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        三軟厚煤層超前切頂沿空留巷充填墻 穩(wěn)定性與尺寸優(yōu)化研究

        2021-02-04 11:34:06李小鵬申駿超姜彥軍
        煤炭工程 2021年1期

        李小鵬,申駿超,姜彥軍,于 濤

        (1.河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454003;2.鄭州煤炭工業(yè)集團 新鄭煤電有限責任公司,河南 新鄭 451100)

        沿空留巷是煤礦常用的無煤柱護巷技術(shù)之一,在技術(shù)和經(jīng)濟上有很大的優(yōu)越性,如減少區(qū)段保護煤柱,提高煤炭資源回收率,減少巷道掘進工作量,緩解采掘接替緊張局面,改善工作面通風條件等[1],其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益顯著。到目前為止,我國在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面進行了大量的研究工作,在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善,巷旁支護、巷內(nèi)支護、加強支護及煤幫加固技術(shù)已趨成熟,但在條件困難的中厚煤層或厚煤層大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題[2-5]。巷旁支護是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)[6,7],目前我國巷旁支護主要為充填體護巷。根據(jù)充填材料不同,大致分4種充填技術(shù):高水速凝材料、膏體材料、柔模泵注和快硬混凝土[8,9]。這些充填技術(shù)具有凝固速度快、早期強度高、采空區(qū)密閉效果好、機械化程度高、勞動強度低等特點,使我國沿空留巷技術(shù)水平得到大幅度提高。在支護理論方面,何滿潮[10]研究了采空區(qū)側(cè)頂板預裂卸壓機制,建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護體”力學模型,推導得出了巷旁支護阻力的計算方法。陳勇、柏建彪等[11]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗,分析充填體寬度與留巷圍巖應力和變形的關(guān)系,確定了合理的巷旁充填體寬度。譚云亮等[12]提出充填體需要有載荷適用性和變形適應性,并得出了巷旁充填體強度公式。張東升等[13]通過沿空留巷物理和數(shù)值模擬,推導出充填體強度、縱向應變及充填側(cè)頂板下沉量等估算公式。沿空留巷成功的前提是對巷道圍巖進行有效支護,使得圍巖達到自穩(wěn)狀態(tài),避免產(chǎn)生過大的變形與破壞,充填體的穩(wěn)定是沿空留巷成功的關(guān)鍵。

        趙家寨煤礦12209工作面為典型的三軟厚煤層綜采工作面,由于巷道托頂煤厚度不同(1~4m),巷道頂板松軟破碎,且直接頂厚度較小,其上部為比較堅硬的老頂,雖然回采后直接頂隨之垮落,但因厚度不大,不能填滿采空區(qū),老頂置于懸露狀態(tài),當工作面推進一段距離后老頂才開始垮落,此時因采空區(qū)落差較大[14],致使工作面呈現(xiàn)周期來壓狀態(tài),回采巷道變形特別嚴重。因此針對趙家寨煤礦12209工作面留巷困難的現(xiàn)狀,提出超前切頂、巷內(nèi)充填的留巷方案并在現(xiàn)場選取典型試驗巷道進行試驗。

        1 工程概況

        趙家寨煤礦12209工作面主采山西組二1煤,煤質(zhì)松軟,強度較低,層理不清,煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層平均厚度6.5m,平均傾角4°。巷道沿底板掘進,直接頂為砂質(zhì)泥巖,平均厚度2.29m,基本頂為大占砂巖,平均厚度19.52m,直接底為砂質(zhì)泥巖,平均厚度8.86m。工作面頂?shù)装鍘r層柱狀如圖1所示。

        圖1 12209工作面地層綜合柱狀

        12209工作面巷道掘進期間采用全錨網(wǎng)支護,擴巷后進行補強加固。原巷道為矩形斷面,寬5.4m,高3.5m,凈斷面18.9m2,擴巷3.5m,擴巷后凈寬8.9m,總斷面31.15m2。原巷道支護參數(shù)如下:

        頂板支護使用螺紋鋼錨桿,規(guī)格?20mm×2400mm,單排7根布置,間距800mm,排距800mm;使用鋼絞線錨索,規(guī)格?17.8mm×8200mm,呈“3-2-3”布置,錨索間距1200mm,排距1600mm。幫部支護運輸巷兩幫采用錨網(wǎng)支護,錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm,間距800mm,排距800mm。擴巷后采用“冷拔絲編織網(wǎng)+鋼筋焊接網(wǎng)+H型鋼帶(橫向)+頂錨索+頂W鋼帶(縱向)+錨桿”進行補強支護。斷面采用規(guī)格為?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿,錨桿間排距均為幫部800mm×600mm,頂部為600mm×600mm。錨索按“3-2-3”布置,錨索為?17.8mm×8200mm鋼絞線錨索,排距600mm。擴巷后支護參數(shù)如圖2所示。

        圖2 回采巷道支護斷面(mm)

        擴巷后在巷道工作面?zhèn)冗M行超前爆破切頂,爆破使用煤礦3級許用水膠炸藥,采用雙抗D型聚能管作為炸藥的載體,為保證定向切頂,在裝藥時使各爆破孔聚能管兩側(cè)凹槽連線始終與巷道走向平行。在進行切頂時,切頂角度越大,切頂效果越好,但由于頂板巖層較軟,巷道跨度較大,為避免切頂后巷道頂板發(fā)生垮塌,所以需要保留一定的角度進行切頂,使得切頂后煤壁側(cè)實體煤對頂板施加一個側(cè)向的支撐力,避免巷道頂板發(fā)生垮塌。另外考慮到趙家寨礦頂板鉆孔施工問題,垂直頂板進行鉆孔施工難度較大,將鉆孔向工作面?zhèn)葍A斜一定角度,以保證鉆孔施工順利。綜合考慮后確定切頂角度為垂直巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。

        根據(jù)以往爆破經(jīng)驗,結(jié)合礦井實際地質(zhì)條件,確定切頂高度為工作面基本頂2/3的界面高度時,切頂部分直接垮落,剩余基本頂在自重及上覆巖層載荷的影響下完全垮落。根據(jù)圖1中巖層分布可知,工作面基本頂界面高度為25.3m,因此,爆破孔深度為:

        式中,Hf為切頂高度,取18.8m;α為爆破孔沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)角度,取10°;β為爆破孔與工作面運輸巷走向方向所成夾角,取90°。

        計算可得爆破孔深度H為19.2m??紤]到巖層厚度的變化以及保證厚硬頂板在礦山壓力作用下順利垮落,現(xiàn)場爆破孔采用20m。經(jīng)過現(xiàn)場試驗確定,爆破孔深20m時基本頂完全垮落,垮落后的頂板能夠有效支撐上覆巖層。

        綜合考慮,確定爆破孔深20m,孔徑為50mm,傾角為沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。切頂結(jié)束后工作面開始回采,并在工作面后方巷道內(nèi),以泵送C30型號混凝土作為充填材料,模箱澆筑方式構(gòu)筑巷旁充填墻體。切頂及巷內(nèi)充填體留設位置如圖3所示。

        圖3 切頂及巷內(nèi)充填方案

        2 不同條件下的充填墻力學特征及尺寸優(yōu)化

        充填墻在支護受力過程中,主要以受壓為主,墻體破壞也多為受壓破壞,因此對充填墻受壓強度進行設計[15]。

        2.1 未超前切頂時充填墻力學特征分析

        隨著工作面推進,采空區(qū)的直接頂在巖體的自重影響以及充填墻體的切頂阻力作用下,直接頂沿充填墻體破斷、垮(冒)落。而采空區(qū)的基本頂由于巖層較厚且?guī)r性較硬,當基本頂折斷垮落后會在巷道上方形成倒臺階鉸接梁[16]。充填體受力模型如圖4所示。

        圖4 未超前切頂充填體后期受力模型

        充填墻受力按照式(2)[17]計算:

        (2)

        式中,h5、h3、h4分別為頂煤、直接頂、基本頂?shù)暮穸?,m;γ2、γ3、γ4分別為煤體、直接頂、基本頂單位長度的自重,kN/m3;L1為老頂超前斷裂步距,m;L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度,m;L3為關(guān)鍵塊體長度,m。

        關(guān)鍵塊體長度按式(3)[18]計算;

        式中,l為基本頂來壓步距,m;Lm為工作面長度,m。

        qn為上覆巖層載荷,按照式(4)[19]計算;

        式中,x0為應力極限平衡區(qū)的寬度,按照式(5)[20]計算(或通過礦井生產(chǎn)探測鉆孔確定):

        式中,λ為側(cè)壓系數(shù);φ0為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴膬?nèi)摩擦角,(°);k為實煤體幫側(cè)向支承應力集中系數(shù);γ為上覆巖層平均容重,kN/m3;H為巷道埋深,m;c0為煤層與頂?shù)装宓酿ぞ哿?,MPa;Px為煤幫支護阻力,MPa。

        σy為應力極限平衡區(qū)的支承應力,按照式(6)[21]計算;

        式中,h2為煤層厚度,m。

        在充填墻留設期間,為保證充填墻不發(fā)生破壞性變形,充填墻的受力σ2應小于充填墻強度σc,即σ2≤σc[22]。所以未超前切頂時巷旁充填墻寬度a1應滿足式(7):

        (7)

        2.2 超前切頂時充填墻力學特征分析

        巷道在完成擴巷并進行爆破切頂后留設充填墻,隨著工作面推進,采空區(qū)上方的基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落,由于基本頂在采空區(qū)懸露長度較短,產(chǎn)生彎矩較小,基本頂在實體煤側(cè)基本不發(fā)生回轉(zhuǎn)。充填墻與煤壁共同承擔頂板和基本頂上覆巖層的重量。充填墻受力模型如圖5所示。

        圖5 超前切頂充填墻后期受力模型

        此時充填墻受力按照式(8)計算:

        (8)

        式中,L3為基本頂從切頂線到應力極限平衡區(qū)投影長度,m;L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度,m。

        關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度按照式(9)計算:

        超前切頂時巷旁充填墻寬度a2應滿足式(10):

        (10)

        計算巷內(nèi)充填墻寬度范圍的參數(shù)如下:λ=1.25,Lm=195m,l=21m,m=3.1m,c0=0.5MPa,k=1.5,φ0=35°,Px=0.1kN/m,H=300m,γ2=19.7kN/m3,γ3=22.5kN/m3,γ4=25kN/m3,h1=8.8m,h2=6.5m,h3=2.3m,h4=19.5m。不切頂時L1=15m,L2=10m,L3=25.0m;切頂時L1=15m,L2=2.83m,L3=17.83m;經(jīng)過計算,上覆巖層載荷qn=3.13MN/m;根據(jù)地質(zhì)資料顯示,在工作面推進10d左右出現(xiàn)初次來壓,巷旁充填體10d左右應達到切頂阻力,由試驗可知充填體10d的強度可以達到27.5MPa。

        將以上數(shù)據(jù)代入公式,由式(7)和式(10)可得未超前切頂與切頂時的最小充填墻留設寬度(a1,a2)為(3.5,2.2m)。由理論計算結(jié)果可知,超前切頂與不切頂相比,巷道巷道穩(wěn)定時所需留設充填墻寬度明顯減小。

        3 沿空巷道超前切頂充填墻尺寸優(yōu)化數(shù)值分析

        3.1 數(shù)值模型建立

        以趙家寨煤礦12209工作面回風巷實際地質(zhì)條件為依據(jù),建立數(shù)值模型,數(shù)值模型長×寬×高=450m×50m×50m。數(shù)值模型兩側(cè)、底部和前后界面進行位移和應力邊界約束,12209工作面平均埋深300m,在模型頂部施加初始垂直載荷σz=7.5MPa,在兩側(cè)施加初始水平載荷σx=σy=9.375MPa,采用摩爾-庫侖本構(gòu)準則。通過數(shù)值模擬對不切頂與切頂時的沿空巷道進行對比,并確定合理的充填墻留設寬度。模型各分層物理力學性質(zhì)見表1。

        表1 煤層頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

        3.2 切頂卸壓與不切頂卸壓對比分析

        對切頂卸壓與不切頂卸壓兩種情況進行數(shù)值模擬對比,應力云圖與位移分布如圖6、圖7所示。

        圖6 切頂與不切頂應力對比

        圖7 切頂與不切頂位移對比

        由圖6、圖7可知,超前切頂時,巷道煤壁側(cè)集中應力為13.0MPa,切頂時巷道頂板最大下沉量約為0.35m;不超前切頂時,巷道煤壁側(cè)集中應力為22.6MPa,巷道頂板最大下沉量約為0.80m。二者相比,超前切頂時,回采巷道煤壁側(cè)集中應力與巷道上方基本頂所受應力明顯減小,頂板最大下沉量明顯減小。超前切頂能夠切斷采空區(qū)與回采巷道頂板的應力傳遞,有效降低回采巷道所受應力,減少巷道圍巖變形。

        由理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果可以得出,對回采巷道進行切頂,可以有效改善回采巷道圍巖應力分布,降低充填體所受載荷。對切頂后的回采巷道進行模擬計算,確定合理的充填體留設寬度。

        3.3 切頂卸壓條件下充填墻留設模擬結(jié)果分析

        3.3.1 回采巷道及充填墻垂直應力分析

        切頂時,隨著工作面推進,基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落,充填墻及實體煤壁共同支撐回采巷道頂板。不同寬度充填墻時回采巷道垂直應力分布如圖8所示。

        圖8 不同寬度充填墻時垂直應力分布

        不同寬度充填墻時充填墻內(nèi)部垂直應力分布曲線如圖9所示,由圖9可知,充填墻內(nèi)部垂直應力較小,在兩側(cè)出現(xiàn)應力集中,采空區(qū)側(cè)受力最為顯著。隨著充填墻寬度的增加,垂直應力峰值及應力變化速率都出現(xiàn)減小。當充填墻寬度為1.4m或1.8m時,充填墻內(nèi)部垂直應力劇烈變化且垂直應力峰值較大。當寬度增加到2.2m后充填墻所受壓力出現(xiàn)較大幅度減小且峰值較小,墻體內(nèi)部垂直應力分布比較平穩(wěn)。這表明當寬度為2.2m時充填墻內(nèi)部應力分布比較均勻,充填墻承載能力得到較大提升且破壞變形較小。

        圖9 不同寬度充填墻時充填墻中垂直應力

        不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力分布曲線如圖10所示,當充填墻寬度為1.4m時,煤體中的垂直應力最大;當巷內(nèi)充填墻寬度達到2.2m時,實體煤幫中的垂直應力出現(xiàn)較大減??;當充填墻寬度繼續(xù)增加,實體煤幫垂直應力變化較小。這表明當充填墻寬度為2.2m時,充填墻能夠?qū)敯逄峁┹^大的支撐阻力,有效支撐頂板,使得回采巷道上方頂板受力較為均勻,從而減輕了頂板下沉在煤幫中形成的應力集中程度。

        圖10 不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力

        3.3.2 回采巷道頂板位移分析

        不同寬度充填墻時頂板位移分布曲線如圖11所示,由圖11可知,隨著充填墻寬度的增加,充填墻對巷道頂板的支護作用不斷增強,頂板垂直位移不斷減小。當充填墻寬度為1.4m時,頂板最大下沉量為0.49m;寬度為1.8m時,頂板最大下沉量為0.44m;寬度為2.2m時,頂板最大下沉量為0.35m;寬度為2.6m時,頂板最大下沉量為0.33m;寬度為3.0m時,頂板最大下沉量為0.29m。當充填墻寬度增加到2.2m時,頂板垂直位移出現(xiàn)明顯減小,這表明充填墻寬度達到2.2m時充填墻對頂板有較強的支撐力,對頂板的支撐效果較好,頂板未發(fā)生較大變形。

        圖11 不同寬度充填墻時巷道頂板垂直位移

        3.3.3 回采巷道及充填墻塑性區(qū)分析

        不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)分布情況如圖12所示,隨著充填墻留設寬度的增加,充填墻及圍巖的塑性破壞區(qū)逐漸減小。在充填墻寬度從1.4m增加到2.2m時,充填墻塑性破壞區(qū)大范圍減??;當留設寬度從2.2m增加到3.0m時,充填墻塑性破壞區(qū)范圍變化較小。在充填墻寬度為2.2m時,充填墻體塑性區(qū)較小,墻體大部分完好,破壞較小,這表明在當充填墻寬度為2.2m時,充填墻的的抗壓能力較強,在頂板壓力作用下充填體未發(fā)生較大破壞,充填墻比較完整。

        圖12 不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)

        4 現(xiàn)場應用效果監(jiān)測

        根據(jù)研究成果,在趙家寨礦12209工作面回風巷選取一段試驗巷道進行施工,采用頂板離層儀和幫部位移計進行巷道穩(wěn)定性監(jiān)測,超前切頂并留設充填墻后巷道變形監(jiān)測結(jié)果圖13所示。

        圖13 巷道變形監(jiān)測

        由圖13可知,隨著工作面的推進,在充填墻留設10d左右,巷道初次來壓,巷道頂?shù)装遄冃嗡俾试龃?,頂?shù)装遄畲笠平考s為15cm,充填墻整體完好;在充填墻留設90d左右,巷道頂板趨于穩(wěn)定,頂板最大移近量約為35cm,巷道整體穩(wěn)定性較好。

        5 結(jié) 論

        1)理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果表明,切頂卸壓能夠有效減小維持巷道穩(wěn)定所需的充填墻留設寬度,切頂卸壓條件下充填墻的合理留設寬度為2.2m。數(shù)值模擬結(jié)果表明,當充填墻寬度為2.2m時,充填墻體具有足夠承載能力且巷道圍巖整體變形較小,圍巖破壞范圍較小。綜合考慮,確定12209工作面充填墻合理留設尺寸為寬×高=2.2m×3.4m。

        2)現(xiàn)場監(jiān)測表明,12209工作面沿空留巷時對回采巷道進行超前切頂卸壓并留設寬度為2.2m充填墻能夠有效維護回采巷道的穩(wěn)定,保證留巷的成功進行。

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