崔德偉

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán) 夏店煤礦,山西 長(zhǎng)治 046200)

隨著煤礦開采的機(jī)械化與智能化水平快速發(fā)展,為滿足采掘平衡,提高礦井生產(chǎn)效率,回采巷道普遍采用煤巷布置方式[1-4],由此導(dǎo)致了巷道圍巖巖性強(qiáng)度較弱,易受強(qiáng)烈的擾動(dòng)變形影響[5-10]。尤其是在特厚煤層綜合放頂煤開采條件下,煤層回采巷道將會(huì)受到強(qiáng)烈的動(dòng)載作用,使圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞,因此,針對(duì)特厚煤層條件下巷道應(yīng)力沖擊顯現(xiàn)特征亟待研究[10-14]。

針對(duì)特厚煤層開采時(shí)的沖擊擾動(dòng)作用,潘一山等[15]建立了深部條件下厚煤層的復(fù)合沖擊致災(zāi)模型,探討了煤層開采過程中的應(yīng)力沖擊影響因素。姜福興等[16]探究了應(yīng)力沖擊的遲滯性特征,提出了高地應(yīng)力蠕變沖擊機(jī)理,并推導(dǎo)了蠕變沖擊判定公式。夏永學(xué)等[17-18]探究了煤層大巷在地質(zhì)構(gòu)造條件下的復(fù)合沖擊機(jī)制,并提出了超長(zhǎng)孔水平分段壓裂防治巷道沖擊地壓技術(shù)。吳擁政等[19]通過建立深部沖擊地壓影響下巷道力學(xué)模型,總結(jié)了卸壓與支護(hù)的協(xié)調(diào)防沖擊原理。焦建康等[20]根據(jù)實(shí)際工程問題,進(jìn)一步提出了深部卸壓+淺部加強(qiáng)支護(hù)+表面聯(lián)合支護(hù)的圍巖支護(hù)體系。

以上研究為特厚煤層回采巷道的支護(hù)技術(shù)研究提供了依據(jù),有效地提升了巷道防沖擊性能,其中采用錨桿與錨索作為主要的支護(hù)材料,對(duì)于圍巖穩(wěn)定性控制起到了重要作用,然而針對(duì)巷道受煤層動(dòng)力沖擊時(shí)的圍巖響應(yīng)特征還需完善,因此,以夏店煤礦為例,采用理論分析與數(shù)值模擬方法探究了厚煤層條件下巷道應(yīng)力沖擊顯現(xiàn)特征,并提出了厚煤層巷道讓壓支護(hù)技術(shù),為巷道圍巖支護(hù)體系的研究提供指導(dǎo)。

1 工程概況

夏店煤礦3118工作面位于3號(hào)煤層31采區(qū),工作面傾斜長(zhǎng)度平距235 m,可采走向長(zhǎng)度261 m,工作面煤層厚度平均6.8 m,屬于厚煤層,采用綜放開采方式。兩巷沿煤層底板掘進(jìn),頂煤厚度為3～6 m,屬于厚煤層回采巷道。夏店煤礦3118運(yùn)輸巷寬度為3.2 m、高度為5 m,支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索+鋼筋托梁支護(hù),頂錨桿采用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,錨桿間距900 mm,排距1 000 mm,幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿,錨桿間距1 000 mm,排距1 000 mm,鋼筋托梁采用Φ16 mm鋼筋制作;錨索型號(hào)為Φ21.8 mm×7 300 mm,錨索布置(2-2-2-2-2),排距為1 000 mm,間距2 000 mm.巷道頂板為煤、泥巖、細(xì)粒砂巖與中粒砂巖,在頂煤來壓過程中,易產(chǎn)生劇烈的頂板下沉與變形,并具有應(yīng)力沖擊特征。其中,頂板冒落會(huì)導(dǎo)致錨索瞬時(shí)拉伸破斷,錨桿連同頂煤松脫滑落,煤壁片幫時(shí)會(huì)伴隨煤塊與碎屑的噴射現(xiàn)象,對(duì)工作面的安全生產(chǎn)造成了極大的安全隱患。

2 厚煤層條件下巷道沖擊破壞機(jī)制

根據(jù)特厚煤層巷道布置條件,對(duì)巷道頂板形成的板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,如圖1所示,假設(shè)巷道頂板為均勻且連續(xù)的彈性介質(zhì),則可得到頂板的撓度方程,如式(1)所示:

圖1 厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學(xué)模型

(1)

式中:D為板殼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度,N/mm2;ω(x,y)為板殼結(jié)構(gòu)的撓度方程;Fx,Fy,Fxy為板殼結(jié)構(gòu)不同方向的受力,N.

考慮到此模型為二維結(jié)構(gòu),因此,可將式(1)轉(zhuǎn)換為式(2)所示的形式:

(2)

將模型邊界設(shè)置為簡(jiǎn)支邊界條件,如式(3)所示:

(3)

則滿足該邊界條件的撓度方程如式(4)所示:

(4)

式中:A為撓度方程中的常量;a為巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度,可近似表示為巷道的寬度,m;m為正數(shù)參數(shù),m≥1.

將式(4)與式(2)進(jìn)行聯(lián)立可得到式(5):

(5)

進(jìn)而可得:

(6)

式中:E為巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)的彈性模量,GPa;μ為巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)的泊松比;h為巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)的厚度,m.

當(dāng)m=1時(shí),得到巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)的最小破壞閾值應(yīng)力σcr,如式(7)所示:

(7)

忽略應(yīng)力波接觸模型邊界時(shí)的透射波與反射波,則可將巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力σs表示為靜應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力組合的形式,如式(8)所示:

σs=σj+σde-ηl

(8)

式中:σj為巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)靜載應(yīng)力,MPa;σd為動(dòng)載應(yīng)力,MPa;η為動(dòng)載能量衰減系數(shù);l為應(yīng)力波傳播距離,m.

當(dāng)最小破壞閾值應(yīng)力σcr小于巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力σs時(shí),可得到式(9):

(9)

根據(jù)式(9)分析可知,巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力沖擊破壞時(shí)的應(yīng)力值與圍巖所受的靜應(yīng)力,沖擊應(yīng)力與梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系,而與梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、梁結(jié)構(gòu)厚度、應(yīng)力波傳播距離呈反比關(guān)系。對(duì)于巷道支護(hù)而言,應(yīng)盡可能地降低巷道上方梁結(jié)構(gòu)的離層量,增加梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與厚度,以此提高圍巖抵抗應(yīng)力沖擊的能力。

3 巷道圍巖應(yīng)力沖擊響應(yīng)特征

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)夏店煤礦3118運(yùn)輸巷的地質(zhì)條件,采用FLAC3D建立如圖2所示的數(shù)值模型,數(shù)值模型的長(zhǎng)度為100 m,寬度為105 m,厚度為10 m.模型采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,根據(jù)實(shí)際地應(yīng)力,在模型的水平方向施加15.6 MPa的水平應(yīng)力和6 MPa的地應(yīng)力,同時(shí)固定模型的底部邊界。模型首先采用靜力加載方式使模型達(dá)到初始地應(yīng)力平衡狀態(tài),隨后采用動(dòng)力加載方式,在沖擊震源位置設(shè)置頻率為50 Hz的余弦式應(yīng)力波,應(yīng)力沖擊荷載為60 MPa(1×107J),以此模擬厚煤層開采條件下產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊對(duì)巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)特征。數(shù)值模擬巖性參數(shù)如表1所示。

圖2 巷道圍巖應(yīng)力沖擊數(shù)值模型

3.2 應(yīng)力沖擊時(shí)空演化特征

為探究在沖擊震源影響下,巷道圍巖的動(dòng)力響應(yīng)特征,對(duì)不同應(yīng)力沖擊傳播時(shí)間下的應(yīng)力波波速進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到如圖3所示的應(yīng)力沖擊時(shí)空演化特征。根據(jù)圖3可知,沖擊震源位置的震動(dòng)能量會(huì)以震源位置為中心,以球面形式向巖層內(nèi)部快速傳播,在應(yīng)力波傳遞的過程中引發(fā)巖層內(nèi)部微觀質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)又進(jìn)一步消耗應(yīng)力波的能量,使傳遞波速逐漸降低。當(dāng)傳播時(shí)間為0 s時(shí),震源附近具有最高的傳播速度,約為0.56 m/s,并且不受方向的限制;當(dāng)傳播時(shí)間為0.02 s時(shí),應(yīng)力波已經(jīng)傳遞到巷道區(qū)域位置,應(yīng)力波速度已經(jīng)下降至0.13 m/s;在0.03 s時(shí),由于圍巖吸收了能量,應(yīng)力波的傳遞速度進(jìn)一步下降,僅傳遞至巷道兩幫區(qū)域,波速約為0.082 m/s;當(dāng)應(yīng)力波傳遞時(shí)間為0.06 s時(shí),影響區(qū)域囊括了巷道底板位置,此時(shí)巷道底板巖層僅產(chǎn)生質(zhì)點(diǎn)的低速震動(dòng)消耗殘余應(yīng)力波能量。

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)

圖3 應(yīng)力沖擊時(shí)空演化特征

應(yīng)力波的時(shí)空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度存在頂板>幫部>底板的物理特征。因此,在沖擊應(yīng)力作用下,巷道圍巖在頂板與幫部承受強(qiáng)烈的應(yīng)力擾動(dòng)作用。頂板與幫部的應(yīng)力向巷道內(nèi)部空間傳播,由于巷道內(nèi)部空間無固體介質(zhì),應(yīng)力將會(huì)大幅度作用于巷道的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的失效。同時(shí)由于應(yīng)力的“水波”傳遞特征,巷道圍巖會(huì)由淺入深發(fā)生分層次破壞,導(dǎo)致圍巖的多級(jí)破裂,同時(shí)在頂板表現(xiàn)為拉伸破壞形式,在幫部產(chǎn)生剪切破壞形式。在巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)基于圍巖的動(dòng)力學(xué)受力特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 厚煤層巷道多級(jí)讓壓支護(hù)與工程應(yīng)用

4.1 多級(jí)讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可明確得出沖擊應(yīng)力作用下的圍巖力學(xué)響應(yīng)特征,因此,可針對(duì)性地采取支護(hù)措施。在傳統(tǒng)的厚煤層巷道支護(hù)中,常常由于錨桿的預(yù)緊力低,錨固深度淺,錨固界面統(tǒng)一失穩(wěn),循環(huán)沖擊作用下錨索疲勞損傷等原因,導(dǎo)致巷道圍巖淺層表面完整性差,深層圍巖離層量大等問題。根據(jù)巖層中應(yīng)力的“水波”傳遞特征,提出了多級(jí)讓壓支護(hù)技術(shù)。即在巷道頂板中采取短錨索+中錨索+長(zhǎng)錨索的多級(jí)支護(hù)體系,由淺入深地增加巷道圍巖的支護(hù)性能,錨索的可拉伸性有助于將沖擊荷載轉(zhuǎn)換為錨索的軸力,通過讓壓管對(duì)軸力進(jìn)行緩沖卸壓,降低錨索的徑縮,也降低了錨索的損傷程度,通過梯次讓壓的形式增加錨索支護(hù)系統(tǒng)抵抗循環(huán)應(yīng)力沖擊波的能力,支護(hù)設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 厚煤層巷道多級(jí)讓壓支護(hù)設(shè)計(jì)(單位:mm)

針對(duì)夏店煤礦3118運(yùn)輸巷的地質(zhì)條件,采用上述的多級(jí)讓壓支護(hù)技術(shù)。設(shè)計(jì)參數(shù)為:巷道幫部與頂板的短錨索尺寸為Φ21.8 mm×3 500 mm,巷道頂板的中錨索尺寸為Φ21.8 mm×6 300 mm,巷道頂板采用的長(zhǎng)錨索為Φ21.8 mm×8 300 mm,中錨索與長(zhǎng)錨索裝配讓壓管。

短錨索在頂板支護(hù)與幫部支護(hù)中的間排距分別為900 mm×900 mm、850 mm×900 mm.中錨索在頂板支護(hù)中的間排距為1 350 mm×1 800 mm.長(zhǎng)錨索在頂板支護(hù)中的間排距為1 500 mm×1 800 mm.錨索的預(yù)緊力為200～300 kN.

4.2 工程應(yīng)用

為檢驗(yàn)支護(hù)方案設(shè)計(jì)的可靠性,對(duì)圍巖的變形量以及錨桿錨索的軸力情況進(jìn)行分析,根據(jù)圖5(a)所示,優(yōu)化之后的巷道頂板圍巖變形量降低了52.89%,巷道頂板圍巖變形量降低了68.78%,巷道頂板圍巖變形量降低了60.19%,平均圍巖變形量降低了約40%.根據(jù)圖5(b)所示,采用多級(jí)讓壓支護(hù)方案的錨索軸力最大值不超過25 kN,同時(shí)不同支護(hù)位置與支護(hù)深度的錨索具有近似的軸力分布區(qū)間,表明支護(hù)體系處于均勻受力狀態(tài),相比于原有支護(hù)體系具有更可靠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖5 厚煤層巷道多級(jí)讓壓支護(hù)條件下的礦壓特征

5 結(jié) 語

1) 采用板殼力學(xué)理論建立了厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學(xué)模型,通過分析表明,巷道上方煤層梁結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力沖擊破壞時(shí)的應(yīng)力值與圍巖所受的靜應(yīng)力,沖擊應(yīng)力與梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系,而與梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、梁結(jié)構(gòu)厚度、應(yīng)力波傳播距離呈反比關(guān)系。

2) 運(yùn)用數(shù)值模擬方法探究夏店煤礦3118泄水巷在應(yīng)力沖擊下的圍巖動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征。分析表明,應(yīng)力波的時(shí)空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度存在頂板>幫部>底板的物理特征。巷道圍巖會(huì)由淺入深發(fā)生分層次破壞,導(dǎo)致圍巖的多級(jí)破裂,同時(shí)在頂板表現(xiàn)為拉伸破壞,在幫部產(chǎn)生剪切破壞。

3) 根據(jù)理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果,提出了多級(jí)讓壓支護(hù)體系,通過梯次讓壓的形式增加錨索支護(hù)系統(tǒng)抵抗循環(huán)應(yīng)力沖擊波的能力。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,平均圍巖變形量降低了約40%,支護(hù)體系處于均勻受力狀態(tài),相比于原有支護(hù)體系具有更可靠的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。