楊玉龍,宋選民,劉一揚(yáng),王仲倫

(1.山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司,山西 河曲 036500;2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

巷道支護(hù)是煤礦開(kāi)采的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1],合理的支護(hù)技術(shù)應(yīng)當(dāng)既能實(shí)現(xiàn)煤炭回采的安全,又具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[2]。早在2014年,我國(guó)煤礦每年新掘進(jìn)巷道總長(zhǎng)度就已經(jīng)超過(guò)12 000 km,其中80%以上的巷道為煤巷或半煤巖巷[3],因此,研究更加高效可靠的支護(hù)措施具有重要價(jià)值。目前,錨桿支護(hù)已經(jīng)成為我國(guó)煤礦近期的主體支護(hù)技術(shù)[4],隨著對(duì)錨桿認(rèn)知的加深,可實(shí)現(xiàn)有效主動(dòng)支護(hù)的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在多個(gè)煤礦得到廣泛使用[5-6]。諸多學(xué)者圍繞預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律、支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)、動(dòng)力特征等多方面進(jìn)行了研究[7-9]。并基于上述成果,進(jìn)行了不同地質(zhì)條件下巷道支護(hù)參數(shù)的合理優(yōu)化,解決了眾多工程問(wèn)題[10-13]。本文針對(duì)磁窯溝13#煤層回采過(guò)程中,工作面端頭巷道無(wú)法隨推進(jìn)及時(shí)垮落,出現(xiàn)較大面積懸頂?shù)募夹g(shù)難題,運(yùn)用理論計(jì)算的方法對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并通過(guò)數(shù)值模擬分析了預(yù)應(yīng)力場(chǎng)特征,證實(shí)了優(yōu)化方案的可靠性與安全性,有效解決了現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)難題。

1 工作面回采巷道支護(hù)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

磁窯溝礦位于河?xùn)|煤田北部,井田內(nèi)石炭系太原組的13#煤層是該礦的主要可采煤層。13#煤層中13102進(jìn)風(fēng)順槽、13102回風(fēng)順槽、13108進(jìn)風(fēng)順槽以及13108回風(fēng)順槽的工程地質(zhì)條件較為類(lèi)似,現(xiàn)以13102進(jìn)風(fēng)順槽為對(duì)象進(jìn)行研究。13102進(jìn)風(fēng)順槽位于二水平一盤(pán)區(qū),煤層厚度9.40～11.10 m,煤層傾角2.8°～4.6°,地面標(biāo)高+1 026～+1 135 m,工作面標(biāo)高+889～+921 m,煤層頂板為14.74 m厚的中粒砂巖,底板為3.34 m厚的泥巖及12.86 m厚的泥灰?guī)r。

1.2 回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀

13102進(jìn)風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn),巷道斷面形狀為矩形,巷高為5 600 mm,巷寬為4 000mm,支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。原支護(hù)參數(shù)為:巷頂板采用規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,每排6根;頂錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 000mm,間排距2 200 mm×2 500 mm,每排2根;巷道工作幫采用Φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,每幫4根;巷道非工作幫采用Φ18 mm×2 100 mm的圓鋼錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,每幫4根。

確定合理的支護(hù)參數(shù)應(yīng)與工程實(shí)際相對(duì)應(yīng),支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大或過(guò)小均不可取。過(guò)小的支護(hù)強(qiáng)度使得巷道圍巖變形大,嚴(yán)重影響安全高效生產(chǎn);而過(guò)大的支護(hù)強(qiáng)度則會(huì)導(dǎo)致作業(yè)進(jìn)度減慢,增加掘進(jìn)成本。通過(guò)井下實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有支護(hù)條件下,首采工作面端頭處的順槽頂板出現(xiàn)懸頂,巷道頂板垮落滯后于工作面推進(jìn),帶來(lái)一定的安全隱患。之后采取隨工作面回采進(jìn)行,同時(shí)退出端頭處巷道錨索的措施,頂板懸頂滯后垮落的問(wèn)題仍沒(méi)有有效解決。后搜集并對(duì)比附近相似地質(zhì)條件的礦井支護(hù)現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)磁窯溝礦13#煤層設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高。同時(shí),掘進(jìn)進(jìn)度及效率受到制約,增大了支護(hù)成本,需要對(duì)13#煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。因此,綜合提出降低支護(hù)強(qiáng)度的方案解決懸頂問(wèn)題,提高礦井經(jīng)濟(jì)效益,保障生產(chǎn)安全高效進(jìn)行。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案

2.1 錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的重要作用

目前,錨桿支護(hù)已成為我國(guó)煤礦井下巷道的主要支護(hù)手段,錨桿支護(hù)的作用主要體現(xiàn)在:錨桿支護(hù)提高了圍巖的強(qiáng)度。錨桿通過(guò)增大圍巖的彈性模量、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù),以及改善圍巖屈服后的力學(xué)性質(zhì),使得支護(hù)后的圍巖可以承擔(dān)更大的載荷。對(duì)于圍巖中的節(jié)理、裂隙等,錨桿可將圍巖連接為一個(gè)整體,通過(guò)提高圍巖整體的抗剪能力,防止出現(xiàn)層間或節(jié)理間的錯(cuò)動(dòng)及滑移,維持圍巖整體結(jié)構(gòu)的完整。通過(guò)錨桿提供的軸向力與切向力消除圍巖所受的拉應(yīng)力,使其整體處于受壓狀態(tài);同時(shí)對(duì)于受剪區(qū)域,錨桿提供的壓應(yīng)力增大了摩擦力,提高了圍巖的抗剪能力。

除上述錨桿對(duì)圍巖體承載強(qiáng)度的提高外,隨著錨桿技術(shù)的研究與發(fā)展,發(fā)現(xiàn)支護(hù)剛度對(duì)圍巖穩(wěn)定性十分關(guān)鍵。而通過(guò)施加合理的預(yù)應(yīng)力則對(duì)提高支護(hù)系統(tǒng)的剛度具有決定性作用,其主要原理在于:通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力控制圍巖的滑動(dòng)、剪切、離層及裂隙擴(kuò)展等擴(kuò)容變形,保持圍巖完整性及自承能力。預(yù)應(yīng)力可以為圍巖提供支護(hù)抗力,抑制圍巖表面變形,受力狀態(tài)由二向轉(zhuǎn)變?yōu)槿?進(jìn)而使得錨固區(qū)域內(nèi)處于受壓狀態(tài),形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散對(duì)提高支護(hù)系統(tǒng)剛度尤為重要,因此需要通過(guò)選擇合適的托板、鋼帶等護(hù)表構(gòu)件,達(dá)到應(yīng)力向圍巖深處擴(kuò)散的目的。錨桿應(yīng)具備足夠的延展性及韌性,以釋放集聚的應(yīng)力及變形,同時(shí)防止錨桿局部受力過(guò)大而破壞。綜上所述,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)在圍巖中形成了有效的壓應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù),更好地控制了圍巖變形及破壞。

2.2 支護(hù)方案的優(yōu)化提出

結(jié)合礦井地質(zhì)資料及井下生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè),可知磁窯溝煤礦13#煤層埋深較淺,煤體的強(qiáng)度較高。原支護(hù)條件下,沿底板掘進(jìn)的煤巷兩幫幾乎無(wú)片幫現(xiàn)象,頂板煤體表面完整,未見(jiàn)有明顯的局部頂板煤體冒落現(xiàn)象。巷道整體圍巖變形量較小,工作面回采過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)緩和。但是13#煤層開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)了工作面端頭巷道垮落困難、懸頂距離較長(zhǎng)、支護(hù)強(qiáng)度過(guò)大等問(wèn)題。為此,基于上述有關(guān)錨桿(索)預(yù)應(yīng)力作用機(jī)理的分析,對(duì)比周?chē)嗨频刭|(zhì)條件礦井,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小支護(hù)強(qiáng)度,巷道依舊可以保持穩(wěn)定,同時(shí)也有利于工作面端頭處巷道的隨采隨垮。最終,運(yùn)用工程類(lèi)比分析及理論公式計(jì)算的方法,優(yōu)化提出了適合于磁窯溝煤礦13#煤層開(kāi)采的合理支護(hù)方案:巷道頂板采用規(guī)格為Φ18 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距1 000 mm×1 000 mm,每排6根,預(yù)緊力為40 kN,預(yù)緊力矩為134 N·m;頂錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 000 mm,間排距2 200 mm×3 000 mm,三花布置,預(yù)緊力為130 kN;巷道工作幫采用Φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿,間排距1 500 mm×1 500 mm,每幫3根,預(yù)緊力為12 kN,預(yù)緊力矩為40 N·m;巷道非工作幫采用Φ18 mm×2 000 mm的圓鋼錨桿,間排距1 500 mm×1 500 mm,每幫3根,預(yù)緊力為21 kN,預(yù)緊力矩為70 N·m。支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案示意圖如圖1所示。優(yōu)化前后支護(hù)方案統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表1所示。

(a)非工作幫支護(hù)圖

表1 優(yōu)化前后支護(hù)方案統(tǒng)計(jì)對(duì)比

3 優(yōu)化前后錨桿、索預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布特征

根據(jù)上述分析提出預(yù)應(yīng)力錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化方案,基于錨桿(索)預(yù)應(yīng)力作用機(jī)理,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬方法,建立預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分析數(shù)值模型,從支護(hù)整體的角度對(duì)比研究?jī)?yōu)化前后支護(hù)方案的巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征及承載范圍,驗(yàn)證了優(yōu)化后支護(hù)方案的合理性及安全性。

3.1 數(shù)值模型的建立

以13102進(jìn)風(fēng)順槽地質(zhì)及支護(hù)條件為依據(jù),建立預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分析數(shù)值模型。模型高度42.04 m,寬度65.4 m。其中,頂板為厚14.74 m的中粒砂巖,煤層厚11.1 m,底板為厚3.34 m的泥巖及厚12.86 m的泥灰?guī)r。使用內(nèi)置Cable單元打設(shè)錨桿,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際煤巖力學(xué)參數(shù)及錨桿長(zhǎng)度、直徑、預(yù)緊力等錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)置模型,并選用庫(kù)倫-摩爾本構(gòu)。模型四周及地面施加位移約束。表2為數(shù)值計(jì)算模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)。圖2為巷道優(yōu)化前數(shù)值模型及支護(hù)方案。

表2 數(shù)值計(jì)算模型中巖石力學(xué)參數(shù)

(a)數(shù)值模型

3.2 支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布特征及承載范圍

由于巷道錨桿與錨索打在不同的斷面,故分別截取錨桿及錨索斷面,并提取預(yù)應(yīng)力云圖對(duì)優(yōu)化前后的支護(hù)方案進(jìn)行分析,如圖3所示。

(a)錨桿斷面優(yōu)化前

從整體上看,預(yù)應(yīng)力錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)可以在圍巖中形成有效的壓應(yīng)力區(qū),壓應(yīng)力相互連續(xù)疊加,組成有機(jī)整體,作為主要的承載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù),維持了巷道穩(wěn)定。通過(guò)分析圖3(a)、3(c)可知,優(yōu)化前的錨桿端面與錨索斷面在巷道頂板與兩幫均形成了范圍較大壓應(yīng)力承載區(qū)；而對(duì)比圖3(b)、3(d),以預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa為界,發(fā)現(xiàn)頂板處壓應(yīng)力區(qū)明顯連續(xù),而兩幫由于減少了錨桿密度,預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa的區(qū)域不連續(xù),由此可見(jiàn),優(yōu)化后的支護(hù)方案明顯降低了支護(hù)強(qiáng)度。對(duì)比圖3(a)、3(b)錨桿斷面優(yōu)化前后的預(yù)應(yīng)力分布圖,可以發(fā)現(xiàn),在錨桿錨固范圍內(nèi)壓應(yīng)力數(shù)值較大。其中,優(yōu)化前頂板每排的6根錨桿壓應(yīng)力均較大,且主要集中在錨桿尾部起至長(zhǎng)度的2/3范圍內(nèi),峰值為0.294 MPa;優(yōu)化后,減短了錨桿長(zhǎng)度與直徑,高預(yù)應(yīng)力主要集中在從左數(shù)第2、3根與第4、5根錨桿之間的前1/2長(zhǎng)度范圍內(nèi),峰值為0.277 MPa,且較高壓應(yīng)力的承載結(jié)構(gòu)范圍較優(yōu)化前明顯縮小。以預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa為界,優(yōu)化后頂板的加固高度由優(yōu)化前的2.2 m減為1.7 m；兩幫的加固深度由優(yōu)化前的1.7 m減為1.5 m。對(duì)比圖3(c)、3(d)錨索斷面優(yōu)化前后的預(yù)應(yīng)力分布圖,可以發(fā)現(xiàn)在減少錨索數(shù)量及頂錨桿長(zhǎng)度、直徑后,應(yīng)力峰值由優(yōu)化前的0.293 MPa減小為優(yōu)化后的0.203 MPa,且頂板高應(yīng)力范圍明顯減小。以預(yù)應(yīng)力大于0.1 MPa為界,頂板加固高度由優(yōu)化前的2.1 m減小為優(yōu)化后的1.6 m;兩幫在經(jīng)歷了錨桿間排距和長(zhǎng)度的優(yōu)化調(diào)整后,加固深度由1.6 m減為1.5 m。綜上所述,經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化后,錨桿施加預(yù)應(yīng)力所形成的壓應(yīng)力區(qū)應(yīng)力值降低,承載能力減弱,巷道支護(hù)強(qiáng)度顯著降低,但巷道整體變形量增加不明顯。證明了該支護(hù)優(yōu)化方案的合理性與安全性,在生產(chǎn)實(shí)際中可有效解決巷道無(wú)法及時(shí)隨工作面推進(jìn)而垮落,出現(xiàn)較大面積懸頂?shù)陌踩[患。

3.3 優(yōu)化前后巷道圍巖變形特性

由于磁窯溝13#煤層平均埋深169 m,屬于淺埋煤層,其回采巷道圍巖變形控制效果較好,位移量較小,故于數(shù)值模型中分別提取支護(hù)優(yōu)化前后巷道頂板、兩幫及底板的最大位移絕對(duì)值,繪制直方圖對(duì)比分析優(yōu)化前后巷道變形結(jié)果,如圖4所示。

由圖4可知,由于煤層埋藏較淺,巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)較好,其變形量的控制效果較為理想。巷道支護(hù)優(yōu)化后,由于支護(hù)強(qiáng)度的減弱,相較于優(yōu)化前圍巖變形量出現(xiàn)了不同程度的增加。優(yōu)化后,巷道頂板變形量為13.2 mm,增加2.4 mm;巷道正幫變形量為11.5 mm,增加4.6 mm;巷道副幫變形量為9.7 mm,增加2.1 mm;巷道底板變形量為11.3 mm,增加1.9 mm?？梢哉J(rèn)為,雖然支護(hù)的優(yōu)化減弱了支護(hù)強(qiáng)度,增大了巷道圍巖變形量,但其最大變形值仍在允許范圍內(nèi),可實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道圍巖的良好控制。

圖4 優(yōu)化前后巷道圍巖位移量

4 優(yōu)化后巷道支護(hù)效果

優(yōu)化后支護(hù)方案經(jīng)實(shí)際井下回采實(shí)施后,其巷道支護(hù)效果如圖5(a)所示。在采用上述優(yōu)化方案降低支護(hù)強(qiáng)度后,巷道斷面變形量較小,圍巖穩(wěn)定,兩幫幾乎無(wú)片幫出現(xiàn),頂板無(wú)局部煤體冒落,因此,降低支護(hù)強(qiáng)度后的巷道整體支護(hù)效果依舊良好,進(jìn)一步證實(shí)了該支護(hù)優(yōu)化方案的合理性與安全性。同時(shí),有效解決了工作面端頭處巷道無(wú)法隨推進(jìn)垮落,出現(xiàn)較大面積懸頂?shù)陌踩[患。懸頂垮落效果如圖5(b)所示。

(a)巷道支護(hù)效果

5 結(jié)論

1)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)在巷道圍巖中形成了連續(xù)疊加的壓應(yīng)力承載結(jié)構(gòu),有效地增大了圍巖支護(hù)系統(tǒng)的承載強(qiáng)度及剛度,實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)支護(hù),更好地控制了圍巖變形及破壞。

2)提出支護(hù)優(yōu)化方案,通過(guò)減少錨索及幫錨桿數(shù)量、減小頂錨桿直徑及長(zhǎng)度、改變錨索布置方式、增大幫錨桿間排距的方式,減小了壓應(yīng)力及承載范圍,降低了支護(hù)強(qiáng)度,解決了工作面端頭巷道出現(xiàn)懸頂及垮落滯后推進(jìn)的工程問(wèn)題。

3)運(yùn)用數(shù)值模擬分析了支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布特征及承載范圍,證實(shí)了優(yōu)化后的支護(hù)方案可降低支護(hù)強(qiáng)度,同時(shí)優(yōu)化后方案的圍巖變形量較優(yōu)化前減小,具有較高的可靠性及安全性,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后,支護(hù)效果良好,端頭巷道可及時(shí)隨推進(jìn)垮落。