崔旭東

（西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西太原030022）

紅山煤礦急傾斜煤層巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

崔旭東

（西山煤電集團(tuán)公司杜兒坪礦，山西太原030022）

為研究紅山煤礦急傾斜煤層的巷道破壞機(jī)理及其圍巖穩(wěn)定性控制，本文采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對(duì)急傾斜煤層水平分段放頂煤開(kāi)采過(guò)程中頂板產(chǎn)生的跨層拱現(xiàn)象，揭示了位于前拱腳的巷道因受到不均衡的支承壓力，巷道圍巖的變形和破壞會(huì)表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性特征，并提出針對(duì)性的支護(hù)方案，確保了巷道的變形量滿足生產(chǎn)要求。

急傾斜；水平分段；跨層拱；穩(wěn)定性；控制

急傾斜煤層是指煤層賦存角為45°以上的煤層，是國(guó)際公認(rèn)的難采煤層。我國(guó)急傾斜煤層約占煤炭?jī)?chǔ)量的15%左右。隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采儲(chǔ)量的減少以及開(kāi)采難度的增加，急傾斜煤層在我國(guó)煤礦開(kāi)采中所占的比重也會(huì)有所提高。

針對(duì)急傾斜煤層巷道的破壞以及穩(wěn)定性控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論研究和裝備研發(fā)。其中，學(xué)者Atkinson提出急斜煤層開(kāi)采后，直接頂冒落帶的高度一般為采高的3～5倍，隨采空區(qū)面積的增大，老頂開(kāi)始移動(dòng)并沉降在直接頂垮落的矸石上。老頂巖層離層下沉的范圍內(nèi)，個(gè)別巖層之間將失去力的聯(lián)系，從而形成卸載拱［1］。王寧波、張農(nóng)教授研究了急傾斜特厚煤層綜放工作面采場(chǎng)運(yùn)移與巷道圍巖破裂特征，提出了急傾斜煤層巷道圍巖破裂具有分區(qū)分布的特征［2］。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的主要內(nèi)容集中在急傾斜煤層的采煤工藝、巷道的破壞機(jī)理、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律以及支護(hù)技術(shù)，本文將以農(nóng)十三師紅山煤礦為工程背景，研究急傾斜煤層回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理，同時(shí)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行反向驗(yàn)證，進(jìn)而提出控制急傾斜煤層巷道變形失穩(wěn)的有效方法。

1 地質(zhì)概況

紅山煤礦是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)十三師下屬煤礦，礦界內(nèi)屬由西南向東北緩傾的戈壁準(zhǔn)平原，海拔+1 660～+1 630 m，呈現(xiàn)構(gòu)造剝蝕和剝蝕堆積的荒漠地貌。目前，煤礦主采中4-4煤層，中4-4煤層在回采工作面所采區(qū)域平均厚度8 m，傾角80°～85°，頂板為灰白色細(xì)砂巖，底板為淺灰色中粉砂巖，中4-4煤層與中4-3煤層平均間距10 m，采用“水平分段輕型液壓支架放頂煤”采煤法。中4-4煤層西翼回采工作面運(yùn)輸巷標(biāo)高+1 420 m，工作面區(qū)段垂高10 m，走向長(zhǎng)度465 m；巷道沿頂板掘進(jìn)，左幫即為頂板巖層，巷道斷面為梯形，凈斷面為5.4 m2。

2 急傾斜煤層巷道破壞特征分析

急傾斜煤層因?yàn)槊簩觾A角的特殊性，使得巷道圍巖應(yīng)力分布在同一斷面內(nèi)具有非對(duì)稱性，從而引起巷道在掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的變形和破壞呈明顯的非對(duì)稱性。急傾斜煤層與采緩斜和傾斜煤層回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是相同的，然而在開(kāi)采急傾斜煤層時(shí)，由于煤層傾角較大，巖石重力作用方向發(fā)生一定的變化（見(jiàn)圖1），使得急傾斜煤層的圍巖運(yùn)移、頂板冒落形態(tài)以及巷道的變形破壞特征與緩傾斜煤層有了較大的不同。急傾斜煤層回采巷道變形呈現(xiàn)對(duì)角式不對(duì)稱分布，尤其巷道右?guī)偷氖芰ψ畲蟆?/p>

同時(shí)，由于我國(guó)目前對(duì)急傾斜煤層的回采主要采用“水平分段放頂煤”采煤法，與緩傾斜煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采基本頂形成沿走向的“砌體梁”結(jié)構(gòu)不同。急傾斜煤層水平分段開(kāi)采主要是在工作面上方頂煤和殘留煤矸石中，形成平行于工作面的拱結(jié)構(gòu)，是一個(gè)從頂板到底板方向跨越整個(gè)煤層的結(jié)構(gòu)，稱之為“跨層拱”結(jié)構(gòu)［3，4］。具體的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖1 傾角對(duì)礦山壓力的影響示意圖

圖2 “跨層拱”結(jié)構(gòu)圖

急傾斜煤層水平分段開(kāi)采中，“跨層拱”結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，導(dǎo)致的工作面來(lái)壓會(huì)嚴(yán)重影響巷道的穩(wěn)定性。跨層拱結(jié)構(gòu)的拱腳會(huì)作用在頂?shù)装宓南鄳?yīng)位置，在紅山煤礦的中4-4煤層西翼回采工作面運(yùn)輸巷，開(kāi)挖的位置正好位于前拱腳（見(jiàn)圖3），而且巷道的斷面為梯形，煤巖層不僅受重力作用下沉，而且有沿其傾斜面自動(dòng)下滑的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致巷道頂幫的下沉量明顯增大，伴隨巷道的掘進(jìn)過(guò)程以及圍巖的松動(dòng)破壞，頂幫和右?guī)彤a(chǎn)生的非對(duì)稱變形和應(yīng)力的不均衡現(xiàn)象更加明顯。巷道兩幫因?yàn)榭鐚庸扒肮澳_的集中支承壓力不均衡分布，就造成了巷道偏右?guī)吞幏植嫉捻攭骸?cè)壓急劇升高，相應(yīng)區(qū)域的圍巖位移變形量增加，煤巖體破壞加劇。因此，局部的冒頂大多出現(xiàn)在前拱腳作用的“幫-頂”范圍內(nèi)，所以，支護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該是巷道的右?guī)鸵约绊敯濉?/p>

表1 模型各巖層的力學(xué)參數(shù)表

圖3 巷道受跨層拱結(jié)構(gòu)影響示意圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限元軟件，根據(jù)紅山煤礦的綜合柱狀圖，得到了大致的煤巖層參數(shù)，共取5個(gè)層位，自下而上分別是細(xì)砂巖、中4-4煤層、粉砂巖、中4-3煤層、粉砂巖，其厚度則分別取為24 m、8 m、10 m、6 m、12 m。建立急傾斜煤層開(kāi)采的物理模型，模型的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=60 m×30 m×50 m，模型共劃分79 380個(gè)網(wǎng)格，88 951個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體的模型見(jiàn)圖4。

圖4 紅山煤礦數(shù)值模擬模型圖

模型中主采的中4-4煤層厚為8 m，傾角為80°，工作面運(yùn)輸巷標(biāo)高+1 420 m，巷道斷面為梯形，其中底邊2.8 m，頂邊2.6 m，巷高2 m，斷面面積為5.4 m2，掘進(jìn)時(shí)沿頂板掘進(jìn)。模型中煤體的網(wǎng)格劃分為0.5 m× 0.5 m×0.5 m，頂板及底板劃分為1 m×1 m×1 m，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，頂部為自由邊界，建立的數(shù)值模擬材料參數(shù)見(jiàn)表1。

紅山煤礦中4-4煤層西翼回采工作面運(yùn)輸巷標(biāo)高+1 420 m，其埋深為240 m，根據(jù)巷道的位置以及模型的尺寸，給模型的上邊界施加的載荷約為5.5 MPa，模型的水平應(yīng)力施加約為3.4 MPa，通過(guò)初始的平衡求解，得到巷道在未進(jìn)行支護(hù)時(shí)水平方向和豎直方向上的位移變化云圖，見(jiàn)圖5，圖6。

圖5 未支護(hù)時(shí)Z方向位移云圖

圖6 未支護(hù)時(shí)X方向位移云圖

從圖5，6可以看出，巷道的變形位移在同一斷面內(nèi)有明顯的非對(duì)稱或不均衡性，頂?shù)装宓囊平恐饕性谙锏理攷偷南鲁?，下沉量約為50.5 mm，而兩幫的移近量也主要集中在右?guī)偷淖冃?，變形位移約為19.2 mm，變形的結(jié)果和理論分析中巷道位于“跨層拱”的前拱腳位置時(shí)，頂幫和右?guī)偷淖冃?、破壞最?yán)重的結(jié)論一致。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)巷道的破壞形式以及位移情況，設(shè)計(jì)支護(hù)方案如下：巷道頂幫采用4根IV級(jí)左旋螺紋鋼高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿，錨桿規(guī)格為d20 mm×2 400 mm，錨桿間排距700 mm×1 000 mm。最左邊錨桿距左幫頂端為30 mm，最右邊錨桿向頂帶45°施工于巷幫圍巖中。巷道右?guī)筒坎捎?根左旋全螺紋錨桿，錨桿規(guī)格為d20 mm×2 200 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，底端錨桿距底板20 mm。巷道左幫部采用2根左旋全螺紋錨桿，錨桿規(guī)格為d20 mm×1 800 mm，錨桿間排距為1 200 mm×1 200 mm，底端錨桿距底板50 mm。具體的支護(hù)布置方式見(jiàn)圖7。

圖7 巷道支護(hù)布置方式示意圖

根據(jù)未支護(hù)時(shí)的模擬結(jié)果：巷道整體的變形量較小，主要是集中在頂幫和右?guī)?，通過(guò)設(shè)計(jì)支護(hù)，主要控制頂幫和右?guī)偷奈灰疲玫街ёo(hù)以后巷道的位移情況，見(jiàn)圖8，圖9。

圖8 支護(hù)后Z方向位移云圖

圖9 支護(hù)后X方向位移云圖

從圖8，9可以看出，通過(guò)支護(hù)，巷道的頂幫和右?guī)偷淖冃瘟康玫搅溯^好的控制，頂幫的下沉量控制在11.2 mm，右?guī)偷奈灰屏靠刂圃?.3 mm，控制效果良好，可以滿足紅山煤礦的急傾斜開(kāi)采條件。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)農(nóng)十三師紅山煤礦急傾斜煤層的巷道穩(wěn)定性破壞機(jī)理的分析得出：由于紅山煤礦的煤層傾角較大，達(dá)到80°～85°，所以，在使用水平分段放頂煤開(kāi)采時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的“跨層拱”現(xiàn)象，而開(kāi)采過(guò)程中巷道的布置位置正好處于“跨層拱”的前拱腳位置，使得巷道圍巖的變形和破壞在同一斷面內(nèi)有明顯的非對(duì)稱或不均衡性，主要集中在巷道的“幫-頂”范圍內(nèi)。

通過(guò)數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了紅山煤礦的巷道破壞形式，由于埋深較淺，整體的變形不大但是主要集中在右?guī)秃晚敯?，通過(guò)支護(hù)設(shè)計(jì)，最終使兩幫移近量控制在5.3 mm，頂板下沉量控制在11.2 mm，取得了較好的支護(hù)效果。

［1］Atkinson，T.Thick，steep and irregular coal seam mining［J］.The Mining Engineer，1979:421-441.

［2］王寧波，張農(nóng)，崔峰，等.急傾斜特厚煤層綜放工作面采場(chǎng)運(yùn)移與巷道圍巖破裂特征［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（8）：1312-1317.

［3］郭建國(guó).急斜特厚煤層綜放回采巷道穩(wěn)定性控制研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2010：14-18.

［4］石平五，張幼振.急傾斜煤層放頂煤開(kāi)采“跨層拱”結(jié)構(gòu)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，25（1）：79-82.

Research on Roadway Stability Control Technolgy of Steep Dip Coal Seam in Hongshan Coal Mine

Cui Xu-dong

In order to study on roadway failure mechanism and surrounding rock stability of steep dip coal seam in Hongshan coal mine，adopts the method of theoretical analysis and numerical simulation，aiming at the phenomenon that roof occurs crossing layer arch in the process of steep dip coal seam horizontal section sublevel caving mining，reveals that deformation and failure of roadway surrounding rock obviously have the asymmetric characteristic because of the unbalanced abutment pressure of roadway in front abutment，and puts forward specific supporting scheme，ensures the deformation of roadway to meet production requirements.

Steep dip；Horizontal section；Cross layer arch；Stability；Control

TD322

B

1672-0652（2014）12-0008-03

2014-11-12

崔旭東（1983—），男，山西婁煩人，2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤礦管理工作（E-mail）13834235998@139.com