陰永生

(鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

近幾年來(lái)，隨著礦井綜放開(kāi)采設(shè)備工作能力的提升以及工作面管理人員素質(zhì)提升，工作面的開(kāi)采高度、開(kāi)采強(qiáng)度逐年增大，巷道斷面隨之增大，在高強(qiáng)度開(kāi)采的擾動(dòng)作用下易發(fā)生煤壁片幫的情況。而且煤壁片幫也容易引起冒頂事故的發(fā)生，相反，隨著冒頂?shù)陌l(fā)生也會(huì)引發(fā)巷道片幫情況的進(jìn)一步惡化，威脅井下工作人員和設(shè)備安全，特別是在大采高綜放工作面這種情況的發(fā)生更加嚴(yán)重。為此，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，得出了許多寶貴的結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)。孫曉明等[1]模擬了巷道的分步開(kāi)挖，且在開(kāi)挖后對(duì)于掘進(jìn)巷道圍巖變形程度等和掘進(jìn)工作面之間距離的影響關(guān)系也進(jìn)行了模擬。宮守才[2]建立和分析了巷道兩幫塑性區(qū)范圍公式，并對(duì)彈塑性應(yīng)力解及寬度進(jìn)行了求解，推導(dǎo)并驗(yàn)證煤幫在塑性區(qū)位移的范圍。李樹(shù)清等[3]建立和分析了巷道兩幫塑性區(qū)的力學(xué)模型，推導(dǎo)并驗(yàn)證了煤巷兩幫塑性區(qū)范圍和應(yīng)力大小公式，并基于計(jì)算結(jié)果給出了提高巷道塑性區(qū)支護(hù)強(qiáng)度的合理參數(shù)。張華磊等[4]建立巷幫圍巖層的力學(xué)模型，并首次把注漿錨索的支護(hù)方式用于片幫治理。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)楊勝利等[5]針對(duì)大采高工作面煤壁易發(fā)生嚴(yán)重片幫的問(wèn)題，提出了煤壁柔性加固技術(shù)，通過(guò)“棕繩+注漿”的手段實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，使煤壁片幫情況得以大大改善，大大降低支護(hù)成本，為治理煤壁片幫提供了新思路。王兆會(huì)等[6]構(gòu)建并分析了高幫煤壁穩(wěn)定性的力學(xué)模型，并且分別得到剪切、拉裂型片幫發(fā)生判據(jù)，得到了煤體起裂角的破別公式以及煤體起裂的影響因素，最終給出了合理的煤幫支護(hù)措施，有效改善了煤壁控制效果。朱德仁等[7]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)巷道煤幫穩(wěn)定性影響顯著的主要應(yīng)力為水平應(yīng)力，及時(shí)通過(guò)合理有效手段加固巷道煤幫控制水平應(yīng)力對(duì)巷道的破壞作用，對(duì)保持巷道穩(wěn)定型和巷幫的穩(wěn)定有著明顯的作用。以上研究成果為高強(qiáng)度開(kāi)采作用下大斷面巷道掘進(jìn)的穩(wěn)定性及控制技術(shù)奠定了很好的基礎(chǔ)。文中通過(guò)理論分析等手段，研究龍王溝煤礦61617工作面巷道片幫機(jī)理與穩(wěn)定性控制，以期為類(lèi)似條件下的易發(fā)生片幫的大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性提高及控制提供參考。

1 工程概況

龍王溝煤礦61617工作面位于61盤(pán)區(qū)北翼中部、井田第一撓曲帶西側(cè)，南接西翼開(kāi)拓大巷(61盤(pán)區(qū)泵房以北)，北至井田邊界，相鄰的西側(cè)61619工作面和東側(cè)61615工作面均為實(shí)體煤巖區(qū)，未采動(dòng)。推采長(zhǎng)度1 256 m，傾向長(zhǎng)度255 m。6煤層為長(zhǎng)焰煤，黑色，條痕褐黑色，弱瀝青光澤，塊狀，平坦?fàn)睢獏⒉顮顢嗫?，以暗煤為主，亮煤次之，夾少量鏡煤及絲炭，屬半暗—半亮型。為穩(wěn)定煤層，煤厚20.5～25.5 m，平均厚23.1 m，煤層傾角0°～7°，平均1.5°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0～1.0；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作面區(qū)域煤層夾矸7～12層，單層夾矸厚度0.15～1.32 m，夾矸總厚度0.425～6.690 m，平均總厚度4.03 m，占全煤厚度的18.5%，夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖及高嶺土，堅(jiān)固性系數(shù)f=2.0～3.0。主運(yùn)巷道和輔運(yùn)巷道都是沿底掘進(jìn)，為全煤巷道，具體實(shí)施參數(shù)如下：輔運(yùn)巷道施工方位N25°，巷道沿底設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)平距1 450 m；主運(yùn)巷施工方位N25°巷道沿底設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)平距1 578 m。

1.1 巷道平面布置

61617綜放工作面主運(yùn)巷矩形斷面，凈寬5 500 mm、凈高4 000 mm，凈斷面積22.0 m2，底板硬化鋪設(shè)250 mm混凝土。巷道安設(shè)DSJ160/350/3×500型可伸縮帶式輸送機(jī)，帶寬1 600 mm、長(zhǎng)度1 400 m，承擔(dān)工作面的煤炭運(yùn)輸任務(wù)。巷內(nèi)采用防爆無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸，底板硬化鋪設(shè)150 mm混凝土。巷內(nèi)敷設(shè)信號(hào)、通訊等電纜及消防灑水管路、壓風(fēng)管路、排水管路、黃泥灌漿管路等。輔運(yùn)巷矩形斷面，凈寬5 500 mm、凈高4 000 mm，凈斷面積22.0 m2，底板硬化鋪設(shè)250 mm混凝土。巷內(nèi)采用防爆無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸，敷設(shè)有動(dòng)力、照明、信號(hào)電纜及消防灑水管、壓風(fēng)管、乳化泵進(jìn)回液管路、注氮管路、排水管路等。

圖1 巷道斷面示意

1.2 巷道圍巖變形破壞特征

龍王溝煤礦61617工作面相關(guān)巷道的支護(hù)方案普遍支護(hù)強(qiáng)度較低，施工工序繁瑣，難以適應(yīng)大斷面全煤巷道掘進(jìn)的支護(hù)速度及強(qiáng)度需求。工作面原來(lái)的支護(hù)方案和支護(hù)方式存在著巷道幫部布置的錨桿、錨索及配套托盤(pán)、螺母強(qiáng)度不足等問(wèn)題，由于大斷面全煤巷道自身強(qiáng)度比較低以及開(kāi)挖產(chǎn)生的擾動(dòng)和卸荷作用，工作面開(kāi)采造成的二次擾動(dòng)，共同作用下導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大范圍的破壞、裂隙擴(kuò)展，龍王溝煤礦61617工作面的巷道主要問(wèn)題是巷道的片幫問(wèn)題。

2 煤壁片幫機(jī)理研究與控制技術(shù)

2.1 煤壁片幫機(jī)理研究

受道開(kāi)挖影響，在開(kāi)挖作用下巷道周?chē)瓗r應(yīng)力狀態(tài)由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)，繼而重新分布原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道將發(fā)生部分程度較小的初期變形量。受高強(qiáng)度工作面開(kāi)采的影響巷道的原巖應(yīng)力狀態(tài)再次重新分布，且圍巖應(yīng)力的重新分布又會(huì)受到以下多種因素的影響：巷道頂?shù)装?、兩幫的巖石力學(xué)性質(zhì)及圍巖的破碎程度等。

61617工作面的巷道皆是沿底掘進(jìn)的全煤巷道，因而巷道圍巖的硬度較低，巷道兩幫受周?chē)鷳?yīng)力及工作面開(kāi)采的擾動(dòng)作用而發(fā)生以片幫等形式的圍巖變形，且該工作面正是容易發(fā)生片幫的情況。因此這里分別研究分析巷道片幫機(jī)理及控制技術(shù)。

巷道煤壁片幫過(guò)程的本構(gòu)模型可以看作是某種處于發(fā)生塑性破壞的煤體，由于巷道開(kāi)挖作用和工作面的開(kāi)采擾動(dòng)發(fā)生彈性變形及后效變形，根據(jù)楊勝利[5]等提出的加入Mohr Coulomb屈服準(zhǔn)則的修正開(kāi)爾文模型進(jìn)行表示，如圖2所示。

圖2 煤壁開(kāi)爾文模型

從圖2中可以看出，煤壁在塑性狀態(tài)時(shí)對(duì)其影響最大的是：超前支承壓力，煤體強(qiáng)度、煤體內(nèi)部構(gòu)造和裂隙。但僅是在塑性狀態(tài)時(shí)的巷道煤體并不一定會(huì)發(fā)生片幫的現(xiàn)象，當(dāng)受到工作面的擾動(dòng)作用或是隨時(shí)間推移，煤壁的塑性區(qū)范圍增加，煤壁穩(wěn)定型大幅降低，進(jìn)而發(fā)生煤壁的片幫現(xiàn)象。而且巷道的彈性后效現(xiàn)象主要受掘進(jìn)速度、掘進(jìn)停滯，巷道變形增加進(jìn)而進(jìn)入塑性狀態(tài)，巷道片幫發(fā)生的概率增加。減弱這種狀態(tài)的主要是通過(guò)增加掘進(jìn)速度、增加巷道整體性的支護(hù)效果，進(jìn)而降低巷道兩幫的片幫現(xiàn)象發(fā)生概率。

2.2 錨桿在控制非連續(xù)性變形機(jī)理分析

巷道圍巖是否發(fā)生非連續(xù)性變形的力學(xué)過(guò)程與時(shí)間有著很強(qiáng)的相關(guān)性，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是提高巷道的圍壓，進(jìn)而改善峰后煤巖體的蠕變特性，最終增加巷道的穩(wěn)定性。巷道圍巖發(fā)生蠕變效應(yīng)主要發(fā)生于圍巖碎裂區(qū)，其殘余強(qiáng)度及變形并不是煤巖體本身的材料屬性，而是破碎煤巖體之間的結(jié)構(gòu)屬性。蠕變結(jié)構(gòu)效應(yīng)如圖3所示。

圖3 破碎煤巖體結(jié)構(gòu)之間滑動(dòng)模型

(1)

(2)

v=ε3/ε1=(L/D) tanθ

(3)

式中，Δ為煤巖體沿破裂面滑移量大?。沪?為徑向滑移量大??；Δ2為軸向滑移量大?。沪葹槠屏呀嵌却笮?；D為圓形試件直徑大??；L為煤巖體高度大??；ε1為軸向應(yīng)變量；ε3為徑向應(yīng)變量；v為軸向徑向應(yīng)變比。

增加圍壓大小改善峰后蠕變的特性，延長(zhǎng)巷道的穩(wěn)定時(shí)間。在巷道錨桿的支護(hù)效果范圍附近，圍壓可以等效為錨桿支護(hù)所提供給煤巖體的支護(hù)阻力，因而可以通過(guò)增加支護(hù)使用的錨桿支護(hù)阻力的方式，弱化巷道周?chē)簬r受采動(dòng)擾動(dòng)而導(dǎo)致的滑動(dòng)和張開(kāi)現(xiàn)象，進(jìn)而增加圍巖穩(wěn)定性，延長(zhǎng)巷道穩(wěn)定時(shí)間，增加巷道支護(hù)效果。錨桿弱化煤巖體滑動(dòng)和張開(kāi)原理如圖4所示，而基于“組合梁”理論，施加錨索之后能夠進(jìn)一步強(qiáng)化這種支護(hù)效果。

圖4 錨桿在控制非連續(xù)性變形示意

3 大斷面沿底全煤巷道支護(hù)方案

龍王溝煤礦61617工作面為矩形斷面，凈寬為5 500 mm，凈高為4 000 mm，凈斷面積22.0 m2，為大斷面沿底全煤巷道掘進(jìn)。在掘進(jìn)過(guò)程中，巷道圍巖存在應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性及支護(hù)時(shí)的困難性。根據(jù)上述巷道煤壁片幫機(jī)理及錨桿控制非連續(xù)性變形控制機(jī)理，基于工作面巷道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)狀態(tài)和原有巷道支護(hù)的破壞現(xiàn)象，制訂出巷道支護(hù)方案新實(shí)施方案。

3.1 巷道支護(hù)方案

對(duì)于龍王溝煤礦61617工作面大斷面沿底全煤巷道，巷道兩幫及頂?shù)装鍨閷?shí)體煤，硬度低，在掘進(jìn)過(guò)程及工作面高強(qiáng)度開(kāi)采擾動(dòng)影響，容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，考慮到巷道頂?shù)装迮c兩幫發(fā)生災(zāi)害之間的聯(lián)動(dòng)性，選擇對(duì)巷道頂板采用錨網(wǎng)索支護(hù)+φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿支護(hù)(圖5)。錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，共7根；錨索采用φ17.8 mm×6 500 mm鋼絞線(xiàn)，間排距為2 200 mm×3 000 mm，每排2根；底板鋪設(shè)厚250 mm混凝土。

圖5 巷道支護(hù)斷面示意

針對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象，結(jié)合巷道煤壁片幫機(jī)理及錨桿控制非連續(xù)性變形控制機(jī)理，回幫采用φ20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，錨桿間排距為950 mm×1 000 mm；煤柱幫采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為950 mm×1 000 mm，并結(jié)合噴漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.2 巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬研究

為了驗(yàn)證新的支護(hù)方案合理性及有效性，先利用FLAC3D建立巷道開(kāi)挖及巷道支護(hù)的三維數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模擬大斷面全煤巷道在實(shí)際開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的變形情況。整個(gè)模型四周及底板為固定約束，工作面埋深設(shè)置為985 m，由于受計(jì)算機(jī)能力限制，上覆巖層可以等效為27.5 MPa的應(yīng)力來(lái)模擬上覆巖層的自重。

從圖6可以看出，在巷道開(kāi)挖初期，尚未進(jìn)行支護(hù)時(shí)，巷道最大位移量達(dá)到了109 mm，且出現(xiàn)了大面積的塑性區(qū)，說(shuō)明此時(shí)巷道不穩(wěn)定，極易發(fā)生巷道坍塌或者失穩(wěn)破壞。

圖6 巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)位移及塑性區(qū)

從圖7(a)可以看出，采用原來(lái)的支護(hù)方案巷道的最大位移量為90.4 mm，對(duì)應(yīng)之前礦井生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生片幫的問(wèn)題，然而從圖7(b)可以看出，采用新的支護(hù)方案(錨桿+錨索+噴漿支護(hù))后，巷道最大位移量只有57.3 mm，相較原支護(hù)方案減少了近1/2的位移量，說(shuō)明新的支護(hù)方案能夠較好地控制巷道的穩(wěn)定性，整體支護(hù)達(dá)到較好的效果，繼而證明新的支護(hù)方案可以應(yīng)用于工程驗(yàn)證階段。

圖7 巷道原、新支護(hù)方案位移云圖

4 巷道支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

在工作面回采期間，為了解改進(jìn)后的支護(hù)方案的支護(hù)效果，對(duì)工作面前方巷道表面位移進(jìn)行了為時(shí)2個(gè)月的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 巷道頂?shù)准皟蓭桶逡平?/p>

通過(guò)圖8可以得出，在巷道開(kāi)掘22 d左右時(shí)，圍巖變形量比較大，而且變形速度也比較快，兩幫收斂量達(dá)到391 mm，頂?shù)装鍨?59 mm。之后整個(gè)巷道圍巖變形量趨于穩(wěn)定且以較慢的速度發(fā)生變形，當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間達(dá)到60 d時(shí)，兩幫的收斂量?jī)H為425 mm左右。采用新的支護(hù)方案之后，雖然巷道一直存在一定的變形量，但是都是以極低的速度變化，巷道的圍巖變形有所改善，尤其是原有的片幫問(wèn)題極少出現(xiàn)，支護(hù)效果極其明顯。

5 結(jié)論

(1)明確了大斷面全煤巷道兩幫失穩(wěn)破壞的影響因素以及各因素的作用機(jī)理；并且分析了大斷面全煤巷道的片幫現(xiàn)象的本構(gòu)模型，給出弱化片幫現(xiàn)象的理論方式。

(2) 分析了錨桿在控制非連續(xù)性變形時(shí)的作用機(jī)理，并且針對(duì)研究結(jié)論給出了弱化煤巖體之間滑動(dòng)和張開(kāi)效果的方法。

(3) 通過(guò)巷道煤壁片幫機(jī)理及錨桿控制非連續(xù)性變形控制機(jī)理的研究結(jié)論，給出了針對(duì)龍王溝煤礦61617工作面大斷面沿底全煤巷道片幫的錨桿+錨索+噴漿支護(hù)新方案，且經(jīng)過(guò)為期2個(gè)月的效果監(jiān)測(cè)證明，巷道的片幫現(xiàn)象得到了有效控制。