楊鵬彬,張 瑾,段 凱,申創(chuàng)華

(山西錦興能源有限公司, 山西 呂梁 035300)

隨著我國煤礦產(chǎn)能的日益增長,其開采強(qiáng)度也隨之增強(qiáng),巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)時(shí)有發(fā)生,增加了礦井生產(chǎn)成本,威脅著礦井安全生產(chǎn)[1-2]。強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)是煤巖體中聚集的能量緩慢或突然大量釋放,破壞煤巖體,造成人員傷亡和井巷及設(shè)備破壞的礦井動力災(zāi)害；當(dāng)能量緩慢釋放時(shí),強(qiáng)礦壓主要以巷道大變形的方式顯現(xiàn)[3-5]。而當(dāng)?shù)V井同時(shí)開采兩層煤時(shí),下煤層回采必然受到上煤層開采的影響,當(dāng)采掘接續(xù)緊張時(shí),下煤層回采巷道圍巖先后經(jīng)歷了掘進(jìn)、上煤層工作面開采、本煤層上區(qū)段工作面開采、本工作面超前支承壓力的影響,導(dǎo)致圍巖持續(xù)變形,時(shí)常會發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題[6-7]。

為解決上述問題,我國采礦工作者展開了大量的研究。張傳玖[8]以布爾臺煤礦42204工作面為工程背景,分析了上覆遺留煤柱條件影響下下煤層回采巷道的強(qiáng)礦壓問題,提出了水壓致裂弱化頂板的治理方法,現(xiàn)場試驗(yàn)表明,壓裂后頂板周期來壓步距減小、來壓強(qiáng)度降低,有效減小了過煤柱期間的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題。孫向峰[9]針對某礦厚煤層工作面回采巷道底鼓的問題,提出了底板切槽卸壓的方案,切槽深度為3 000 mm、寬度為400 mm,現(xiàn)場實(shí)踐表明，該技術(shù)可有效減少巷道底鼓變形,使得巷道底鼓量平均降低了53.8%。張軍華、吳燕等[10]針對紅石巖煤礦回采巷道底鼓嚴(yán)重的問題,提出了在巷道底板切槽卸壓治理的方法,確定切槽參數(shù)為深1 200 mm、寬600 mm,并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),取得了良好的應(yīng)用效果。高曉旭、石新禹等[11]針對應(yīng)力型底鼓形式,提出了“幫腳錨桿+底角錨桿+混凝土”的復(fù)合支護(hù)技術(shù),實(shí)測結(jié)果表明,優(yōu)化支護(hù)后巷道底板底鼓量最大不超過16 mm,底鼓最大變化量不超過2 mm/d。楊冉、郝兵元等[12]針對南關(guān)煤業(yè)巷道底鼓問題,提出了多因素底板切槽參數(shù)的確定方法,并制定了南關(guān)煤業(yè)底板切槽參數(shù)為深度4 000 mm,寬度300 mm,現(xiàn)場實(shí)踐表明,該方法使得巷道底鼓量降低了49.1%。

本文基于肖家洼煤礦8號煤層與13號煤層同采的技術(shù)條件,以其221302材料順槽強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、底鼓嚴(yán)重為工程背景,提出采用底板切槽卸壓技術(shù)減少巷道底鼓量,并采用數(shù)值模擬的方法預(yù)計(jì)了底板切槽卸壓降低底鼓的效果。

1 工程背景

1.1 煤層開采概況

肖家洼煤礦位于山西省呂梁市興縣,井田范圍屬于河?xùn)|煤田,目前同時(shí)開采8號及13號煤層。其中，8號煤層屬于二疊系山西組地層,13號煤層屬于石炭系太原組地層,屬于該煤田內(nèi)典型的“石炭-二疊”雙系煤層開采礦井,兩層煤層間距70 m左右。8號煤層采用綜采，13號煤層采用綜采放頂煤的方法開采。目前,13號煤層回采巷道圍巖變形嚴(yán)重,屬于巷道圍巖內(nèi)聚集的能量緩慢釋放的表現(xiàn),強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致巷道支護(hù)多次補(bǔ)強(qiáng)、底板多次起底(如圖1所示)，增加了工人的勞動強(qiáng)度,提高了巷道維護(hù)成本,影響了礦井安全生產(chǎn),亟需對13號煤層回采巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題進(jìn)行治理。

圖1 巷道底板鼓起

在肖家洼煤礦井田范圍內(nèi),選取兩個(gè)采區(qū)中間部分1 000 m×1 000 m范圍為研究對象,其地表等高線如圖2所示；選取其周邊鉆孔,對其巖層分布情況進(jìn)行分析,作為雙煤層同采工作面數(shù)值模型建立的依據(jù),結(jié)果匯總見表1。

表1 巖層分布情況匯總

圖2 研究區(qū)域地表等高線

1.2 221302材料順槽概況

在工作面回采的基礎(chǔ)上,以13號煤層221302工作面材料順槽為例,分析巷道圍巖變形機(jī)理及強(qiáng)礦壓控制技術(shù),其頂?shù)装鍘r性見表2所示。

表2 221302材料順槽頂?shù)装鍘r性

當(dāng)前,221302工作面材料順槽寬5.4 m,高3.7 m,支護(hù)方式為錨桿索聯(lián)合支護(hù)。頂板每排采用7根Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×800 mm；每排采用3根Φ21.6 mm×11 500 mm錨索,間排距1 600 mm×1 600 mm,三三布置。巷道采煤幫布置4根Φ27 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿,間排距900 mm×800 mm。巷道非采煤幫布置4根Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×800 mm。在上述支護(hù)條件下,該巷道圍巖變形嚴(yán)重,通過對巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康膶?shí)地觀測可知,巷道累計(jì)兩幫移近量最大達(dá)到700 mm以上;巷道累計(jì)頂?shù)装逡平窟_(dá)到1 450 mm以上,且以底板鼓起量為主。期間為了保證巷道的正常使用,對底板進(jìn)行了3次起底作業(yè),每次起底后在底板噴混凝土100 mm硬化。綜上所述,明確13號煤層回采巷道的圍巖應(yīng)力演化機(jī)理,揭示其圍巖變形特征,提出適用于肖家洼煤礦的巷道圍巖變形防治技術(shù)措施,是亟需解決的工程難題。

2 雙煤層同采下煤層巷道圍巖應(yīng)力場數(shù)值模擬

2.1 采場數(shù)值模型及模擬流程

為確定13號煤層回采巷道從掘進(jìn)開始的全歷程圍巖應(yīng)力分布特征,根據(jù)1.1節(jié)中所劃定的研究區(qū)域,結(jié)合礦井實(shí)際地表的等高線及表1中各地質(zhì)分層的厚度,建立三維數(shù)值模型,模型長度1 000 m，寬度800 m，如圖3所示。

圖3 雙煤層開采數(shù)值模型

由圖3可知,模型中包含從地表至太原組內(nèi)全部巖層。其中，在8號煤層和13號煤層中分別布置4個(gè)工作面：8號煤層工作面長度為264 m,13號煤層工作面長度為250 m,區(qū)段煤柱均為30 m,上下煤層工作面內(nèi)錯(cuò)27 m布置,如圖4所示。

(a)8號煤層工作面

由圖4可知,數(shù)值模型中將8號煤層和13號煤層分別設(shè)置了兩個(gè)采區(qū),每個(gè)采區(qū)布置兩個(gè)工作面。在肖家洼煤礦的實(shí)際開采過程中,采用了采區(qū)間跳采的方式對兩個(gè)煤層進(jìn)行開采。因此,在模擬過程中,工作面的回采按照8-1-1工作面→8-2-1與13-1-1工作面→8-1-2與13-2-1工作面→8-2-2與13-1-2工作面→13-2-2工作面的順序進(jìn)行開采,且13-2-2工作面的推進(jìn)只模擬一半。將圖4(b)中的紅色虛線范圍設(shè)置為監(jiān)測區(qū)域,以分析其超前支承壓力對巷道圍巖應(yīng)力場的影響。

2.2 巷道數(shù)值模型及模擬流程

為模擬221302材料順槽的變形特征,根據(jù)表2中參數(shù)建立巷道數(shù)值模型,共劃分5個(gè)煤巖層。模型高度為43.86 m,模型寬度設(shè)置為50 m,巷道尺寸為5.4 m×3.7 m,數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 221302材料順槽數(shù)值模型

根據(jù)2.1節(jié)中流程進(jìn)行數(shù)值模擬后,可以將13號煤層回采巷道的圍巖應(yīng)力場演化過程劃分為4個(gè)階段:①掘進(jìn)階段(未受二次擾動);②受上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊?③受8號煤遺留煤柱影響;④受本工作面超前支承壓力影響。在以上4個(gè)階段內(nèi)選取特征位置,提取6個(gè)縱剖面內(nèi)的應(yīng)力場分布情況。其中，①～③階段內(nèi)各取1個(gè)特征位置，④階段內(nèi)選取3個(gè)特征位置(分別為距離工作面70，40，10 m),將上述特征位置依次編號為①～⑥號,其位置如圖4(b)中黑色短線所示。巷道模型的應(yīng)力邊界以采場模型中4個(gè)階段內(nèi)的6個(gè)縱剖面處模擬所得的應(yīng)力為依據(jù),這6個(gè)應(yīng)力邊界的依次施加反演了13號煤層回采巷道的應(yīng)力演化過程。因此,將巷道模型的厚度設(shè)置為1 m,以準(zhǔn)確反演各個(gè)縱剖面的應(yīng)力狀態(tài)。

通過Fish語言將各特征位置的垂直應(yīng)力逐步施加至巷道模型作為應(yīng)力邊界。以上方法的實(shí)現(xiàn)過程中,主要包括以下兩部分內(nèi)容。

1)各特征位置的垂直應(yīng)力提取。在提取過程中,以巷道模型建立的尺寸為依據(jù),本文中巷道模型的最上層為老頂巖層,高度為43.86 m,模型寬度為50 m。因此,在上述6個(gè)特征位置的老頂巖層上部設(shè)置測線(50 m),確定測線起始坐標(biāo),通過Fish語言,按照一定的間隔設(shè)置應(yīng)力提取點(diǎn),將各點(diǎn)的應(yīng)力值依次提取并保存為txt文件,提取各特征位置下的測線垂直應(yīng)力分布曲線。

2)各特征位置的邊界應(yīng)力施加。將提取出的6條垂直應(yīng)力曲線按照節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別填入FLAC3D軟件中的Table數(shù)據(jù)欄中,通過Fish語言調(diào)用功能,利用apply命令,按照開采順序逐步添加至巷道模型的上表面,作為應(yīng)力邊界。

2.3 13號煤層回采巷道圍巖應(yīng)力場演化過程

為了更好地反演肖家洼煤礦13號煤層巷道在不同階段下的圍巖應(yīng)力場,根據(jù)2.2節(jié)所述方法,按照43.86 m×50 m的范圍,在2.1節(jié)數(shù)值模擬不同開采條件下的老頂巖層上表面應(yīng)力值進(jìn)行提取,包括:①模擬區(qū)域未受影響時(shí)應(yīng)力曲線;②模擬區(qū)域受上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憰r(shí)應(yīng)力曲線;③模擬區(qū)域受8號煤遺留煤柱影響時(shí)應(yīng)力曲線。繪制曲線如圖6所示。

圖6 側(cè)向支承壓力及8號煤遺留煤柱影響下應(yīng)力曲線

由圖6可知,未受擾動情況下,模型應(yīng)力邊界基本為一水平線,各點(diǎn)應(yīng)力值平均為7.01 MPa,以此作為本章數(shù)值模擬初始平衡的應(yīng)力邊界,再根據(jù)圖中曲線對應(yīng)力邊界上各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值逐步加載。當(dāng)本工作面開始回采后,為了研究超前支承壓力對巷道圍巖應(yīng)力場的影響,分別在距離工作面70,40,10 m位置選取剖面,提取應(yīng)力值如圖7所示。

圖7 超前支承壓力分布曲線

由圖7可知,當(dāng)本工作面開始回采后,其超前支承壓力對巷道圍巖產(chǎn)生了較大影響,且隨著與工作面距離的增加,影響逐漸減小。以圖6、圖7中6條曲線為巷道數(shù)值模型的應(yīng)力邊界條件,分別模擬計(jì)算不同階段內(nèi)巷道圍巖移動變形情況。

3 下煤層回采巷道圍巖變形

3.1 現(xiàn)支護(hù)條件下巷道圍巖變形

基于以上數(shù)值模擬方法,以221302材料順槽當(dāng)前支護(hù)參數(shù)為依據(jù),建立巷道數(shù)值模型(如圖8所示)；再根據(jù)圖6、圖7中應(yīng)力曲線逐步設(shè)置應(yīng)力邊界條件,對各種情況下巷道的位移情況進(jìn)行分析,包括頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫移近量。

圖8 221302材料順槽現(xiàn)支護(hù)方案數(shù)值模型

由于數(shù)值模擬中采用了摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型,因此在上部邊界應(yīng)力的作用下模型被不可避免地整體壓縮,導(dǎo)致在云圖圖例中直接讀取的頂板下沉值和底板鼓起值與實(shí)際計(jì)算結(jié)果存在偏差。因此,以巷道兩幫中間節(jié)點(diǎn)的垂直移動值為基礎(chǔ),將其與初始狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo)的差值作為修正參數(shù),將圖例中頂板下沉值與修正參數(shù)相減,底板鼓起值與修正系數(shù)相加，最終得到相應(yīng)參數(shù)的變化值。

3.1.1頂?shù)装遄冃谓Y(jié)果分析

221302材料順槽在現(xiàn)支護(hù)條件下的垂直位移云圖如圖9所示。

(a) 未受二次擾動

由圖9可知,221302工作面材料順槽從開挖掘進(jìn)開始,巷道圍巖垂直位移不斷增加,主要表現(xiàn)為巷道頂板下沉和底板鼓起。巷道在未受到二次擾動條件下,頂板下沉值為112 mm,底板鼓起值為336 mm，如圖9(a)所示;巷道在受到上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憲l件下,頂板下沉值為171 mm,底板鼓起值為418 mm，如圖9(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,頂板下沉值為196 mm,底板鼓起值為458 mm,如圖9(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時(shí),頂板下沉值為262 mm,底板鼓起值為543 mm,如圖9(d)所示;距離工作面40 m時(shí),頂板下沉值為290 mm,底板鼓起值為577 mm,如圖9(e)所示;距離工作面10 m時(shí),頂板下沉值為335 mm,底板鼓起值為617 mm,如圖9(f)所示。數(shù)據(jù)匯總見表3所示。

表3 現(xiàn)支護(hù)巷道頂?shù)装宕怪蔽灰颇M結(jié)果

由表3可知,目前的支護(hù)形式對巷道頂板下沉起到了一定的控制作用,但由于未對底板進(jìn)行支護(hù),使得底板鼓起嚴(yán)重,且在受到側(cè)向支承壓力及本工作面超前支承壓力時(shí),底鼓增量最為明顯。

3.1.2兩幫移動變形結(jié)果分析

221302材料順槽在現(xiàn)支護(hù)條件下的水平位移云圖如圖10所示。

(a) 未受二次擾動

由圖10可知,221302工作面材料順槽從開挖掘進(jìn)開始,巷道圍巖水平位移不斷增加,主要表現(xiàn)為巷道兩幫向巷道軸線的移近。巷道在未受到二次擾動條件下,左幫移近量為126 mm,右?guī)鸵平繛?26 mm，如圖10(a)所示;巷道在受到上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憲l件下,左幫移近量為198 mm,右?guī)鸵平繛?08 mm,如圖10(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,左幫移近量為230 mm,右?guī)鸵平繛?40 mm,如圖10(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時(shí),左幫移近量為326 mm,右?guī)鸵平繛?36 mm,如圖10(d)所示;距離工作面40 m時(shí),左幫移近量為363 mm,右?guī)鸵平繛?72 mm,如圖10(e)所示;距離工作面10 m時(shí),左幫移近量為422 mm,右?guī)鸵平繛?26 mm,如圖10(f)所示。數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表4 現(xiàn)支護(hù)巷道兩幫水平位移模擬結(jié)果

由表4可知,目前的支護(hù)形式對巷道兩幫圍巖變形起到了一定的控制作用,在受到側(cè)向支承壓力及本工作面超前支承壓力時(shí),兩幫移近量增量最為明顯。

綜上所述,現(xiàn)支護(hù)方案在一定程度上減少了巷道圍巖的移動變形,但由于在底板中未做支護(hù)處理,因此巷道底鼓現(xiàn)象較為嚴(yán)重,已經(jīng)成為了該巷道維護(hù)的主要問題。鑒于此,本文提出了采用底板切槽卸壓的方法,以降低底板鼓起量,減少巷道維護(hù)成本。

3.2 巷道底板切槽卸壓后圍巖變形

3.2.1底板切槽卸壓參數(shù)

底板切槽卸壓參數(shù)主要包括切槽的深度和寬度。其中,切槽深度決定了底板應(yīng)力釋放的范圍,由于當(dāng)切槽深度小于巷道寬度的一半時(shí),切槽范圍內(nèi)的巖層抵抗變形的能力較小,對底鼓的治理效果將會大打折扣,因此現(xiàn)場施工時(shí),切槽深度一般大于巷道寬度的一半。卸壓槽寬度的選取與底板巖性有關(guān),當(dāng)?shù)装鍘r層為中等強(qiáng)度的巖性時(shí),卸壓槽寬度約為0.3～0.4 m；底板巖層巖性強(qiáng)度較低時(shí),卸壓槽寬度應(yīng)略大于此值。

肖家洼煤礦221302材料順槽寬5.4 m、高3.7 m,且底板為泥巖,較為軟弱。根據(jù)上述巷道底板切槽卸壓的工程經(jīng)驗(yàn),對于肖家洼煤礦221302材料順槽,底板切槽深度應(yīng)略大于巷道寬度的一半(2.7 m),故本文中確定切槽深度為3 m;由于底板強(qiáng)度較低,切槽寬度應(yīng)略大于0.4 m,故切槽寬度確定為0.5 m。根據(jù)以上底板切槽參數(shù),運(yùn)用數(shù)值模擬方法,在現(xiàn)支護(hù)條件下,對巷道底板進(jìn)行切槽,從巷道圍巖垂直位移和水平位移兩個(gè)方面出發(fā),對其底鼓治理效果進(jìn)行預(yù)測分析,切槽后數(shù)值模型如圖11所示。

圖11 底板切槽數(shù)值模型

3.2.2頂?shù)装遄冃谓Y(jié)果分析

221302材料順槽底板切槽后巷道圍巖垂直位移如圖12所示。

(a) 未受二次擾動

由圖12可知,巷道在未受到二次擾動條件下,頂板下沉值為119 mm,底板鼓起值為185 mm，如圖12(a)所示;巷道在受到上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憲l件下,頂板下沉值為169 mm,底板鼓起值為277 mm，如圖12(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,頂板下沉值為192 mm,底板鼓起值為318 mm，如圖12(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時(shí),頂板下沉值為264 mm,底板鼓起值為401 mm，如圖12(d)所示;距離工作面40 m時(shí),頂板下沉值為288 mm,底板鼓起值為434 mm，如圖12(e)所示;距離工作面10 m時(shí),頂板下沉值為331 mm,底板鼓起值為475 mm，如圖12(f)所示。將上述底板切槽條件下頂板下沉值及底板鼓起值數(shù)據(jù)匯總,與未切槽條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,見表5所示。

(f) 超前工作面10 m

表5 巷道頂?shù)装宕怪蔽灰颇M結(jié)果

由表5可知,相較于底板未切槽巷道,當(dāng)?shù)装迩胁酆?頂板下沉值基本不變;但底板鼓起值顯著降低,在超前支承壓力影響前,底鼓值預(yù)計(jì)降低30.57%～44.94%；當(dāng)受到超前支承壓力影響后,降低幅度有所減小,但仍保持在23.03%～26.15%范圍內(nèi)。

3.2.3底板切槽后巷道圍巖水平位移

由圖13所示,221302工作面材料順槽底板開挖卸壓槽后,巷道在未受到二次擾動條件下,左幫移近量為172 mm,右?guī)鸵平繛?65 mm，如圖13(a)所示;受到上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊憲l件下,左幫移近量為217 mm,右?guī)鸵平繛?26 mm，如圖13(b)所示;受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,左幫移近量為238 mm,右?guī)鸵平繛?51 mm，如圖13(c)所示;受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時(shí),左幫移近量為329 mm,右?guī)鸵平繛?46 mm，如圖13(d)所示;距離工作面40 m時(shí),左幫移近量為358 mm,右?guī)鸵平繛?66 mm，如圖13(e)所示;距離工作面10 m時(shí),左幫移近量為441 mm,右?guī)鸵平繛?45 mm，如圖13(f)所示。將上述底板切槽條件下巷道兩幫移近量值數(shù)據(jù)匯總,與未切槽條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,見表6所示。

(a) 未受二次擾動

由表6可知,底板切槽對巷道兩幫的移近量影響有限,僅在巷道切槽后初期使得兩幫變形量較未切槽時(shí)增大30%,其余各階段內(nèi)切槽對兩幫移近量影響均較小。

表6 巷道兩幫水平位移模擬結(jié)果

4 結(jié)論

1)肖家洼煤礦13號煤層回采巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的應(yīng)力源主要包括:掘進(jìn)、上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Α?號煤遺留煤柱、本工作面超前支承壓力;

2)提出了“大-小”模型銜接巷道變形模擬方法,先通過大模型(采場模擬)模擬得出巷道圍巖的應(yīng)力分布,并將其結(jié)果提取,通過Fish語言施加在模擬巷道的小模型中作為其應(yīng)力邊界。通過以上方法,就可在巷道模型中考慮其周邊采場對其應(yīng)力場的影響。

3)基于肖家洼煤礦221302材料順槽實(shí)際支護(hù)條件,反演了其不同階段的巷道圍巖移動變形量,并針對底鼓現(xiàn)象,提出了采用巷道底板切槽卸壓的防治方法；通過數(shù)值模擬手段預(yù)計(jì)在超前支承壓力影響前,底鼓值預(yù)計(jì)降低30.57%～44.94%,當(dāng)受到超前支承壓力影響后,降低幅度有所減小,但仍保持在23.03%～26.15%范圍內(nèi)。