郝 佩

(山西焦煤 西山煤電集團斜溝礦,山西 呂梁 033602)

隨著煤礦開采機械化與智能化水平的發(fā)展,礦井產(chǎn)能日益增大,為滿足高強度開采需求,協(xié)調(diào)采掘平衡,回采巷道普遍布置于煤層中,煤層巷道存在頂層厚度大,圍巖強度低,巷道變形嚴重等特征[1]. 尤其是在特厚煤層綜合放頂煤開采條件下,煤層回采巷道將會受到強烈的動載作用,使圍巖產(chǎn)生嚴重的沖擊破壞。多位學(xué)者對特厚煤層條件下巷道應(yīng)力沖擊顯現(xiàn)特征進行了研究。潘一山等[2]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[3]探究了應(yīng)力沖擊的遲滯性特征,提出了高地應(yīng)力蠕變沖擊機理,并推導(dǎo)了蠕變沖擊判定公式。夏永學(xué)等[4-5]探究了煤層大巷在地質(zhì)構(gòu)造條件下的復(fù)合沖擊機制,并提出了超長孔水平分段壓裂防治巷道沖擊地壓技術(shù)。吳擁政等[6]通過建立深部沖擊地壓影響下巷道力學(xué)模型,總結(jié)了卸壓與支護的協(xié)調(diào)防沖擊原理。焦建康等[7]根據(jù)實際工程問題,提出了深部卸壓+淺部加強支護+表面聯(lián)合支護的圍巖支護體系。斜溝礦采用理論分析與數(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,并提出了特厚煤層巷道讓壓支護技術(shù),以提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

1 工程概況

斜溝礦23110工作面位于13#煤層21采區(qū),工作面傾斜長度平均242.45 m,可采走向長度2 811.6 m,工作面煤層厚度平均14.53 m,屬于特厚煤層,煤層傾角平均7.9°,采用綜放開采方式。兩巷沿煤層底板掘進,頂煤厚度為8～10 m,屬于特厚煤層回采巷道,23110泄水巷寬4.8 m、高3.7 m,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式,具體支護形式見圖1. 巷道頂板為煤、碳質(zhì)泥巖與泥巖等巖性較弱的巖體,容易受到強烈的開采擾動影響,尤其是在頂煤放出的來壓過程中,易產(chǎn)生劇烈的頂板下沉與變形,并具有顯著的應(yīng)力沖擊特征,造成大冒頂現(xiàn)象與煤壁崩裂片幫現(xiàn)象。其中,頂板冒落會導(dǎo)致錨索瞬時拉伸破斷,錨桿連同頂煤松脫滑落,煤壁片幫時會伴隨有煤塊與碎屑的噴射現(xiàn)象,對工作面安全生產(chǎn)造成了隱患。

圖1 巷道原有支護系統(tǒng)

2 厚煤層條件下巷道沖擊破壞機制

根據(jù)特厚煤層巷道布置條件,對巷道頂板形成的板殼結(jié)構(gòu)建模,見圖2[8]. 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,見式(1):

(1)

圖2 厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學(xué)模型

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),可將式(1)轉(zhuǎn)換為式(2):

(2)

將模型邊界設(shè)置為簡支邊界條件,見式(3):

(3)

則滿足該邊界條件的撓度方程見式(4):

(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)進行聯(lián)立可得到式(5):

(5)

進而可得:

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

(7)

忽略應(yīng)力波接觸模型邊界時的透射波與反射波,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)力與動應(yīng)力組合的形式,即式(8):

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為動載應(yīng)力,MPa;η為動載能量衰減系數(shù);l為應(yīng)力波傳播距離,m.

當σcr<σs,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)力沖擊破壞的強度與圍巖所受的靜應(yīng)力,沖擊應(yīng)力與梁結(jié)構(gòu)的長度呈正比,而與梁結(jié)構(gòu)強度、梁結(jié)構(gòu)厚度、應(yīng)力波傳播距離呈反比關(guān)系。對于巷道支護而言,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)的強度與厚度,以提高圍巖抵抗應(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)23110泄水巷的地質(zhì)條件,采用FLAC3D建立數(shù)值模型(圖3),模型長100 m,寬105 m,厚10 m. 模型采用摩爾-庫倫強度準則,根據(jù)實際地應(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,同時固定模型的底部邊界。首先采用靜力加載方式使模型達到初始地應(yīng)力平衡狀態(tài),隨后采用動力加載方式,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)力沖擊對巷道圍巖的礦壓顯現(xiàn)特征。根據(jù)斜溝煤礦13#煤層與頂?shù)装邈@孔取芯測試的巖石力學(xué)數(shù)據(jù),確定數(shù)值模擬巖性參數(shù)見表1.

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)

圖3 巷道圍巖應(yīng)力沖擊數(shù)值模型

3.2 應(yīng)力沖擊時空演化特征

為探究在沖擊震源影響下,巷道圍巖的動力響應(yīng)特征,對不同應(yīng)力沖擊傳播時間下的應(yīng)力波波速進行監(jiān)測,得到應(yīng)力沖擊時空演化特征,見圖4. 根據(jù)圖4可知,沖擊震源位置的震動能量會以震源位置為中心,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)點的震動,質(zhì)點的震動又進一步消耗應(yīng)力波的能量,使傳遞波速逐漸降低。在傳播時間為0 s時,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。當傳播時間為0.02 s時,應(yīng)力波已經(jīng)傳遞到巷道區(qū)域位置,此時,應(yīng)力波速度已經(jīng)下降至0.13 m/s,在0.03 s時,由于圍巖吸收了能量,應(yīng)力波的傳遞速度進一步下降,僅傳遞至巷道兩幫區(qū)域,波速約為0.082 m/s. 當應(yīng)力波傳遞時間為0.06 s時,影響區(qū)域囊括了巷道底板位置,此時巷道底板巖層僅產(chǎn)生質(zhì)點的低速震動消耗殘余應(yīng)力波能量。

應(yīng)力波的時空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質(zhì)點震動速度存在頂板>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烈的應(yīng)力擾動作用。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)力將會大幅度作用于巷道的剛性支護結(jié)構(gòu),最終導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)的失效。同時由于應(yīng)力的“水波”傳遞特征,巷道圍巖會由淺入深發(fā)生分層次破壞,導(dǎo)致圍巖的多級破裂,同時在頂板表現(xiàn)為拉伸破壞形式,在幫部產(chǎn)生剪切破壞形式。在巷道的支護設(shè)計中應(yīng)基于圍巖的動力學(xué)受力特征進行設(shè)計。

4 厚煤層巷道多級讓壓支護與工程應(yīng)用

4.1 多級讓壓支護設(shè)計

根據(jù)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,可針對性地采取支護措施。在傳統(tǒng)的特厚煤層巷道支護中,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,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,選用了多級讓壓支護技術(shù),即在巷道頂板中采取短錨索+中錨索+長錨索的多級支護體系,由淺入深地增加巷道圍巖的支護性能,錨索的可拉伸性有助于將沖擊荷載轉(zhuǎn)換為錨索的軸力,通過讓壓管對軸力進行緩沖卸壓,降低錨索的頸縮,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系統(tǒng)抵抗循環(huán)應(yīng)力沖擊波的能力。支護設(shè)計見圖5.

圖5 厚煤層巷道多級讓壓支護設(shè)計

4.2 工程應(yīng)用

為檢驗支護方案設(shè)計的可靠性,對圍巖的變形量以及錨桿錨索的軸力情況進行分析,結(jié)果見圖6,由圖6(a)可知,優(yōu)化后巷道頂板、底板、幫部變形量分別降低了52.89%、68.78%、60.19%. 由圖6(b)可知,采用多級讓壓支護方案的錨索軸力最大值不超過25 kN,同時不同支護位置與支護深度的錨索具有近似的軸力分布區(qū)間,表明支護體系處于均勻受力狀態(tài),相比于原有支護體系具有更可靠的長期穩(wěn)定性。

圖6 厚煤層巷道多級讓壓支護條件下礦壓特征

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)力沖擊破壞的強度與圍巖所受的靜應(yīng)力,沖擊應(yīng)力與梁結(jié)構(gòu)的長度呈正比,而與梁結(jié)構(gòu)強度、梁結(jié)構(gòu)厚度、應(yīng)力波傳播距離呈反比。

2) 運用數(shù)值模擬方法探究斜溝礦23110泄水巷在應(yīng)力沖擊下的圍巖動力學(xué)響應(yīng)特征,分析表明應(yīng)力波的時空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質(zhì)點震動速度存在頂板>幫部>底板的物理特征。巷道圍巖會由淺入深發(fā)生分層次破壞,導(dǎo)致圍巖的多級破裂,同時在頂板表現(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,提出了多級讓壓支護體系,通過梯次讓壓的形式增加錨索支護系統(tǒng)抵抗循環(huán)應(yīng)力沖擊波的能力。監(jiān)測結(jié)果表明圍巖變形量降低,支護體系處于均勻受力狀態(tài),相比于原有支護體系具有更可靠的長期穩(wěn)定性。