高士崗,楊俊哲,高登彥,歐陽一博,柴 敬,3
(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719315;3.西安科技大學(xué) 西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)
神東礦區(qū)活雞兔井1-2上煤與1-2煤的層間距僅為9~21 m,屬于典型的近距離煤層群開采。與單一煤層開采巷道穩(wěn)定性相比,由于上部煤層開采導(dǎo)致下煤層頂板完整性受到嚴(yán)重破壞,因而下煤層巷道圍巖穩(wěn)定性差且支護(hù)困難[1-2]。上部煤層開采后,采空區(qū)附近頂?shù)装寰幱谛秹簠^(qū)域,上覆巖層載荷開始向四周穩(wěn)定煤體中轉(zhuǎn)移,相鄰工作面間留設(shè)的區(qū)段煤柱因兩邊均已采空而產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng),區(qū)段煤柱高度應(yīng)力集中導(dǎo)致其下部煤層中布置的回采巷道安全性受到嚴(yán)重威脅[3-5]。
近距離煤層聯(lián)合開采巷道布置方式主要有內(nèi)錯式、外錯式及重疊式3種[6-8]。一般內(nèi)錯式和外錯式采用較多。內(nèi)錯式的優(yōu)點在于合理避開了上煤層區(qū)段煤柱的高應(yīng)力區(qū),巷道處于上煤層采空區(qū)下屬于應(yīng)力降低區(qū),其缺點在于巷道頂板上部即為上煤層采空區(qū),上煤層開采影響了中間層的穩(wěn)定性與完整性,而巷道支護(hù)一般采用錨桿、錨索支護(hù),錨桿、錨索上部缺乏穩(wěn)定固定點,造成巷道支護(hù)困難;外錯式雖處于應(yīng)力集中區(qū),但巷道頂板上部為穩(wěn)定的實體煤層,且中間層完整性較高,巷道支護(hù)效果顯著優(yōu)于內(nèi)錯式布置。合理選擇巷道布置位置及支護(hù)方案,保證下煤層回采巷道變形量在可控范圍之內(nèi),成為近距離煤層安全高效開采的重要研究課題[9-11]。
中國學(xué)者針對近距離煤層開采巷道穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量研究。肖家平以團(tuán)柏煤礦11-101工作面為背景,根據(jù)現(xiàn)場鉆孔窺視及滑移線場理論,分析得出上部煤層開采引起的底板塑性區(qū)破壞深度約為0.7 m,頂板淋水作用進(jìn)一步加劇了下部巷道圍巖的損傷劣化程度[12];楊偉對近距離煤層聯(lián)合開采工作面合理錯距留設(shè)問題進(jìn)行了研究[13];劉犇針對極近距離煤層巷道頂板破碎、支護(hù)困難等情況,通過理論計算得出上下煤層巷道的合理錯距為9.9 m,巷道布置形式為內(nèi)錯式[14];李中偉以泰安煤礦12101運輸巷為研究對象,確定1-2煤層巷道外錯11煤層煤柱為2.0 m,掘進(jìn)期間巷道變形量不大[15];杜艷春以汾西礦業(yè)集團(tuán)宜興煤業(yè)1201-2工作面為工程背景,分析得出回采巷道應(yīng)選用內(nèi)錯4~6 m布置[16];梁華杰以界溝煤礦8220工作面機巷為研究對象,運用極限平衡理論和彈性力學(xué)理論對煤柱一側(cè)塑性區(qū)寬度及上煤層底板應(yīng)力分布進(jìn)行了研究,得出上煤層采空區(qū)左側(cè)煤壁與下煤層巷道頂板中心線距離為22 m時巷道受力均勻圍巖變形量小,為最佳布置方案[17]。已有針對近距離煤層巷道布置方式選擇及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化的研究主要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測,其中物理模型試驗研究主要集中在巷道變形監(jiān)測傳感器的研制[18-19],通過數(shù)值模擬對巷道圍巖裂隙場演化、支護(hù)方案設(shè)計等方面進(jìn)行研究[20-23]。
鑒于此,文中研究在1-2上煤開采過程中1-2煤層中巷道12314運順和12313回順的穩(wěn)定性以及下煤層巷道的合理布置方式,通過現(xiàn)場巷道變形觀測、物理相似模型試驗及數(shù)值模擬計算的綜合分析方法,得出1-2煤層中巷道的變形規(guī)律及引起巷道變形的主要影響因素,對下煤層巷道分別布置于上煤層采空區(qū)下與區(qū)段煤柱下的變形情況進(jìn)行對比分析。
大柳塔煤礦活雞兔井,一井三面,年產(chǎn)1 170萬t。神東礦區(qū)活雞兔井1-2上煤與1-2煤的層間距僅為9~21 m,屬于典型的近距離煤層群開采,與單一煤層開采巷道穩(wěn)定性相比,由于上部煤層開采導(dǎo)致下煤層頂板完整性受到嚴(yán)重破壞,因而下煤層巷道圍巖穩(wěn)定性差且支護(hù)困難。已知1-2上煤層采高3 m,上覆基巖厚度110 m,覆巖存在3層關(guān)鍵層,1-2煤與1-2上煤之間關(guān)鍵層為2 m厚粉砂巖。關(guān)鍵層分別位于21,56,105 m層位之上;1-2上煤中1-2上311工作面寬度240 m,采高3 m,1-2上312工作面寬度200 m,采高3 m;1-2煤12313工作面寬度290 m,12314工作面寬度230 m,兩者采高均為5 m。
12313工作面位于1-2煤三盤區(qū)集中大巷南翼,南西側(cè)是12312面采空區(qū),工作面切眼外側(cè)是12314切眼外旺采區(qū)(已回采),工作面正上方為1-2上311-2面采空區(qū),北東側(cè)為設(shè)計12315工作面,但是未形成,地面標(biāo)高1 196.0~1 252.3 m,煤層底板標(biāo)高1 108.7~1 148.2 m。1-2上311-2工作面斜長347.4 m,走向長3 409.9 m,工作面左側(cè)為1-2上310面采空區(qū)。初次來壓步距63 m,周期來壓9~15 m,平均12 m,來壓持續(xù)長度3~4 m。1-2上311面和12313面對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。
圖1 1-2上311面和12313面對應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between Plane 1-2upper 311 and Plane 12313 on 1-2上
12314運順和12313回順在1-2煤層中掘進(jìn),該區(qū)域煤層厚度4.3~6.1 m,平均厚約4.8 m。老頂為中、粗砂巖,厚度14.0~14.8 m,直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度1.0~5.8 m;巷道直接底為泥巖,厚度0.4~5.0 m。煤層傾角1°~3°,地面標(biāo)高1 212~1 248 m,煤層底板標(biāo)高1 111~1 143 m。12313回順掘進(jìn)長度為5 013 m,12314運順掘進(jìn)長度為5 049 m,兩順槽間煤柱寬度為16.42 m。上覆1-2上311工作面正在回采,層間距9~21 m。在頂板完好的情況下,頂煤厚度大于300 mm時,采用錨桿+金屬網(wǎng)+錨索進(jìn)行支護(hù)。12313回順內(nèi)設(shè)置一套單軌吊錨桿,錨桿外露長度為100~150 mm,距巷道正幫1.5 m,距巷道中心線1.1 m。
為了減輕巷道受壓和改善巷道維護(hù)狀況,近距離煤層開采條件下,通常將煤層巷道布置在采空區(qū)下方的應(yīng)力降低區(qū)[24-25]。但是,神東礦區(qū)部分極近距離煤層間距小于錨桿支護(hù)長度,巷道將難以采用錨桿支護(hù),且已有的理論研究成果較多是應(yīng)用于巷道支護(hù)斷面不大,巷道埋深較大的開采條件,對于神東礦區(qū)巷道支護(hù)斷面大、煤層埋深淺的開采條件將不再適用。
為了分析上煤層開采過程對下煤層巷道穩(wěn)定性的影響,搭建物理相似模型對該問題進(jìn)行研究。搭建尺寸為250 cm×130 cm×25 cm(長×高×寬)的模型,模擬模型的幾何相似比為1∶100,巖層設(shè)置和巖層配比見表1。物理相似模型1-2上煤與1-2煤層間距按照實際地質(zhì)鉆孔柱狀圖取平均值13 m。各巖層配比號根據(jù)地層實際強度參數(shù)依據(jù)已有強度表查取。物理實驗主要目的在于研究1-2上煤層開采對其下煤層巷道的最大影響程度,為巷道支護(hù)方案設(shè)計提供理論參考。
表1 物理模型巖層配比Table 1 Rock layer ratio of physical model
1-2上煤層巷道尺寸為5 m×3 m,1-2煤層巷道尺寸為5.5 m×4.0 m;兩層煤巷道均提前掘出,巷道一次成形。共布置了3條測線,2條豎直測線、1條水平測線。水平測線沿1-2煤巷道中線布置,測點間隔3 cm,豎直測線沿1-2煤巷道頂?shù)装逯芯€布置,測點間隔2 cm。
上煤層開采后模型垮落狀態(tài)如圖2所示。在1-2上311工作面采動和巷道開挖共同影響下,12313回風(fēng)順槽兩幫移近量最大值15 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm;12314運輸順槽兩幫移近量最大值17 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm。模擬結(jié)果表明,1-2上312、1-2上313工作面回采對1-2煤層的巷道影響較小,僅為200~300 mm,表明活雞兔井三盤區(qū)近距離下煤層巷道布置在34.6 m寬區(qū)段煤柱下是能夠保持應(yīng)有的效果,可以繼續(xù)使用。
圖2 上煤層開采后巷道狀況Fig.2 Roadway condition after upper coal seam mining
為了研究淺埋近距離煤層群開采不同巷道布置方式對圍巖變形及應(yīng)力分布的影響,選用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析,分別建立下部煤層巷道外錯于上部采空區(qū)及內(nèi)錯于采空區(qū)2種模型進(jìn)行對比分析,為同類型巷道布置方式及支護(hù)設(shè)計提供借鑒。
FLAC3D數(shù)值計算模型根據(jù)活雞兔井田的地質(zhì)條件,簡化該地區(qū)巖層賦存條件,基礎(chǔ)模型以兩煤層之間巖層的中點作為垂直方向的零點,模型頂界面標(biāo)高為110 m,底界面標(biāo)高為-13.5 m。為了研究上煤層遺留煤柱下回采巷道的圍巖變形及應(yīng)力特征,對下煤層巷道圍巖進(jìn)行細(xì)化,X方向間隔為0.5 m,Y方向間隔為10 m,Z方向間隔為1 m,設(shè)置模型走向長度400 m,傾向長度300 m,高度123.5 m。數(shù)值計算采用Mohr-Coulomb彈塑性屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬計算,考慮到巖石的尺度效應(yīng),模擬計算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。
表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal strata
考慮模擬主要研究內(nèi)容是下煤層回采巷道的位置和區(qū)段煤柱寬度,因此在X方向兩側(cè)均不留邊界煤柱,在模型兩側(cè)固定邊界,禁止模型發(fā)生水平移動。設(shè)計模擬開采方案的雙巷均布置在本煤層中,下煤層巷道位置根據(jù)設(shè)計開采方案進(jìn)行變化。設(shè)計基礎(chǔ)模型如圖3所示,其中圖3(a)為建立的數(shù)值模型三維圖及煤柱應(yīng)力測線布置方式,模型共有117 500個單元體和128 336個節(jié)點組成;圖3(b)為下煤層預(yù)掘巷道外錯采空區(qū)布置方式;圖3(c)為下煤層預(yù)掘巷道內(nèi)錯采空區(qū)布置方式。
圖3 數(shù)值模型及巷道布置方式Fig.3 Numerical model and roadway layout
設(shè)計模型中,上煤層采高為3 m,下煤層采高3 m,層間巖性為砂巖。12313回風(fēng)順槽與12314運輸順槽為圖3中下煤-1面2條順槽;12314回風(fēng)順槽與12315運輸順槽為圖3中下煤-2面2條順槽。設(shè)計模型首先預(yù)掘出4條回采巷道,巷道之間煤柱留設(shè)的寬度根據(jù)設(shè)計方案確定,然后再開采上煤層兩工作面,待上煤層工作面采動穩(wěn)定之后開挖下煤層第3個工作面。活雞兔井12313工作面設(shè)計開采的4種方案如下。
(1)12313回順及12314運順均布置在34.6 m區(qū)段煤柱之下,且與煤柱邊界外錯5.0 m,即下煤層區(qū)段煤柱寬度約為14.0 m。
(2)12313回順及12314運順均布置在12上312工作面老采空區(qū)下,且12314運順內(nèi)錯上煤層煤柱邊界10 m,下煤層區(qū)段煤柱寬度為54 m。
(3)12314回順內(nèi)錯10 m布置,12315運順則置于上煤層區(qū)段煤柱中部之下,此時,下煤層的區(qū)段煤柱寬度為25 m。
(4)12314回順內(nèi)錯10 m布置,12313運順則置于上煤層區(qū)段煤柱中部之下,此時,下煤層的區(qū)段煤柱寬度為25 m。
方案1 巷道布置條件下預(yù)掘巷道4頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖冃吻€如圖4所示,其中工作面相對位置指工作面推進(jìn)位置相對位移測點距離。從圖4可知,當(dāng)12314回順及12314運順均布置在活雞兔井上煤34.6 m遺留區(qū)段煤柱之下,且與煤柱邊界外錯5.0 m。當(dāng)上煤層工作面2推進(jìn)位置越過位移測點時,巷道變形速度顯著增大。當(dāng)下煤層工作面3開采時,巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔兇?,巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平拷K值分別為:179.5 mm,117.2 mm。
圖4 方案1巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟縁ig.4 Roadway roof and floor and deformation of two sides in Scheme 1
方案2 巷道布置條件下預(yù)掘巷道4的變形值均不大,當(dāng)上煤工作面1開采推過監(jiān)測點的位置時,巷道變形陡然增大且增速較大,但變形增量不大,在工作面后續(xù)開采過程中,工作面的開采對預(yù)掘巷道4的變形影響較小,巷道頂?shù)装逡平孔冃嗡俣容^小,其最終分別為:27.9 mm,24.9 mm??梢钥闯鰧⑾锏啦贾迷诓煽諈^(qū)下,巷道的變形量較小,如圖5所示。
圖5 方案2巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟縁ig.5 Roadway roof and floor and deformation of two sides in Scheme 2
方案3 巷道布置條件下預(yù)掘巷道4變形主要受上煤工作面2開采影響,在工作面2推過監(jiān)測點處巷道變形速度開始增大;由于下煤區(qū)段煤柱寬度25.0 m且預(yù)掘巷道4布置在上煤區(qū)段煤柱中部,避開了上煤區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值區(qū)域,因此,巷道受本煤層工作面采動影響較小,巷道變形速度和變形量均不大,預(yù)掘巷道4頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康慕K值分別為:78.1 mm,39.1 mm。
方案4 巷道布置條件下預(yù)掘巷道4的變形值僅在上煤工作面2推過監(jiān)測點處增幅較大,但數(shù)值變化不大。和方案3相比,是將預(yù)掘巷道4的位置由區(qū)段煤柱中部改到采空區(qū)下,因此巷道受采動影響的程度更低,預(yù)掘巷道4頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康慕K值分別為:28.0 mm,20.8 mm。
對不同方案下巷道變形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,見表3,對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)預(yù)掘巷道4位于采空區(qū)下時,巷道的變形量相比于布置在煤柱下的巷道的變形量要小,巷道變形量不超過30 mm。方案1和方案3中預(yù)掘巷道4均布置在煤柱下,但巷道外錯距不同而導(dǎo)致巷道變形量不同,原因是方案1中巷道外錯5 m仍處在12313工作面?zhèn)认虺爸螇毫Φ膽?yīng)力增高區(qū),且在上煤柱與巷道之間產(chǎn)生了集中應(yīng)力,使得巷道變形較大,如圖6(a)所示。
表3 不同方案下巷道變形結(jié)果統(tǒng)計Table 3 Statistics of roadway deformation results in different schemes
圖6 方案1及方案3預(yù)掘巷道應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of pre-excavation roadway in Scheme 1 and 3
方案3中預(yù)掘巷道4相對位于上煤柱的中部,處在12312與12313工作面?zhèn)认虺爸С袎毫Φ膽?yīng)力降低區(qū),且上煤柱與巷道之間產(chǎn)生的集中應(yīng)力較小,因此巷道變形相對于方案1較小,如圖6(b)所示。
雖然方案1將下煤層2個巷道均布置在煤柱下時巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤鄬^大,但其巷道仍容易維護(hù),同時相比于采空區(qū)下布置巷道更加容易布置錨索支護(hù),大大增加了成巷速度,保障礦井安全高效生產(chǎn)。
在12313回風(fēng)順槽和12314運輸順槽中各布置3組測站。其中,第1組測站布置在距離1-2煤集中輔運大巷3 328 m的位置,在聯(lián)巷64L和65L之間,層間距為9~10 m;第2組測站布置在距離1-2煤集中輔運大巷2 363 m的位置,在聯(lián)巷45L和46L之間;第3組測站布置在距離1-2煤集中輔運大巷2 303 m的位置,在44L和45L之間;第2組測站和第3組測站層間距為15~17 m;每組布置3個斷面,間距5 m。采用十字交叉法進(jìn)行順槽變形觀測,主要觀測巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平?,以掌握順槽在掘進(jìn)過程中及受上煤層采動影響的程度。
12313回風(fēng)順槽和12314運輸順槽布置在1-2上311工作面下方,距離1-2上311面回風(fēng)順槽一側(cè)的區(qū)段煤柱分別為43.0 m和21.0 m。12313回風(fēng)順槽兩幫移近量最大值7.5 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?.5 mm;12314運輸順槽兩幫移近量最大值9 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?.5 mm,如圖7所示。
圖7 12313工作面回風(fēng)順槽變形量Fig.7 Deformation quantity of air return channel in 12313 working face
1-2上311工作面推過1#測站3個月后,上覆巖層應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)過緩慢的平衡過程逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài),但是巷道變形不是由單一的上煤層開采引起的,其自身圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移也會產(chǎn)生一定的變形。12313回順和12314運順經(jīng)過這段時間的觀測,其巷道變形量很小,不會影響巷道的穩(wěn)定性。在層間距為15~17 m的情況下,當(dāng)工作面推進(jìn)至距離測點22~37 m時,12313回風(fēng)順槽開始發(fā)生變形;當(dāng)1-2上311工作面推過測點110 m時,12313回風(fēng)順槽兩幫移近量最大值14 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm;12314運輸順槽兩幫移近量最大值17 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm。
3#測站在工作面推進(jìn)至距離測點22~37 m時,12313回風(fēng)順槽開始發(fā)生變形。當(dāng)1-2上311工作面推過測點110 m時,兩順槽變形趨于穩(wěn)定,12313回風(fēng)順槽兩幫移近量最大值15 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm;12314運輸順槽兩幫移近量最大值17 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm。
綜合3個測站的實測結(jié)果可知,在1-2上311工作面采動和巷道開挖共同影響下,12313回風(fēng)順槽兩幫移近量最大值15 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm;12314運輸順槽兩幫移近量最大值17 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?0 mm,其巷道變形量很小,不會影響巷道的穩(wěn)定性。
1)現(xiàn)場實測結(jié)果表明在上工作面采動和巷道開挖共同影響下,下煤層巷道兩幫移近量最大值15 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm,巷道變形量很小,不會影響巷道的穩(wěn)定性。
2)通過模擬研究得出當(dāng)下煤層巷道均布置在上煤層工作面老采空區(qū)下時,巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平拷K值分別為:27.9 mm,24.9 mm,巷道的變形量較小,上煤層開采不會影響下方巷道正常使用。
3)將下煤層2個巷道均布置在煤柱下時巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤鄬^大,但其巷道仍容易維護(hù),同時相比于采空區(qū)下布置巷道更加容易布置錨索支護(hù),大大增加了成巷速度,保障礦井安全高效生產(chǎn)。