陳剛，孫廣義，王瓊

(1.黑龍江科技學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150027;2.哈爾濱學(xué)院，哈爾濱150086)

大采高綜采是指厚度大于3.5 m的煤層，采用一次采全高技術(shù)的綜采方法，該方法具有回采效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但由于大采高回采巷道斷面大，在回采過程中常會出現(xiàn)變形嚴(yán)重、維護(hù)困難等工程問題［1］，尤其是在深井大采高回采巷道中，該問題更為嚴(yán)重［2］，影響正常生產(chǎn)。生產(chǎn)實踐表明，大采高開采在采場和回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制方面與其他開采方法明顯不同［3］，且多沿用現(xiàn)有的支護(hù)理論和支護(hù)方式。這就導(dǎo)致在大采高回采巷道條件下，由于礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤幫塑性區(qū)范圍大，巷道變形嚴(yán)重［4－5］，錨桿、錨索等支護(hù)材料隨煤體整體移出［6］，嚴(yán)重影響巷道支護(hù)效果和安全程度。因此，開展大采高回采巷道的控制技術(shù)研究尤為必要。筆者以龍煤集團(tuán)城山煤礦為背景，采用現(xiàn)場測試、理論分析、數(shù)值模擬的綜合方法對大采高回采巷道的塑性區(qū)范圍進(jìn)行研究，目的是為大采高回采巷道支護(hù)設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。

1 工程概況與實測范圍

1.1 工程概況

龍煤集團(tuán)雞西分公司城山煤礦開采深度大于800 m，屬于典型的深井大采高開采礦。該礦145采煤工作面位于城山煤礦立井東一采區(qū)3B#煤層右四面，北起工作面上巷，南至工作面下巷，西起切眼，東至采止線。煤層平均傾角8°，平均采高為4.45 m，頂?shù)装鍨樯皫r及砂頁巖。該工作面上巷采用錨桿、錨索支護(hù)，但在服務(wù)期內(nèi)，礦壓顯現(xiàn)劇烈，煤幫塑性區(qū)范圍大，巷道變形嚴(yán)重，錨桿、錨索隨煤體整體移出、失效，嚴(yán)重影響了巷道支護(hù)效果和安全程度。

1.2 回采巷道圍巖松動范圍實測

為了獲得巷道圍巖松動相關(guān)技術(shù)參數(shù)，使用聲波儀和鉆孔窺視儀探測巷道塑性區(qū)范圍和圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)。利用鉆孔窺視儀可以直觀地看到鉆孔周圍圍巖的碎裂狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 巖層鉆孔探測圖像Fig.1 Detection image in rockhole

由圖1可以看出，該巷道圍巖主要存在沿鉆孔軸向斷裂狀破壞(圖1a)和破碎狀破壞(圖1b)兩種破壞形式，即巷道圍巖已產(chǎn)生了松動破壞。

采用KDZ1114－3型便攜式聲波探測儀對圍巖的松動情況進(jìn)行驗證。測點位于145采煤工作面上巷靠近采區(qū)車場一側(cè)，鉆孔孔徑為42 mm，由于設(shè)備和測試場地條件限制，鉆孔數(shù)量為三個，鉆孔深度為3～4 m。各測孔的波形圖如圖2所示。

圖2 測孔波形Fig.2 Waveform graph in rockhole

由圖2可以看出，在三個測孔的測試圍巖范圍內(nèi)，巖石全部處于松動狀態(tài)，即圍巖松動范圍大于4 m。但由于測試設(shè)備條件限制，該巷道圍巖的具體松動范圍尚無法準(zhǔn)確測定。

2 塑性區(qū)分布范圍理論分析

在巷道開挖以后，上覆巖層的壓力重新分布，巷道兩幫煤體在一定深度內(nèi)形成支撐壓力帶。由于支撐壓力的作用和開采擾動等因素的影響，煤體一定深度內(nèi)的煤巖已破壞，一般認(rèn)為煤柱邊界處支撐壓力為零，隨著向煤柱內(nèi)部深度的增加，支撐壓力逐漸增大，直至達(dá)到峰值。煤柱邊界至支撐壓力峰值這一區(qū)域稱為煤柱的塑性區(qū)。該區(qū)的寬度是巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計是否可靠的關(guān)鍵，同時也是煤柱設(shè)計的重要依據(jù)。［7］

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論分析可得圓形巷道塑性區(qū)半徑計算公式:

式中:Rp——塑性區(qū)半徑，m;

γ——上覆巖石容重，kN/m3;

H——埋深，m;

c——煤黏聚力，MPa;

φ——煤內(nèi)摩擦角，(°)。

R0——巷道半徑，m。

非圓形巷道目前仍不能從理論上解決其塑性區(qū)形狀及大小問題，但可以采用將其視半徑作為圓形巷道的外接圓半徑進(jìn)行計算，求得塑性區(qū)半徑后再乘以修正系數(shù)(η)，得到非圓形巷道的塑性區(qū)范圍［8］。計算式為

參考城山礦相鄰礦井實驗資料，煤的內(nèi)聚力取2 MPa，內(nèi)摩擦角取35°，修正系數(shù)η取1.4，巷道埋深為800 m，上覆巖層平均容重26.5 kN/m3。通過式(1)計算得該回采巷道圍巖塑性區(qū)范圍為11～14 m。

3 有限元模擬

利用ANSYS軟件對龍煤集團(tuán)城山煤礦145采煤工作面上巷圍巖松動范圍進(jìn)行模擬分析。依據(jù)該工作面上巷實際情況建立五組有限元模型。模型長100 m，寬100 m;巷道位于模型中心，寬度4 m，高度分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m，力學(xué)參數(shù)見表1。模型上邊界為壓力載荷20.0 MPa，下邊界及兩側(cè)為固定支撐邊界。

各工況下巷道圍巖的塑性區(qū)分布范圍如圖3所示。圖3中巷道周邊空白區(qū)域為圍巖塑性區(qū)，巷道高3.0 m時，兩幫塑性區(qū)最大11.2 m，頂板塑性區(qū)最大8.7 m，底板塑性區(qū)最大9.2 m;巷道高3.5 m時，兩幫塑性區(qū)最大13.3 m，頂板塑性區(qū)最大9.0 m，底板塑性區(qū)最大10.4 m;巷道高4.0 m時，兩幫塑性區(qū)最大16.5 m，頂板塑性區(qū)最大9.6 m，底板塑性區(qū)最大9.2 m;巷道高4.5 m時，兩幫塑性區(qū)最大19.5 m，頂板塑性區(qū)最大10.6 m，底板塑性區(qū)最大13.0 m;巷道高5.0 m時，兩幫塑性區(qū)最大22.0 m，頂板塑性區(qū)最大11.5 m，底板塑性區(qū)最大16.0 m。

表1 力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters

圖3 塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic stress distribution

圍巖松動范圍最大值(lmax)與巷道高度之間關(guān)系曲線如圖4所示。從五組模擬結(jié)果來看，巷道周圍塑性區(qū)范圍兩幫最大，底板次之，頂板相對最小，且塑性區(qū)范圍隨著巷道高度的增加而增大。巷道高度為5.0 m時兩幫塑性區(qū)最大值比巷道高3.0 m增加了96%，頂板塑性區(qū)最大值增加了32%，底板塑性區(qū)最大值增加了74%，由此可見，巷道高度越大，對兩幫和底板的支護(hù)越困難。

圖4 塑性區(qū)范圍與巷道高度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between plastic range and roadway height

4 結(jié)束語

由龍煤集團(tuán)城山煤礦145采煤工作面的現(xiàn)場觀測、理論分析和有限元模擬結(jié)果可以看出，隨著巷道高度的增加，圍巖的塑性區(qū)范圍不斷增加，其中兩幫增量最大，其次是底板，頂板塑性區(qū)最大值增量最小。根據(jù)塑性區(qū)影響范圍及其與巷道高度之間的關(guān)系，建議采用以下兩種方法:一是在滿足生產(chǎn)安全、運輸、通風(fēng)、行人的情況下盡可能減小巷道高度;二是增加注漿工藝，將破碎的圍巖黏結(jié)成一個整體，增加圍巖整體強度，以達(dá)到有效控制巷道圍巖的目的。

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