許鑫濤

(晉能控股集團(tuán)晉圣公司億欣煤業(yè),山西 晉城 048200)

我國(guó)地下煤礦開(kāi)采過(guò)程中,厚硬頂板控制問(wèn)題一直是礦山關(guān)注的重點(diǎn),在工作面回采過(guò)后,如果厚硬頂板無(wú)法適時(shí)垮落易導(dǎo)致懸頂出現(xiàn)[1-3],一旦懸頂突然大規(guī)?？迓?將造成工作面在強(qiáng)礦壓作用下發(fā)生冒頂事故。為有效解決這類(lèi)問(wèn)題,切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明,切頂卸壓參數(shù)對(duì)于留巷的穩(wěn)定性及切頂卸壓效果具有重要影響[6-8]。為此,以某礦厚硬頂板綜采工作面為工程背景,從理論分析與數(shù)值模擬兩方面著手研究了厚硬頂板條件下切頂參數(shù)的優(yōu)化方法,并提出了厚硬頂板沿空巷道圍巖控制方法,為此類(lèi)條件下沿空巷道切頂卸壓技術(shù)的應(yīng)用及巷道圍巖控制提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

1 工作面概況

某礦XV2314綜采工作面主采15號(hào)煤層,煤層平均厚度為2.55 m,平均傾角為5°,工作面長(zhǎng)度為1 980 m,工作面基本頂為石灰?guī)r,f=15～17,平均厚度為8.2 m,屬于典型的厚硬頂板條件,工作面綜合柱狀圖見(jiàn)圖1.XV2314工作面北部為XV23141巷,西部為東軌道大巷,南部為XV2315工作面。XV2314工作面布置情況見(jiàn)圖2.

圖1 工作面綜合柱狀圖

圖2 XV2314工作面布置圖

工作面采用切頂卸壓自成巷無(wú)煤柱開(kāi)采工藝,即對(duì)XV23142巷(回風(fēng)巷)采取切頂卸壓沿空留巷方式,將其作為XV2315工作面的運(yùn)輸巷,巷道斷面尺寸為寬×高=5 m×3.5 m,切頂高度7 m,切頂角度10°.由于XV2314綜采工作面頂板厚硬,切頂參數(shù)的不合理,導(dǎo)致沿空留巷頂板壓力大,以及留巷采空區(qū)側(cè)大面積懸頂,加劇了巷道圍巖變形的發(fā)展,不利于工作面安全回采。為此,研究厚硬頂板條件下沿空巷道合理切頂卸壓參數(shù)及圍巖控制方法,對(duì)實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采至關(guān)重要。

2 厚硬頂板留巷切頂力學(xué)特性分析

合理切頂卸壓參數(shù)的確定主要取決于厚硬頂板在采動(dòng)壓力作用下能否順利垮落,對(duì)于厚硬頂板,可以將采空區(qū)頂板看作是懸臂梁結(jié)構(gòu),懸頂部分承受的載荷將均勻作用在懸臂梁上。為研究切頂卸壓參數(shù)與厚硬頂板間的力學(xué)關(guān)系,建立厚硬頂板留巷切頂力學(xué)分析模型如圖3所示。

圖3 厚硬頂板留巷切頂力學(xué)分析模型

工作面回采過(guò)后,采空區(qū)上方頂板在采動(dòng)壓力影響下將發(fā)生垮冒,為滿(mǎn)足厚硬頂板沿切頂面實(shí)現(xiàn)完全垮落,切頂面上部的未實(shí)施切頂?shù)暮裼岔敯逅艿睦瓚?yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系[9]:

σu>σt

(1)

式中:σu為未切頂部分基本頂拉應(yīng)力,MPa;σt為基本頂抗拉強(qiáng)度,MPa.

其中:

(2)

式中:Mu為未切頂部分彎矩,N·m;Wu為未切頂部分抗彎系數(shù)。

未切頂部分的彎矩及抗彎系數(shù)計(jì)算式如下:

(3)

(4)

式中:q為厚硬頂板承受載荷,N/m;x4為未切頂面邊緣到懸臂梁端部的間距,m;ρ為厚硬頂板的密度,kg/m3;d2為基本頂厚度,m;h1為未切頂面高度,m.

x4與h1可由下式確定:

(5)

式中:x1為塑性區(qū)寬度,m;x2為巷道寬度,m;x3為切頂面水平投影寬度,m;x5為塑性區(qū)邊緣到懸臂梁端部間距,m;d1為直接頂厚度,m;h為切頂高度,m;α為切頂角度,°.

其中x5的確定方法如下:

(6)

式中:l為基本頂周期來(lái)壓步距,m;L為工作面長(zhǎng)度,m.

將公式(3)～(6)帶入公式(2)可得:

(7)

根據(jù)該礦實(shí)際工作面賦存條件,x1=4.5 m,x2=5 m,x3=htanα,l=14.5 m,L=1 980 m,q=0.2 MPa,ρ=2 560 kg/m3,d2=8.2 m.將相關(guān)參數(shù)帶入上式可得:

(8)

由公式(8)可以看出,對(duì)于未切頂部分厚硬頂板所受拉應(yīng)力大小與切頂高度及切頂角度密切相關(guān)。將礦山原用切頂高度7 m、切頂角度10°帶入公式(8)計(jì)算得:σu=1.73 MPa.而厚硬基本頂抗拉強(qiáng)度為2.6 MPa,計(jì)算值小于厚硬基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度,導(dǎo)致懸頂問(wèn)題出現(xiàn)。為此,只有兩個(gè)切頂參數(shù)合理優(yōu)化匹配,才能夠確保頂板所受拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度,使頂板順利垮落。

3 切頂參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

通過(guò)前述理論分析,切頂高度與切頂角度對(duì)于厚硬頂板的垮落條件具有顯著影響,為得到合理切頂參數(shù)值,研究采用Flac3D數(shù)值軟件對(duì)厚硬頂板切頂參數(shù)的合理值進(jìn)行分析。所構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=240 m×240 m×110 m,模型底部及四周進(jìn)行位移約束,上部施加載荷等效上覆巖層自重,巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

1) 切頂高度模擬結(jié)果。研究選取切頂高度分別為8 m、9 m與10 m進(jìn)行數(shù)值模擬分析,模擬結(jié)果見(jiàn)圖4～圖6.當(dāng)切頂高度為8 m時(shí),沿空巷道煤幫內(nèi)存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域,該區(qū)域垂直應(yīng)力峰值為41.2 MPa,在巷道頂板上方存在顯著的卸壓區(qū),該區(qū)域垂直應(yīng)力峰值為19.6 MPa,見(jiàn)圖4(a),說(shuō)明切頂可降低頂板上方一定范圍的應(yīng)力集中程度。此時(shí),巷道頂板垂直位移為286 mm,頂板下沉量較大,見(jiàn)圖4(b)。

圖4 8 m切頂高度模擬結(jié)果

當(dāng)切頂高度為9 m時(shí),煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值為40.4 MPa,卸壓區(qū)垂直應(yīng)力峰值為18.8 MPa,見(jiàn)圖5(a)。此時(shí),巷道頂板垂直位移為236 mm,頂板下沉得到有效控制,見(jiàn)圖5(b)。

圖5 9 m切頂高度模擬結(jié)果

當(dāng)切頂高度為10 m時(shí),煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值為40.2 MPa,卸壓區(qū)垂直應(yīng)力峰值為18.4 MPa,見(jiàn)圖6(a)。此時(shí),巷道頂板垂直位移為232 mm,頂板下沉得到有效控制,見(jiàn)圖6(b)。

圖6 10 m切頂高度模擬結(jié)果

不同切頂高度下巷道煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移變化情況見(jiàn)圖7.可以看出,隨著切頂高度的增加,巷道煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。當(dāng)切頂高度由8 m增加至9 m時(shí),巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移整體降低幅度較大;當(dāng)切頂高度由9 m增加至10 m時(shí),巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移整體降低幅度很小,說(shuō)明當(dāng)切頂高度為9 m時(shí),巷道所受應(yīng)力及垂直位移基本趨于穩(wěn)定,此時(shí)頂板垂直位移為236 mm,在可控范圍內(nèi),繼續(xù)增大切頂高度將增加切頂施工成本,綜合考慮,確定合理切頂高度為9 m.

圖7 不同切頂高度模擬結(jié)果

2) 切頂角度模擬結(jié)果。通過(guò)前述分析,確定合理切頂高度為9 m,在此高度下研究選取切頂角度分別為10°、15°及20°進(jìn)行數(shù)值模擬分析,模擬結(jié)果見(jiàn)圖8～圖10.當(dāng)切頂角度為10°時(shí),巷道煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為41.3 MPa;頂板卸壓區(qū)垂直應(yīng)力峰值為19.6 MPa,見(jiàn)圖8(a)。此時(shí)巷道頂板最大垂直位移為275 mm,見(jiàn)圖8(b)。

圖8 10°切頂角度模擬結(jié)果

當(dāng)切頂角度為15°時(shí),巷道煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為38.5 MPa;頂板卸壓區(qū)垂直應(yīng)力峰值為17.5 MPa,見(jiàn)圖9(a)。此時(shí)巷道頂板最大垂直位移為215 mm,見(jiàn)圖9(b)。

圖9 15°切頂角度模擬結(jié)果

當(dāng)切頂角度為20°時(shí),巷道煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為39.3 MPa;頂板卸壓區(qū)垂直應(yīng)力峰值為18.2 MPa,見(jiàn)圖10(a)。此時(shí)巷道頂板最大垂直位移為265 mm,見(jiàn)圖10(b)。

圖10 20°切頂角度模擬結(jié)果

不同切頂角度下巷道煤幫內(nèi)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移變化情況見(jiàn)圖11.可以看出,隨著切頂角度的增加,頂板上覆應(yīng)力集中區(qū)及卸壓區(qū)內(nèi)最大垂直應(yīng)力表現(xiàn)為先減小后增加特征。當(dāng)切頂角度由10°增加至15°時(shí),巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移降到最小;當(dāng)切頂角度由15°增加至20°時(shí),巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力及頂板垂直位移整體增加。結(jié)果表明,持續(xù)的增加切頂角度并不能有效保證巷道的穩(wěn)定,當(dāng)切頂角度為15°時(shí),一方面有利于采空區(qū)矸石的垮落,減小應(yīng)力集中程度,另一方有利于控制巷道圍巖穩(wěn)定,頂板最大下沉量降低至215 mm,由此確定合理切頂角度為15°.

圖11 不同切頂角度模擬結(jié)果

將切頂高度9 m及切頂角度15°帶入公式(8)計(jì)算得,未切頂部分厚硬頂板所受拉應(yīng)力為5.79 MPa,而基本頂K3石灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度為2.6 MPa,表明該切頂參數(shù)下厚硬頂板能夠完全垮落,也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬得到的切頂參數(shù)匹配是合理的。

4 沿空巷道圍巖控制方法

對(duì)XV23142巷在實(shí)施切頂卸壓的同時(shí),還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)巷道圍巖的控制,以防止厚硬頂板帶來(lái)的強(qiáng)礦壓作用導(dǎo)致巷道變形發(fā)展。為此,研究提出對(duì)沿空巷道實(shí)施加強(qiáng)支護(hù)的圍巖控制方法。

1) 頂板支護(hù)。頂板提出“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+梯形鋼筋托梁”組合支護(hù)方法,頂錨桿無(wú)縱肋螺紋鋼樹(shù)脂錨桿,間排距為900 mm×1 000 mm,錨固力不低于126 kN,預(yù)緊力矩不低于300 N·m,每排6根,頂幫角位置錨桿與頂板成75°夾角;頂錨索為鋼絞線(xiàn)錨索,間排距為1 200 mm×3 000 mm,由原來(lái)的每排2根改為每排4根,預(yù)緊力不低于180 kN,張拉結(jié)束后利用雙股10號(hào)鐵絲纏繞到錨索鎖具下部并連接頂網(wǎng)起防墜作用;同時(shí),在巷道頂部加掛T4600×70/14 80×70的梯形鋼筋托梁,以及型號(hào)為GW 4.0/100-2 600 mm×1 600 m的鋼筋網(wǎng)。

2) 兩幫支護(hù)。煤幫側(cè)錨桿間排距為800 mm×1 000 mm,錨固力不低于126 kN,預(yù)緊力矩不低于300 N·m,加掛梯形鋼筋托梁。為避免采空區(qū)側(cè)矸石涌入沿空巷道,采空側(cè)采用“可縮U型鋼+金屬網(wǎng)+單體支柱”組合支護(hù),其中單體支柱采用π型梁與頂板緊固,間排距為1 000 mm×5 500 mm,由此形成統(tǒng)一的支護(hù)結(jié)構(gòu)體,巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖12.

圖12 巷道支護(hù)斷面圖(單位:mm)

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果

5.1 切頂卸壓效果

研究提出的優(yōu)化后的切頂參數(shù)在XV23142巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的10 m孔每孔6根聚能管,第4根聚能管長(zhǎng)500 mm,封泥長(zhǎng)度為2.5 m,爆破方式為4連孔、間隔1孔,一次起爆8個(gè)爆破孔。采用CXK6礦用本安型鉆孔成像儀對(duì)爆破過(guò)的鉆孔進(jìn)行窺視,孔內(nèi)窺視裂縫如圖13所示,裂縫率達(dá)到80%以上,切頂效果良好。

圖13 頂板表面切縫連孔效果圖

5.2 巷道圍巖控制效果

為分析沿空巷道圍巖的控制效果,對(duì)XV23142巷道頂板及煤幫側(cè)位移變化情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖14.可以看出,隨著滯后工作面距離的增加,頂板下沉量及煤幫側(cè)位移量整體表現(xiàn)為緩慢增加-快速增加-平穩(wěn)波動(dòng)變化特征。其中滯后工作面50 m范圍為緩慢增加階段,滯后工作面50～150 m范圍為快速增加階段,滯后工作面150 m以外為平穩(wěn)波動(dòng)階段。巷道變形平穩(wěn)后,頂板最大下沉量為172 mm,煤幫側(cè)最大位移量為116 mm,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),沿空巷道變形整體可控,保障了工作面安全高效回采。

圖14 沿空巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 構(gòu)建了厚硬頂板巷道切頂力學(xué)分析模型,確定未切頂部分厚硬頂板所受拉應(yīng)力大小與切頂高度及切頂角度密切相關(guān),為保證厚硬頂板順利垮落,兩個(gè)切頂參數(shù)需合理優(yōu)化匹配。

2) 基于數(shù)值模擬分析與理論驗(yàn)證,在9 m切頂高度與15°切頂角條件下,未切頂部分堅(jiān)厚頂板所受拉應(yīng)力大于基本頂抗拉強(qiáng)度,厚硬頂板能夠完全垮落。

3) 對(duì)于該礦厚硬頂板,在優(yōu)化切頂參數(shù)基礎(chǔ)上,配合頂板“錨桿索+鋼筋網(wǎng)+梯形鋼筋托梁”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及兩幫“錨桿+可縮U型鋼+金屬網(wǎng)+單體支柱”聯(lián)合支護(hù),可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的有效控制。

4) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明,優(yōu)化后的切頂參數(shù)裂縫率達(dá)到80%以上,切頂效果良好;同時(shí),巷道頂板及煤幫側(cè)最大位移量分別為172 mm與116 mm,沿空巷道圍巖控制效果顯著,保障了工作面安全高效回采。