楊福禹 張振揚 任振群 郝生雷 周江闊
(兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦,山東省濟寧市,272069)
近年來,沿空留巷是我國無煤柱護巷技術(shù)研究的重要組成部分,沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭采出率的提高、巷道掘進量的降低、解決采掘接替的矛盾、增加煤礦的服務(wù)年限,避免煤炭資源的大量損失,其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益顯著。但是,隨著沿空留巷技術(shù)在我國近水平煤層的廣泛應(yīng)用,成本高、巷旁支護強度低、巷道變形大、效果差等問題成為制約沿空留巷技術(shù)研究的瓶頸。
針對現(xiàn)階段沿空留巷技術(shù)存在的諸多問題,本文以濟寧三號煤礦183上04工作面沿空留巷為研究背景,通過建立力學(xué)模型和數(shù)值模擬分析,確定沿空留巷巷旁支護體最優(yōu)寬度,對濟寧三號煤礦沿空留巷經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)及安全生產(chǎn)提供一定的借鑒,且對沿空留巷技術(shù)的發(fā)展研究具有一定啟示。
巷旁支護體的寬度是影響支護體穩(wěn)定性的關(guān)鍵,支護體寬度與其穩(wěn)定性一般成正比關(guān)系,但寬度的增加會造成留巷成本增加,施工效率降低。巷旁支護體的寬度選擇目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),一般采用經(jīng)驗類比法來確定。根據(jù)國內(nèi)外支護體寬高比的經(jīng)驗,巷旁支護體的寬度通常為采高的0.6~0.9倍。巷旁支護體的合理寬度的確定,需要充分考慮旁巷支護體寬度對自身穩(wěn)定性的影響,避免因支護體寬度的過小而產(chǎn)生的支護體拉壞或壓壞變形失穩(wěn)。根據(jù)巷旁支護體與圍巖相互作用關(guān)系建立巷旁支護體力學(xué)模型,如圖1所示。
圖1 巷旁支護體力學(xué)模型
通過分析和計算,可得巷旁支護體寬度B的最小值。
巷道側(cè)拉應(yīng)力達到破壞極限時:
式中:h——墻體高度,m;
f——支護體與頂板間摩擦系數(shù);
q1——巷道側(cè)頂板載荷集度,MPa;
q2——采空側(cè)頂板載荷集度,MPa;
Rt——支護體抗拉強度,MPa。
采空側(cè)壓應(yīng)力達到破壞極限時:
式中:Rc——支護體抗壓強度,MPa。
實際計算時,可根據(jù)同類型頂板條件下所測的礦壓資料,采用類比法來簡化支護體上不均布載荷,根據(jù)不同情況可分別簡化為三角形分布、直角梯形分布或矩形分布,為現(xiàn)場試驗提供巷旁支護體的寬度下限。
將濟寧三號煤礦183上04工作面具體參數(shù)代入式(1)和式(2),從墻體受力破壞的角度計算得到了巷道的寬度,從沿空留巷墻體穩(wěn)定性要求的角度,一般要求寬高比不少于0.5,因此,當(dāng)墻體高度為1.4 m時,墻體寬度不應(yīng)低于0.7 m,考慮到旁巷支護體結(jié)構(gòu)設(shè)計和更高的安全要求,183上04工作面沿空留巷旁巷支護體寬度取0.75 m。
運用數(shù)值模擬方法,對不同寬度支護體對圍巖變性特征的影響進行研究,通過圍巖應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠治?,確定支護體寬度。依據(jù)濟寧三號煤礦183上04工作面地質(zhì)條件,在巷內(nèi)支護形式及參數(shù)確定的情況下,模型分為0.5 m、0.75 m、1 m和1.5m共4種支護體寬度進行模擬。
為了研究不同支護體寬度對巷道圍巖垂直應(yīng)力的影響,列出4種模擬方案的垂直應(yīng)力等值線圖,如圖2所示。由圖2可以看出,不同支護體寬度下的垂直應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在支護體內(nèi)部和煤幫深處約7~9 m范圍內(nèi)。當(dāng)支護體寬度從0.5 m增加到0.75 m時,煤幫深處最大垂直應(yīng)力由31 MPa減少到29 MPa,下降了6%,支護體應(yīng)力由5 MPa增加到6 MPa,增長了20%,增幅較為明顯;從0.75 m增加到1 m時,煤幫深處應(yīng)力減少3%,支護體應(yīng)力增加8%;支護體寬度繼續(xù)增加到1.5 m時,煤幫深處和支護體垂直應(yīng)力仍有增加,但增幅已經(jīng)趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明,隨著支護體寬度越大,支護體的垂直應(yīng)力增大,承載能力增強,分擔(dān)了煤幫深處的壓力,減小煤幫深處的垂直應(yīng)力,符合“硬支多載”規(guī)律;當(dāng)支護體寬度達到一定值后,繼續(xù)增加支護體寬度,煤幫深處和支護體垂直應(yīng)力的變化已不明顯,說明支護體寬度存在最優(yōu)值;證明了支護體主要起到維護留巷圍巖穩(wěn)定的作用,影響圍巖應(yīng)力分布及峰值的主要因素是上覆巖層的大結(jié)構(gòu)。
為了研究不同支護體寬度對頂?shù)装遄冃瘟康挠绊?,列?種模擬方案的巷道頂?shù)装宓淖冃吻€圖,如圖3和圖4所示。
由圖3和圖4可知,隨著支護體寬度的增加,巷道頂?shù)装遄冃瘟恐饾u降低。分析巷道頂?shù)装遄冃闻c支護體寬度的關(guān)系,支護體寬度由0.5 m增加到0.75 m時,巷道頂板的下沉量減少32~39 mm,平均減少35.5 mm,底板底鼓量減少28~32 mm,平均減少30 mm;由0.75 m增加到1 m時,巷道頂板的下沉量平均減少14.5 mm,底板下沉量約10 mm;繼續(xù)增加到1.5 m時,巷道頂板的下沉量平均減少13.5 mm,底板變形量減少10 mm。研究表明,支護體寬度與巷道頂?shù)装遄冃瘟砍煞幢鹊年P(guān)系,表明支護體寬度的增加可以有效控制頂?shù)装宓淖冃?;支護體寬度由0.5 m增加至0.75 m時,頂?shù)装遄冃瘟繙p少最大,隨著支護體寬度進一步增加,頂?shù)装遄冃瘟咳杂行》南陆?,但下降幅度已?jīng)趨于穩(wěn)定。同時,隨著支護體寬度增加,支護體頂?shù)装遄冃瘟恐饾u減少。支護體寬度由0.5 m時增加到1.5 m,支護體頂板變形量減少了30 mm左右;由0.75 m增加到1 m時,支護體頂板變形量減少了16.5 mm左右;繼續(xù)增加到1.5 m時,支護體頂板變形量繼續(xù)減少,但減少量基本趨于穩(wěn)定;支護體厚度為0.75 m時,支護體頂板下沉量與該處巷道頂板下沉量基本一致,此時,支護體頂板下沉與小結(jié)構(gòu)變形基本保持一致。支護體寬度繼續(xù)增加至1.5 m時,支護體頂板下沉量大于該處巷道頂板下沉量,在維護頂板完整性方面發(fā)揮的作用被削弱;支護體底部變形趨勢與巷道圍巖變形趨勢大致一樣。
圖2 不同支護寬度下的垂直應(yīng)力等值線圖
圖3 巷道頂板變形曲線
圖4 巷道底板變形曲線
為了研究不同支護體寬度對兩幫變形量的影響,列出4種模擬方案的兩幫變形曲線如圖5和圖6所示。
圖5 巷道煤幫變形曲線
圖6 支護體幫變形曲線
由圖5和圖6可以看出,隨著支護體寬度增加,巷道的兩幫變形量逐漸減小;煤幫側(cè)變形量沿底板至頂板逐漸增大,而支護體側(cè)變形量則為中間大、兩邊小分布狀態(tài),煤幫側(cè)變形總體大于支護體幫部。支護體寬度由0.5 m增加到0.75 m時,煤幫部和支護體幫部變形量分別減少了約20 mm和19.5 mm;由0.75 m增加到1 m時,煤幫部和支護體幫部變形量分別減少了約10 mm、9.5 mm;繼續(xù)增加到1.5 m時,兩幫的變形量繼續(xù)減少,但下降幅度越來越小,變形逐步趨于穩(wěn)定。由此可知,支護體寬度的增加可以有效控制巷道兩幫的變形量。因此,支護體寬度存在最優(yōu)值。
綜上所述,沿空留巷巷旁支護體寬度的存在最優(yōu)值。當(dāng)寬度小于最優(yōu)值時,巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟枯^大,留巷效果較差;當(dāng)寬度等于該值時,巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟棵黠@減少;當(dāng)寬度大于該值時,頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟坎]有發(fā)生明顯減小現(xiàn)象,變形逐步趨于穩(wěn)定。這是由于巷道頂板處于巷旁支護體和煤幫支撐的給定變形的狀態(tài),當(dāng)頂板巖層活動穩(wěn)定后,隨著巷旁支護體的寬度增加,頂板的變形量的下降幅度會越來越小,最后即使支護體寬度繼續(xù)增加,巷道位移變形也會逐步趨于穩(wěn)定。另外,最優(yōu)的支護體寬度既可以控制巷道的變形量,保證沿空留巷取得成功,又可以有效減少留巷的工期和費用,實現(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效。因此,183上04工作面沿空留巷巷旁支護體的最優(yōu)寬度為0.75 m。
通過對濟寧三號煤礦183上04工作面4個測站的變形觀測和實際數(shù)據(jù)分析可知,該沿空留巷巷道頂?shù)装逑鄬σ平烤?80 mm以下,巷道圍巖總體變形量較小,未發(fā)生大的破壞變形;頂板活動劇烈時期分布也符合頂板應(yīng)力分布規(guī)律。所以,183上04工作面沿空留巷旁巷支護體寬度選取實現(xiàn)最優(yōu)。
(1)通過對沿空留巷巷旁支護體寬高比的理論研究,建立巷旁支護體力學(xué)模型,推導(dǎo)出巷旁支護體寬度計算公式,從理論角度確定旁巷支護體的最優(yōu)寬度。
(2)運用FLAC數(shù)值模擬軟件建立了0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m四種支護體寬度模型,對不同寬度支護體對圍巖變性特征的影響進行研究,通過圍巖應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠治?,對旁巷支護體最優(yōu)寬度理論的可行性進行了驗證。
(3)最優(yōu)旁巷支護體寬度的研究不僅提高了沿空留巷現(xiàn)場施工的安全性,也提高礦井生產(chǎn)經(jīng)濟效益,對沿空留巷技術(shù)的發(fā)展研究具有一定借鑒意義。