趙得福 ,羅勇 ,孔祥俊,任波,蔣祥卿,冶平,李啟發(fā),任帥

(1.青海省能源發(fā)展(集團(tuán))有限責(zé)任公司,青海 西寧 810000;2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南市 232000;3.深部煤炭開采耦合災(zāi)害防控國(guó)家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南市 232000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量十分豐富,特別是近年來(lái)新疆內(nèi)蒙板塊整裝煤田的發(fā)現(xiàn),使得厚煤層儲(chǔ)量進(jìn)一步增加。大部分厚煤層有著大傾角、高海拔的特點(diǎn),因此如何合理開發(fā)厚煤層對(duì)我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響[1-4]。特厚煤層開采時(shí)巷道斷面的選擇及布置方式對(duì)應(yīng)力有重要影響,因此如何確定高海拔下大傾角特厚煤層巷道斷面的形狀是采礦行業(yè)亟須解決的問題[5-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)特厚煤層開采條件下煤柱寬度、頂板巷道支護(hù)技術(shù)和錨桿參數(shù)優(yōu)化開展了大量研究[10-11]。王金華等[12]結(jié)合塔山煤礦巨厚煤層頂板巷道5105回風(fēng)巷,利用數(shù)值模擬方法分析了巷道取不同參數(shù)值時(shí),頂煤厚度、巷道高寬比、地應(yīng)力大小等圍巖變形特征。于永江等[13]結(jié)合數(shù)值模擬和鉆孔窺視方法,提出采用高強(qiáng)度、大剛度長(zhǎng)錨桿和長(zhǎng)錨索控制巨厚復(fù)合頂煤大巷的新思路。蔣志剛等[14]對(duì)厚頂煤大斷面開切眼支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。張農(nóng)等[15]在應(yīng)力強(qiáng)度因子、工程環(huán)境因素、頂板賦存結(jié)構(gòu)等評(píng)價(jià)指標(biāo)中運(yùn)用層次分析法科學(xué)比較確定權(quán)重,以實(shí)現(xiàn)不同地質(zhì)條件下的巷道高效支護(hù)。肖同強(qiáng)等[16]采用相似模擬試驗(yàn),對(duì)錨索梁支護(hù)技術(shù)在厚頂煤巷道條件下的適用性進(jìn)行了深入分析研究,并提出了依靠斜拉錨索提高兩幫承載能力的局部補(bǔ)強(qiáng)措施。

本文以魚卡一井1179工作面回風(fēng)巷道為工程研究背景,通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方式確定合適的斷面類型,從源頭提供合理支護(hù)策略,可為同等地質(zhì)條件下的巷道支護(hù)提供技術(shù)參考。

1 工程背景

1179工作面回風(fēng)巷道位于魚卡一井一水平一采區(qū),巷道地面標(biāo)高＋3180～＋3211 m。地面范圍內(nèi)總體地形較平坦,地勢(shì)南東高,北西低,南部及西部有低山丘陵。該巷道位于1#主副井筒保護(hù)煤柱以東,東以F4斷層為邊界,北為未開采區(qū),南部為正在回采的1177工作面。巷道標(biāo)高＋2810 m,掘進(jìn)總長(zhǎng)度為2187 m,錨桿支護(hù)試驗(yàn)長(zhǎng)度不小于200 m。試驗(yàn)區(qū)段位于1177工作面采前及采后各約100 m區(qū)域,1179工作面回風(fēng)巷道寬5 m、高4 m,巷道設(shè)計(jì)沿著M7煤層底板掘進(jìn),距1177工作面運(yùn)輸巷道平距20 m(1177工作面運(yùn)輸巷道沿M7煤層頂板掘進(jìn)),1179工作面回風(fēng)巷道與1177工作面運(yùn)輸巷道層位關(guān)系如圖1所示,1179工作面回風(fēng)巷道煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示。

圖1 巷道層位關(guān)系

圖2 1179工作面回風(fēng)巷道煤層頂?shù)装逯鶢顖D

2 巷道支護(hù)危險(xiǎn)源分析及技術(shù)對(duì)策

2.1 巷道支護(hù)危險(xiǎn)源分析

根據(jù)1179工作面回風(fēng)巷道地質(zhì)條件分析,1179工作面回風(fēng)巷道錨桿(索)支護(hù)危險(xiǎn)源主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

(1)巷道逮頂煤沿M7煤層底板施工,頂煤存在高位漏冒風(fēng)險(xiǎn)。M7 煤層傾角為18°～34°,厚度為14～24 m,并含有4～5層夾矸。若巷道沿M7煤層底板掘進(jìn),巷道頂煤厚度平均超過10 m,而大傾角及煤層夾矸的存在不僅破壞了煤層的整體性,而且也極易在頂煤所形成的組合拱(梁)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生離層現(xiàn)象。因此,控制巷道頂煤夾矸離層(特別是高位離層)及防止頂煤整體垮落是1179工作面回風(fēng)巷道錨桿(索)支護(hù)的重點(diǎn)。

(2)巷道迎采面掘進(jìn),采動(dòng)支承壓力和側(cè)向支承壓力相互疊加。1179工作面回風(fēng)巷道與1177工作面回采相向進(jìn)行,當(dāng)巷道進(jìn)入1177工作面超前支承壓力影響范圍時(shí),巷道圍巖壓力逐漸增加;當(dāng)工作面采過巷道迎頭后,巷道將會(huì)受到工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊?并且不利于頂煤控制。

(3)錨索生根于煤層,存在可錨性差、錨固力低的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)M7煤層力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果,M7煤層抗壓強(qiáng)度為6.78 MPa、抗拉強(qiáng)度為0.43 MPa,說明煤層的可錨性差、錨索存在錨固力低的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)巷道與主應(yīng)力方向不一致。從方位角來(lái)看,1179工作面回風(fēng)巷道方位近似EW,根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試資料分析,整個(gè)礦區(qū)最大主應(yīng)力方位角在37°～39°之間,在實(shí)測(cè)方位角(35.4°～50.4°)范圍內(nèi),說明最大水平應(yīng)力方向與巷道走向有一定夾角,不利于頂板控制。

(5)巷道斷面大,頂幫穩(wěn)定性差。1179工作面回風(fēng)巷道寬5 m、高4 m,頂幫均存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),煤幫尤其是煤柱幫高度達(dá)4 m,幫部穩(wěn)定性控制難度較大。

2.2 巷道支護(hù)技術(shù)對(duì)策

魚卡一井M7 煤采用放頂煤開采,回風(fēng)巷道逮頂煤、沿M7煤底板掘進(jìn),而M7 煤不僅厚,而且煤層內(nèi)含有多層夾矸,為了提高巷道支護(hù)效果,防止頂板錨索因錨固低而產(chǎn)生高位離層現(xiàn)象,應(yīng)采取以下技術(shù)對(duì)策。

(1)優(yōu)化巷道斷面形狀,避免應(yīng)力集中。一般情況下工作面回采巷道常采用矩形或梯形斷面,而矩形、梯形斷面肩角處受力比較集中,其抗變形能力也大大降低。與圓弧拱形斷面相比,矩形巷道假想自由冒落拱巖體自重不僅增加了支護(hù)載荷,而且也制約了頂板錨桿、錨索向深部穩(wěn)定煤體錨固。此外,矩形斷面力的傳遞性能較圓弧拱形斷面差,而拱形斷面能很好地將頂部受力向兩幫分解,從而降低巷道的破壞作用,因此通過優(yōu)化巷道斷面形狀,有利于提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

(2)優(yōu)化巷道肩角及底角錨桿布置,重點(diǎn)易破壞區(qū)域采用錨索加固。理論分析及實(shí)驗(yàn)室相似模擬結(jié)果表明,逮頂煤巷道易在頂板、兩幫中部受拉應(yīng)力破壞,肩角、底角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中而受到壓剪應(yīng)力破壞。因此,應(yīng)通過優(yōu)化肩角、底角錨桿布置,并對(duì)重點(diǎn)易破壞區(qū)域采用錨索加固(如煤柱幫肩窩位置),保持易破壞區(qū)域圍巖穩(wěn)定,從而保證沿底掘進(jìn)厚頂煤巷道圍巖整體穩(wěn)定。

(3)頂、幫錨桿整體組合支護(hù)。由于M7煤厚、夾矸多,且煤層傾角大,巷道沿底板掘進(jìn)時(shí),破壞了頂煤的層狀結(jié)構(gòu),導(dǎo)致頂煤存在離層漏冒風(fēng)險(xiǎn)。為此,在優(yōu)化巷道斷面形狀基礎(chǔ)上,同時(shí)將頂、幫錨桿通過拱頂鋼筋梯子梁和幫部鋼筋梯子梁搭接布置,形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu),可提高頂板兩側(cè)肩窩處圍巖的穩(wěn)定性。

3 大傾角厚煤頂回采巷道斷面形狀確定

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)1179工作面回風(fēng)巷道地質(zhì)資料,并考慮計(jì)算需要,確定了矩形、直墻微拱形和直墻圓拱形巷道斷面3種數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析。模型均采用平面應(yīng)變模型假設(shè),設(shè)計(jì)尺寸為50 m×50 m,頂部施加壓力補(bǔ)償,兩側(cè)圍巖施加水平應(yīng)力,側(cè)壓力系數(shù)取1.1。采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型,應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式,模型底部限制垂直移動(dòng),模型前后和側(cè)面限制水平移動(dòng),3種數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型建立

方案1:矩形斷面,巷道寬度為5 m,高度為3.5 m。

方案2:微拱形斷面,巷道寬度為5 m,高度為3.5 m,左右兩肩窩半徑為1 m。

方案3:直墻圓拱形斷面,巷道寬度為5 m,高度為4 m,圓拱半徑為2.5 m,直墻為1.5 m。

為避免不同斷面形狀對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的影響,真實(shí)反映各種斷面形狀對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布及穩(wěn)定狀況影響規(guī)律,巷道均采取加固措施,通過對(duì)比各方案巷道圍巖變形規(guī)律、塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律、應(yīng)力分布規(guī)律等差異,確定最優(yōu)巷道斷面。

相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

表1 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算采用節(jié)理參數(shù)

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 巷道圍巖位移場(chǎng)分布規(guī)律

為對(duì)比分析不同巷道斷面方案巷道圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律,在巷道兩幫及頂?shù)装寰贾昧吮O(jiān)測(cè)線,監(jiān)測(cè)線深度距巷道表面10 m,如圖4所示。

圖4 巷道周邊監(jiān)測(cè)線布置

不同方案巷道圍巖表面位移見表3。

表3 不同方案巷道圍巖表面位移(監(jiān)測(cè)線值)

方案1:矩形巷道左幫變形量為116.5 mm,主要發(fā)生在3 m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?7 mm,主要發(fā)生在2.5 m 以淺;頂板下沉274.6 mm,底鼓量為238.3 mm,主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

(3)矩形和微拱形巷道正頂1 m 深度范圍內(nèi)巖層發(fā)生顯著位移,而直墻圓拱形巷道頂板巖層變形更為均勻,未發(fā)生顯著位移,表明曲線型巷道對(duì)圍巖穩(wěn)定更為有利。

3.2.2 巷道圍巖位移場(chǎng)分布規(guī)律

圖5為巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線。由圖5可知,矩形巷道與微拱形巷道應(yīng)力值與分布規(guī)律總體上基本一致,在巷道右?guī)蛻?yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷道表面3 m 的深度,垂直應(yīng)力值分別為18.26 MPa和17.88 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到了1.96 和1.92,應(yīng)力集中程度明顯。在巷道左幫矩形巷道與微拱形巷道,垂直應(yīng)力峰值分別出現(xiàn)在距巷幫3.5 m 和2.5 m 的深度,應(yīng)力值分別為17.51 MPa和17.64 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.88和1.89,說明微拱形巷道幫部穩(wěn)定性優(yōu)于矩形巷道。

圖5 不同斷面巷道兩幫應(yīng)力分布曲線

直墻圓拱形巷道較前兩者應(yīng)力分布規(guī)律有較大差異。巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷幫3 m的深度,應(yīng)力值為15.79 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.69;巷道左幫垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距巷幫3.5 m的位置,應(yīng)力值為16.05 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.72,應(yīng)力集中程度較前兩種巷道斷面顯著降低,降低幅度約為14%,說明曲線型巷道斷面有利于巷道圍巖應(yīng)力優(yōu)化。

方案2:微拱形巷道左幫變形量為102.4 mm,主要發(fā)生在3m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?3 mm,主要發(fā)生在2.5 m 以淺;頂板下沉242.3 mm,底鼓量為255 mm,且主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

方案3:直墻圓拱形巷道。監(jiān)測(cè)線處巷道左幫變形量為106.1 mm,且主要發(fā)生在3 m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?9.3 mm,主要發(fā)生在1.5 m 以淺;頂板下沉78 mm,底鼓量為163.2 mm,且主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

總體來(lái)看,矩形巷道、微拱形巷道及直墻圓拱形巷道圍巖變形有如下規(guī)律:

(1)對(duì)比分析3種方案,巷道圍巖位移量由大到小依次為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道;

(2)巷道圍巖穩(wěn)定性分析表明,微拱形巷道優(yōu)于矩形巷道,直墻圓拱形巷道遠(yuǎn)優(yōu)于前兩者;

圖6(a)至圖6(c)分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道周邊最大主應(yīng)力分布云圖。由圖6可以看出,在巷道周邊均發(fā)生了一定范圍的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū),表現(xiàn)為應(yīng)力值的降低,整體上均呈“蝶形”分布,3種方案均在巷道幫部3～3.5 m 深度出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)。

圖6 不同巷道斷面周邊最大主應(yīng)力分布云圖

對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析3種斷面應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)范圍,見表4。巷道周邊擾動(dòng)區(qū)范圍均以巷道為中心,形狀近似橢圓形或圓形。除底板擾動(dòng)范圍相近外,頂板及左右兩幫擾動(dòng)區(qū)范圍由大到小分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道。尤其在頂板,矩形巷道顯著大于后兩者。

表4 最大主應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)區(qū)范圍

3.2.3 巷道塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

圖7(a)至圖7(c)分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道周邊塑性區(qū)分布圖。由圖7可以看出,3種巷道斷面底板三角煤區(qū)域均發(fā)生塑性屈服,在頂板及兩幫均出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力屈服單元,其中矩形巷道及微直墻圓拱形巷道在頂板出現(xiàn)了大范圍的拉伸破壞單元,而微拱形巷道僅在左幫肩窩出現(xiàn)少量的塑性屈服單元。

圖7 不同巷道斷面周邊斷面周邊塑性區(qū)分布

從不同巷道斷面塑性區(qū)范圍發(fā)育情況來(lái)看,矩形巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍最大,微拱形巷道次之,直墻圓拱形巷道最小,不同巷道斷面塑性區(qū)范圍見表5。

表5 不同巷道斷面塑性區(qū)范圍

4 結(jié)論

(1)理論分析了巷道支護(hù)危險(xiǎn)源,并提出了巷道支護(hù)技術(shù)對(duì)策,如優(yōu)化巷道斷面形狀、巷道肩角及底角錨桿布置、頂幫錨桿整體組合支護(hù)等策略。

(2)對(duì)比分析3種方案,巷道圍巖位移量由大到小依次為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道;巷道圍巖穩(wěn)定性分析表明,微拱形巷道較優(yōu)于矩形巷道,直墻圓拱形巷道遠(yuǎn)優(yōu)于前兩者。

(3)巷道周邊擾動(dòng)區(qū)范圍均以巷道為中心,形狀近似橢圓形或圓形。除底板擾動(dòng)范圍相近外,頂板及左右兩幫擾動(dòng)區(qū)范圍由大到小分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道。尤其在頂板,矩形巷道顯著大于后兩者。

(4)從不同巷道斷面塑性區(qū)范圍發(fā)育情況來(lái)看,矩形巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍最大,微拱形巷道次之,直墻圓拱形巷道最小。研究表明,在高海拔大傾角特厚煤層開采條件下,直墻圓拱形巷道圍巖控制效果最好。