巖的硬化、加固,提高了巖體抵抗變形的能力;形成裂隙區(qū)(巖石的松動(dòng))的過程,是地應(yīng)力釋放的過程;爆擴(kuò)空腔,為地應(yīng)力的釋放創(chuàng)造了變形空間.因此,爆破卸壓過程形成軟巖硬化范圍的大小、爆擴(kuò)空腔以及裂隙區(qū)的大小,對(duì)能否取得好的卸壓效果至關(guān)重要.
5.2影響爆破卸壓效果因素分析
從1的分析可知,影響爆破卸壓效果的因素主要有:
1)巖石性質(zhì):對(duì)軟巖地層,爆炸沖擊波的作用是排出其中的空氣和水分,硬化、加固地層,提高巖石的變形模量.因此,爆炸強(qiáng)度相同時(shí),對(duì)軟巖的加固、硬化效果更好.
2)炮孔直徑:爆擴(kuò)空腔能有效釋放地應(yīng)力,并使其向圍巖深部轉(zhuǎn)移.因此,爆擴(kuò)空腔體積越大,卸壓和應(yīng)力轉(zhuǎn)移的效果也越明顯.同時(shí),爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)范圍越大,地應(yīng)力的釋放也越充分.由式(1),(2)可知, , 均與成正比.因此,增大炮孔直徑,有利于增強(qiáng)卸壓效果.這一結(jié)論充分詮釋了實(shí)踐中采用鉆鑿卸壓孔、卸壓槽方法[4,14]釋放地應(yīng)力的機(jī)理.
3)炸藥性質(zhì):由式(1)可知,提高,可增大爆擴(kuò)空腔體積.而與裝藥密度、炸藥爆速D的平方成正比.因此,加大裝藥密度、選擇高爆速炸藥,特別是爆炸過程中能產(chǎn)生較大體量氣體的炸藥,對(duì)形成較大爆擴(kuò)空腔有利,從而提高卸壓效果.
3)抵抗線或炮孔深度:根據(jù)式(1), 越小,爆擴(kuò)空腔半徑就越大;反之,爆擴(kuò)空腔半徑就會(huì)減小.由式(2)可知,在相同巖層性質(zhì)條件下, 與抵抗線W成正比,因此,要增大爆擴(kuò)空腔,就必須減小W.但W過小,或者炮孔深度過淺,爆破作用就會(huì)破壞巷道圍巖,從而增大巷道支護(hù)的難度,這也是爆破卸壓過程中常常遇到的問題[3,15].因此,爆破卸壓應(yīng)該存在一個(gè)合理的抵抗線,或者炮孔深度.即在確保巷道圍巖不受爆破作用破壞條件下的最小炮孔深度.炮孔深度小,鉆孔就容易,卸壓的效果也越好.
4)炮孔間距:根據(jù)2的分析,假設(shè)相鄰炮孔的炮孔參數(shù)、裝藥參數(shù)和起爆方式完全相同,如果不使一個(gè)炮孔的爆破卸壓效果(如已形成的壓縮區(qū)和爆擴(kuò)空腔)被相鄰炮孔的爆破作用破壞,那么相鄰炮孔之間的最小間距應(yīng)該為裂隙區(qū)半徑R2的兩倍(圖2),即
, (5)
式中 L為卸壓炮孔的間距.此時(shí),2個(gè)炮孔的爆炸應(yīng)力波才不會(huì)因“碰頭”而相互削弱形成裂隙區(qū)的作用.
5)相鄰炮孔的起爆時(shí)序:這一因素對(duì)爆破卸壓效果是否有不利影響,從上面的分析看出,如果按2倍的裂隙區(qū)半徑布置炮孔,那么,無論是同時(shí)還是異時(shí)起爆,卸壓的效果應(yīng)該是一樣的.但這需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.
6)起爆方式:柱裝藥時(shí),通常采用正向或反向起爆方式.與正向起爆相比,反向起爆能延長(zhǎng)應(yīng)力波和爆生氣體的作用時(shí)間,可產(chǎn)生更多的裂隙,并使裂隙得到進(jìn)一步的擴(kuò)大和延伸[14],這正是爆破卸壓所需要的效果.但因從孔底起爆,爆炸應(yīng)力波在傳播過程中將迭加成一個(gè)高應(yīng)力波朝向自由面———巷道圍巖表面,在自由面附近形成強(qiáng)烈的拉伸應(yīng)力波,從而會(huì)增加自由面附近巖石的破壞,這又是爆破卸壓所不需要的.因此,究竟哪種起爆方式對(duì)卸壓效果更有利,對(duì)巷道圍巖的破壞性最小,還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.綜上,在軟巖巷道中實(shí)施爆破卸壓時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮炸藥品種的選擇和炮孔直徑、炮孔間距、抵抗線的確定,并選擇合理的起爆方式和起爆時(shí)序.
5.3爆破卸壓效果測(cè)試系統(tǒng)
與傳統(tǒng)的支護(hù)方法相比,作為深部巷道支護(hù)的輔助手段,爆破卸壓的目的在于降低巷道圍巖的應(yīng)力水平,以從根本上改善巷道圍巖的受力環(huán)境,減小深部巷道的支護(hù)難度.那么,如何監(jiān)測(cè)爆破卸壓效果的好壞,并據(jù)此修正爆破參數(shù),提高爆破卸壓的質(zhì)量,是爆破卸壓技術(shù)能夠大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.為此,設(shè)計(jì)了如圖19所示的爆破卸壓效果測(cè)試系統(tǒng).
圖19 爆破卸壓效果測(cè)試系統(tǒng)
5.4巷道收斂變形觀測(cè)點(diǎn)
本系統(tǒng)主要完成兩方面指標(biāo)的測(cè)試,一是爆破卸壓的直接效果,即爆破前后圍巖應(yīng)力變化情況測(cè)試;二是爆破卸壓間接效果,即爆破前后巷道表面變形監(jiān)測(cè).
5.4.1爆破前后巷道圍巖中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)
圖4中1,2構(gòu)成了矩形斷面巷道在兩幫實(shí)施爆破卸壓時(shí)的圍巖應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng).通過在卸壓炮孔附近布置鉆孔、安置鉆孔應(yīng)力計(jì)(圖4中1),可觀測(cè)到爆破前后巷道圍巖中應(yīng)力水平的變化情況
,如式(6)所示
,(6)
式中 ,分別為爆破卸壓前后巷道圍巖中的應(yīng)力.顯然, 的值越大,說明爆破卸壓效果越好,反之則差.為了準(zhǔn)確把握爆破卸壓的效果及其圍巖應(yīng)力沿炮孔深度的變化規(guī)律,測(cè)試鉆孔的深度應(yīng)超過爆破鉆孔500mm,并按每米鉆孔布置一個(gè)應(yīng)力計(jì)的要求安裝鉆孔應(yīng)力計(jì).
5.4.2爆破前后巷道表面變形監(jiān)測(cè)
爆破卸壓效果的好壞也可以通過巷道表面變形表現(xiàn)出來,因此,在未實(shí)施爆破卸壓的巷道段和實(shí)施了爆破卸壓的巷道段可各取2~3個(gè)斷面進(jìn)行觀測(cè),測(cè)點(diǎn)布置如圖4中3所示.由于巷道表面變形具有較長(zhǎng)周期性,因此,巷道表面變形觀測(cè)的時(shí)間要比圍巖應(yīng)力的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng).通過對(duì)比實(shí)施了爆破卸壓和未實(shí)施爆破卸壓段巷道表面圍巖的變形情況,如果實(shí)施了爆破卸壓的巷道表面變形小、圍巖穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),則說明爆破卸壓的效果好.
在觀測(cè)的基礎(chǔ)上,綜合分析不同爆破參數(shù)下的變化,以及爆破卸壓前后巷道表面變形的發(fā)展情況,可獲得適合某種圍巖條件的最佳卸壓爆破參數(shù),從而為有效地實(shí)施和應(yīng)用爆破卸壓技術(shù)進(jìn)行深部軟巖巷道的支護(hù)提供指導(dǎo).
5.5小結(jié)
1)軟巖巷道爆破卸壓的作用機(jī)理是硬化爆點(diǎn)附近軟巖、形成爆擴(kuò)空腔和裂隙區(qū),最終形成卸壓區(qū),并使高地應(yīng)力轉(zhuǎn)移到距巷幫R以遠(yuǎn)的圍巖深部.提高爆破卸壓效果的關(guān)鍵是增大軟巖硬化區(qū)域,擴(kuò)大空腔體積和裂隙區(qū)范圍.
2)爆破卸壓效果受巖石性質(zhì)、炮孔直徑、炮孔間距和抵抗線,以及炸藥性質(zhì)、起爆方式、相鄰炮孔的起爆時(shí)序等因素影響.加大炮孔直徑、提高裝藥密度、選擇高爆速炸藥,有利于形成較大的爆擴(kuò)空腔和裂隙區(qū),有利于地應(yīng)力的釋放和轉(zhuǎn)移.
3)相臨炮孔的最小間距應(yīng)滿足,以避免相鄰炮孔間卸壓效果的相互削弱.
4)在確保不破壞巷道圍巖的條件下,應(yīng)盡可能減少炮孔深度,這樣既能降低鉆孔的難度,又有利于形成較大的爆擴(kuò)空腔.相鄰炮孔的起爆時(shí)序、柱狀藥包的起爆方式對(duì)卸壓效果的影響,需要通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究.
6總結(jié)
高應(yīng)力區(qū)巷道的維護(hù)可以通過卸壓來降低其所在區(qū)域的應(yīng)力大小,并通過優(yōu)化支護(hù)方式及參數(shù)來保持其穩(wěn)定性,而卸壓程度的高低則影響著巷道變形的大小。理論分析及實(shí)踐表明,采用開采卸壓來降低巷道區(qū)域的應(yīng)力,并優(yōu)化支護(hù)方式及參數(shù)可以有效維護(hù)高應(yīng)力區(qū)巷道的穩(wěn)定性。
對(duì)該礦軌道上山的底臌現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,并對(duì)采用巷道底板切槽、兩幫切槽進(jìn)行卸壓條件下的圍巖應(yīng)力分布和底板巖層位移進(jìn)行了分析。卸壓法可以使巷道在開挖時(shí)就處于相對(duì)的低應(yīng)力區(qū),從而保護(hù)圍巖的完整性,為后期巷道的支護(hù)加固創(chuàng)造有利條件。底板開槽時(shí),開槽深度對(duì)卸壓效果有明顯的影響。模擬結(jié)果表明,開槽深度為底板寬度的60%左右時(shí),卸壓效果最好且開槽的工程量最少。
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