劉 東

(山西保利平山煤業(yè)股份有限公司，山西 沁水 048205)

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沿空掘巷頂板破斷特征及不對稱控制技術(shù)

劉 東

(山西保利平山煤業(yè)股份有限公司，山西 沁水 048205)

某礦605綜放工作面留設(shè)10 m窄煤柱后，沿空掘巷過程中易出現(xiàn)冒頂、垮幫、支護(hù)體損毀等強(qiáng)礦壓現(xiàn)象。以605回風(fēng)平巷窄煤柱段為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬和井下試驗(yàn)等方法進(jìn)行分析研究，得知基本頂斷裂位置在煤柱內(nèi)6.5 m處，基本頂中關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動是巷道破壞的根本原因。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，提出了非對稱的“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”支護(hù)方案，控制圍巖非對稱變形破壞，現(xiàn)場實(shí)施后巷道維護(hù)狀態(tài)較穩(wěn)定。

窄煤柱；沿空掘巷；數(shù)值模擬；不對稱支護(hù)

大型綜放開采特別是長達(dá)200～300 m及以上的大型綜放面已成為我國當(dāng)前綜放開采的重要發(fā)展方向，大型綜放開采必然帶來巷道斷面尺寸擴(kuò)大、采場支承壓力范圍和峰值顯著增大、采動影響程度劇烈和礦山壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重，加之建設(shè)和發(fā)展資源節(jié)約型礦井使煤柱寬度趨小，尤其是在窄煤柱條件下，傳統(tǒng)煤巷礦壓理論與控制技術(shù)難以甚至根本不能適應(yīng)新的綜放開采生產(chǎn)技術(shù)條件和發(fā)展對頂板煤巖體破壞控制的要求[1-3].

1 地質(zhì)概況

某礦605綜放工作面的北部為正在回采的603綜放工作面，兩工作面之間的區(qū)段煤柱在回風(fēng)平巷開始掘進(jìn)階段留設(shè)35 m的寬煤柱，掘進(jìn)到工作面推進(jìn)長度一半左右時(shí)，為了能夠更好地利用煤炭資源，提高回采率，現(xiàn)場回風(fēng)平巷工業(yè)性試驗(yàn)留設(shè)10 m的窄煤柱進(jìn)行掘進(jìn)。605綜放面所采3#煤層煤厚5.44～10.15 m，平均7.8 m，煤層傾角5°～18°，平均傾角12°. 距煤層直接底0.60 m處含一層夾矸(泥巖)平均厚0.3 m，在工作面范圍內(nèi)廣泛分布。3#煤偽頂為炭質(zhì)泥巖，直接頂為粉砂巖、細(xì)砂巖，基本頂為粗砂巖。603工作面平面位置示意圖見圖1.

圖1 603工作面平面位置示意圖

2 回風(fēng)平巷礦壓顯現(xiàn)

605綜放面回風(fēng)平巷為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬5 140 mm×高4 000 mm，巷道長度1 500 m，在巷道掘進(jìn)方向煤柱一幫布置了水溝。605工作面回風(fēng)平巷原有支護(hù)方案采用錨、網(wǎng)、索、噴漿、“W”鋼帶聯(lián)合對稱的支護(hù)方式[4]，實(shí)體煤幫與煤柱幫的支護(hù)方式完全相同，頂板及兩幫噴漿厚度70 mm，底板噴漿厚度200 mm.

605綜放面區(qū)段回風(fēng)平巷在相鄰603工作面開采結(jié)束后掘進(jìn)，受603工作面殘余支承壓力的影響，且在掘進(jìn)過程中揭露較多小構(gòu)造，在巷道掘進(jìn)至窄煤柱段時(shí)，對605回風(fēng)平巷依舊沿用原有的對稱支護(hù)方式，礦壓顯現(xiàn)情況見圖2.

圖2 回風(fēng)平巷窄煤柱段礦壓顯現(xiàn)圖

由圖2可知，巷道頂板穩(wěn)定性差，易發(fā)生離層破壞和顯著下沉變形(圖2a)，不利于形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，頂煤與上部巖層之間容易發(fā)生離層而可能導(dǎo)致嚴(yán)重的垮冒事故；在窄煤柱的條件下，相鄰工作面支承壓力對巷道變形影響更大，加快了煤幫的變形破壞程度(圖2b)，出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，程度嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)煤幫垮

塌現(xiàn)象；上區(qū)段工作面端頭基本頂斷裂形成的弧形三角塊在受到采動影響時(shí)，頂板發(fā)生下沉運(yùn)動，將會對回風(fēng)平巷頂板小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的偏斜擠壓作用力。該擠壓力的水平分量將會加大回風(fēng)平巷淺部頂板彎曲變形量和撓度，同時(shí)伴隨著水平運(yùn)動(圖2c)以及頂板與煤柱交界附近的擠壓破碎(圖2d)，這在窄煤柱條件下時(shí)會顯得尤為突出[5，6].

3 回風(fēng)平巷頂板斷裂及運(yùn)移規(guī)律

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場采用鉆孔窺視儀對窄煤柱段巷道頂板圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。窄煤柱段巷道基本頂?shù)臄嗔盐恢门c基本頂、直接頂、煤層三者的厚度和力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也受采深、原巖應(yīng)力狀態(tài)、采高等因素影響，為避免鉆孔窺視工作的盲目性，選取回風(fēng)平巷窄煤柱段頂板變形相對較大處斷面，現(xiàn)場打鉆、鉆孔窺視，對各鉆孔窺視結(jié)果進(jìn)行分析對比，找出有基本頂斷裂本征的鉆孔，通過三角幾何關(guān)系計(jì)算出發(fā)生斷裂處的大致位置，然后在此位置通過補(bǔ)打鉆孔進(jìn)行鉆孔窺視工作，直至最終確定基本頂斷裂位置，見圖3.

圖3 裂隙分布及基本頂斷裂位置綜合圖

從圖3可以看出，窄煤柱段煤巷頂板呈非對稱破壞，靠近煤柱幫頂板裂隙滋生，且縱向裂隙和破碎帶較多，相比較而言，靠近實(shí)體煤幫頂板相對破壞較輕，裂隙分布范圍較窄，貫通垂直裂隙較少且較小，且基本頂斷裂位置在煤柱體內(nèi)6.5 m位置處?，F(xiàn)場鉆孔窺視觀測結(jié)果對窄煤柱段煤巷圍巖破壞非對稱結(jié)構(gòu)研究提供了現(xiàn)場實(shí)踐依據(jù)。

3.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)605綜放面地質(zhì)生產(chǎn)條件，采用UDEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，煤層厚度7.8 m，巷道尺寸為寬5.5 m×高4.0 m，窄煤柱寬度10 m，主要研究窄煤柱段煤巷覆巖大結(jié)構(gòu)動態(tài)演化規(guī)律及巷道頂板水平變形破壞過程。模型走向長度為200 m，垂直高度為60 m，開挖工作面長度為100 m，底部邊界限制垂直位移，左右邊界限制水平位移。巖塊采用莫爾-庫倫模型，節(jié)理為接觸庫倫滑移模型。本次模擬中各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，表2.

表1 計(jì)算模型中煤巖體力學(xué)參數(shù)表

表2 計(jì)算模型煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)表

為監(jiān)測窄煤柱段煤巷覆巖大結(jié)構(gòu)動態(tài)演化過程及頂板不同層位巖層水平運(yùn)動情況，將UDEC計(jì)算模型分別計(jì)算至2 000、4 000、6 000、8 000步，研究分析不同時(shí)步下沿空巷道頂板大結(jié)構(gòu)運(yùn)動形式、塑性破壞、運(yùn)移規(guī)律特征，見圖4.

圖4 覆巖運(yùn)移和巷道圍巖破壞模擬圖

由圖4可知，模型運(yùn)算至2 000 step時(shí)，基本頂關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)僅有輕微彎曲下沉，尚未形成砌體梁結(jié)構(gòu)；當(dāng)模型運(yùn)算至4 000 step時(shí)，采空區(qū)直接頂已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的離層破壞，基本頂亦出現(xiàn)了較為明顯的下沉運(yùn)動，采空區(qū)煤柱幫向采空區(qū)明顯擠出，且?guī)拖虏繑D出變形更為突出；當(dāng)模型運(yùn)算至6 000 step時(shí)，采空區(qū)基本頂出現(xiàn)了較為明顯回轉(zhuǎn)運(yùn)動，基本頂在煤柱上側(cè)出現(xiàn)斷裂，并以斷裂線為軸線出現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，此時(shí)，煤柱在基本頂結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)作用下出現(xiàn)更為嚴(yán)重的外擠變形；當(dāng)模型運(yùn)算8 000 step時(shí)，采空基本頂已經(jīng)近乎全部冒落以斷裂線為軸出現(xiàn)了較大回轉(zhuǎn)，基本頂回轉(zhuǎn)力亦達(dá)到較大值，同時(shí)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)亦造成了巷道頂板出現(xiàn)向下的撓度變形，對巷道頂板產(chǎn)生擠壓變形。此時(shí)，10 m煤柱出現(xiàn)較大變形，尤其是靠近采空區(qū)側(cè)煤柱幾乎坍塌，巷道內(nèi)，煤柱幫上下不對稱變形更加突出，頂板傾斜變形也達(dá)到最大值，同時(shí)塊體之間的水平擠壓也達(dá)到最大量值。

4 窄煤柱段不對稱支護(hù)

由現(xiàn)場窄煤柱段巷道礦壓顯現(xiàn)分析及覆巖運(yùn)動及位移演化規(guī)律的研究可知，頂板彎矩關(guān)于巷道軸向中心線呈現(xiàn)顯著非對稱分布，最大值約位于頂板中心偏煤柱側(cè)L/8的位置，該區(qū)域頂板極易破碎，完整性差。針對窄煤柱段巷道礦壓顯現(xiàn)的特點(diǎn)，提出非對稱的“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”的關(guān)鍵支護(hù)系統(tǒng)，用于現(xiàn)場窄煤柱護(hù)巷回風(fēng)平巷的圍巖控制，且槽鋼梁位于彎矩和撓度的“重心”位置，具體的不對稱支護(hù)系統(tǒng)見圖5.

圖5 窄煤柱段回風(fēng)平巷不對稱支護(hù)系統(tǒng)圖

現(xiàn)場實(shí)施不對稱支護(hù)后，在距605工作面切眼110 m處布置礦壓觀測站，在工作面推進(jìn)過程中測站圍巖變形趨勢見圖6. 采動影響前巷道圍巖變形呈現(xiàn)小幅增長，且?guī)筒繉Σ蓜拥拿舾行源笥陧數(shù)装?，由于該測站服務(wù)的時(shí)間相對較長，其圍巖移近量也較大，至工作面推至測站處，頂板累計(jì)下沉量165 mm，兩幫累計(jì)移近量122 mm，均在安全范圍之內(nèi)?？梢姡粚ΨQ支護(hù)系統(tǒng)能夠使回風(fēng)平巷在工作面采動作用影響下基本無離層現(xiàn)象，巷道維護(hù)狀態(tài)比較穩(wěn)定。

圖6 試驗(yàn)段巷道礦壓觀測圖

5 結(jié) 論

1) 605綜放工作面留設(shè)10 m護(hù)巷窄煤柱后，巷道圍巖出現(xiàn)了頂煤破碎及頂板顯著下沉、煤柱幫大變形、巖層水平移動鋼帶折斷和肩角擠壓破碎與錨桿失效等礦壓顯現(xiàn)問題。

2) UDEC模擬結(jié)果表明，覆巖中關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動是巷道呈現(xiàn)頂板不對稱變形和水平剪切錯(cuò)動及煤柱失穩(wěn)破壞的根本原因。

3) 提出非對稱的“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”的關(guān)鍵支護(hù)系統(tǒng)，現(xiàn)場實(shí)施后工作面在采動作用影響下基本無離層現(xiàn)象，巷道維護(hù)狀態(tài)比較穩(wěn)定。

[1] 何富連，高 峰，梅 星，等.綜放沿空掘巷不對稱支護(hù)加固工業(yè)試驗(yàn)[J]．煤炭技術(shù)，2016，35(4)：37-39.

[2] 楊增強(qiáng)，竇林名，張潤兵，等.特厚煤層巷道掘巷支護(hù)防沖研究[J]．煤炭工程，2013(4)：80-83.

[3] 梅 星．綜放大斷面沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性及不對稱支護(hù)[D]．北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

[4] 張 勇，張 保，張春雷，等.厚煤層采動裂隙發(fā)育演化規(guī)律及分布形態(tài)研究[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，21(6)：935-940.

[5] 張廣超，何富連.深井高應(yīng)力軟巖巷道圍巖變形破壞機(jī)制及控制[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(4)：571-577.

[6] 張廣超，何富連.大斷面強(qiáng)采動綜放煤巷頂板非對稱破壞機(jī)制與控制對策[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(4)：806-817．

Research on Roof Broken Characteristics and Asymmetric Control Technology in Gob-side Entry Driving

LIU Dong

10 m narrow coal pillar in a fully mechanized top coal caving mining face has been reserved in No.605 roadway, the roadway becomes more prone to roof fall, side-rib collapsed and damage of support parts during the process of driving along the goaf. With narrow coal pillar section in No.605 roadway as the research object, using the field investigation, theoretical analysis, numerical simulation and field test method, the results show that the basic top fault located 6.5 m inside the coal pillar, and the root cause of roadway deformation comes from block B with subsided and rotated movement of is. Based on the site geological conditions, an asymmetric multi-anchor-channel-reinforced composite ring beam support program is introduced to control the asymmetric surrounding rock deformation, After the implementation of the project, the roadway condition is relatively stable, and the workload for maintenance reduced.

Narrow pillar; Gob-side entry driving; Numerical simulation; Asymmetric support

2017-02-09

劉 東(1989—)，男，山西平順人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦掘進(jìn)技術(shù)管理工作

(E-mail)172544981@qq.com

TD327.2

B

1672-0652(2017)03-0049-04