煤柱下特厚煤層動(dòng)壓巷道穩(wěn)定性與控制技術(shù)研究

吳 樂，馮智杰，何 杰，馮友良，郝登云

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西 忻州 036600)

回采巷道的穩(wěn)定性主要決定于圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度與支護(hù)系統(tǒng)[1，2]。近距離煤層下行開采時(shí)，上層煤回采結(jié)束后形成采空區(qū)與遺留煤柱，圍巖應(yīng)力重新分布[3，4]。由于采空區(qū)垮落的頂板對(duì)底板應(yīng)力分布的影響較遺留煤柱集中應(yīng)力影響要小的多，因此下層煤回采巷道的布置需著重考慮遺留煤柱下應(yīng)力集中分布范圍，從而降低上層煤遺留煤柱與本工作面回采雙重?cái)_動(dòng)影響程度[5-8]，同時(shí)采取合理的支護(hù)技術(shù)控制巷道變形[9-12]。本文以山西世德孫家溝煤礦13313工作面進(jìn)風(fēng)巷為工程背景，從圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度與支護(hù)系統(tǒng)三個(gè)方面對(duì)煤柱下動(dòng)壓巷道穩(wěn)定性及控制技術(shù)展開研究。

1 工程概況

山西世德孫家溝煤礦主采煤層為11#煤與13#煤，11#煤煤層平均厚度為2.2m，下方為13#煤層，13#煤層平均厚度為13.54m，兩層煤層間距10m，11#煤與13#煤為典型的近距離煤層。13313工作面進(jìn)風(fēng)巷沿13#煤底板掘進(jìn)，其正上方為沿11#煤頂板掘進(jìn)的11007工作面進(jìn)風(fēng)巷，13313工作面正上方為11007采空區(qū)，兩者空間位置重疊。13313進(jìn)風(fēng)巷西側(cè)為尚未開掘的13315回風(fēng)巷，巷道平面與垂直位置關(guān)系如圖1與圖2所示，其中圖1中實(shí)線為13#煤巷道，虛線為11#煤巷道。天地科技股份有限公司在該工作面測(cè)得地質(zhì)力學(xué)參數(shù)結(jié)果顯示，13#煤最大水平主應(yīng)力為16.65MPa，方向?yàn)楸逼?3.6°，最小水平主應(yīng)力為9.15MPa，垂直應(yīng)力為5.58MPa，為最大水平主應(yīng)力主導(dǎo)型應(yīng)力場(chǎng)，在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。

2 上煤層采空區(qū)底板破壞深度力學(xué)計(jì)算

11007工作面采用全部垮落法處理頂板，根據(jù)上下煤層具體位置關(guān)系，建立底板破壞力學(xué)模型如圖3所示[13]。由圖3可看出，隨著工作面的開采，其底板巖層發(fā)生破壞，根據(jù)塑性理論及采場(chǎng)礦壓理論，將其分為3個(gè)區(qū)域：主動(dòng)應(yīng)力區(qū)(Ⅰ區(qū))、過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))與被動(dòng)應(yīng)力區(qū)(Ⅲ區(qū))，過渡區(qū)是形成底板破壞的最大深度區(qū)，BD為對(duì)數(shù)螺旋線。煤柱頂板支承壓力通過Ⅰ區(qū)，經(jīng)過Ⅱ區(qū)的壓伸傳遞作用至Ⅲ區(qū)，由于采空區(qū)的存在，應(yīng)力作用轉(zhuǎn)而向上。文獻(xiàn)[14]總結(jié)出極限條件下對(duì)數(shù)螺旋線方程及底板破壞深度H與工作面前方煤體超前支承壓力峰值范圍L的關(guān)系式為：

(1)

(2)

其中，φ為內(nèi)摩擦角，(°)；r0為AB、OB的長度，m。

根據(jù)孫家溝大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面前方支承壓力峰值范圍一般為14m，因此L=14m，依據(jù)孫家溝地質(zhì)資料，取煤層底板內(nèi)摩擦角φ=28°，計(jì)算的：H=28.2m>23.54m(11#煤底板距13#煤底板距離)，因此，13#煤回采巷道處于上層煤破壞范圍內(nèi)。

圖3 上層煤采空區(qū)底板破壞深度計(jì)算模型

3 遺留煤柱下巷道穩(wěn)定性研究

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)孫家溝煤礦13313工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)結(jié)果，采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：225.5m×1m×70m，在建模過程中嚴(yán)格按照?qǐng)D1與圖2所示巷道相鄰空間位置關(guān)系進(jìn)行建模。三維模型的邊界條件取為：上部為應(yīng)力邊界條件，四周水平位移固定，模型底部垂直位移固定，且按照實(shí)際地應(yīng)力條件施加模型初始應(yīng)力，數(shù)值模型如圖4所示。模型中各層位巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。按照實(shí)際巷道開掘及工作面回采順序，確定數(shù)值模擬方案為：開挖11007進(jìn)風(fēng)巷并計(jì)算至平衡→開挖11007工作面并計(jì)算至平衡→開挖11009回風(fēng)巷并計(jì)算至平衡→開挖11009工作面并計(jì)算至平衡→開挖13313進(jìn)風(fēng)巷并計(jì)算至平衡，模擬過程中采用一次性換填法充填采空區(qū)。

圖4 數(shù)值模型示意圖

表1 模型巖石力學(xué)參數(shù)

3.2 遺留煤柱下方應(yīng)力分布

模擬11007工作面及11009工作面回采結(jié)束后，遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布如圖5所示，圖5右側(cè)示例為模型對(duì)應(yīng)巖層分布圖，由圖5可知在11#煤層兩個(gè)工作面回采結(jié)束后，遺留煤柱內(nèi)部及下方形成“U型”應(yīng)力集中區(qū)，而13313進(jìn)風(fēng)巷處于該應(yīng)力集中區(qū)邊緣，即當(dāng)13313進(jìn)風(fēng)巷錯(cuò)開煤柱一定距離時(shí)，應(yīng)力環(huán)境將得到顯著改善。當(dāng)13313進(jìn)風(fēng)巷位于煤柱邊緣下方時(shí)，巷道內(nèi)平均應(yīng)力達(dá)到8.78MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.58；當(dāng)外錯(cuò)25m時(shí)，即巷道位于22～27.5m位置時(shí)，巷道內(nèi)平均應(yīng)力為3.79MPa，降幅達(dá)到56%，即外錯(cuò)25m時(shí)應(yīng)力環(huán)境得到顯著改善，此時(shí)開掘巷道可提高穩(wěn)定性。

圖5 遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布(MPa)

3.3 上層煤遺留煤柱寬度對(duì)下層煤回采巷道的影響分析

為探究不同尺寸遺留煤柱對(duì)下層煤回采巷道應(yīng)力環(huán)境的影響，模擬中改變11007工作面與11009工作面之間的煤柱尺寸，以13313工作面進(jìn)風(fēng)巷腰部中軸線(距13#煤煤層底板2.5m)為基線設(shè)置測(cè)線，監(jiān)測(cè)該水平線上不同遺留煤柱寬度時(shí)上層煤回采過后垂直應(yīng)力分布曲線，得到不同寬度遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布曲線如圖6所示。通過比較可知，煤柱寬度從32m以5m維度遞減至12m過程中(礦方設(shè)計(jì)煤柱尺寸時(shí)常以5m作為梯度變化，因此本文模擬中選用5m為變化梯度)，13313進(jìn)風(fēng)巷所在區(qū)域垂直應(yīng)力不斷增大，且煤柱尺寸越小增幅越顯著?？梢?，上層煤遺留煤柱尺寸的增大有助于改善煤柱下方巷道所處應(yīng)力環(huán)境，同時(shí)，煤柱尺寸為27m與32m時(shí)，13313進(jìn)風(fēng)巷所在區(qū)域應(yīng)力分布基本一致，因此在后續(xù)11#煤回采可適當(dāng)減小煤柱尺寸至27m。

圖6 不同寬度遺留煤柱下方垂直應(yīng)力分布曲線

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

通過上述討論分析可知：13313進(jìn)風(fēng)巷處于應(yīng)力增高區(qū)，巷道開掘時(shí)易產(chǎn)生大變形，因此需采取高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)，及時(shí)控制巷道圍巖裂隙、離層。由于13313工作面煤層厚度平均為13.54m，為特厚煤層，巷道高度為3.7m，頂煤厚度接近10m，礦方在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用懸吊理論，認(rèn)為錨索需要懸吊在穩(wěn)定巖層中，因此錨索原設(shè)計(jì)長度為12m，造成支護(hù)材料浪費(fèi)，同時(shí)影響支護(hù)速度，巷道變形情況未見明顯改善。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)前，在13313回風(fēng)巷采用鉆孔觸探法對(duì)頂板圍巖強(qiáng)度進(jìn)行原位測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位于回風(fēng)巷200m與700m處，其中700m測(cè)點(diǎn)測(cè)得結(jié)果如圖7所示，可知巷道頂板上方0～5.9m為13#煤，強(qiáng)度主要集中在18～23MPa，為中硬煤體，5.9～7.8m為泥巖，巖層強(qiáng)度平均值為43.14MPa，7.8～13.0m為砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，巖層強(qiáng)度平均值為56.46MPa。進(jìn)一步在頂板煤體中進(jìn)行錨索錨固力測(cè)試，測(cè)試錨索5.2m與8.2m各2根，錨固力最小為313kN，平均為327kN。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，錨索在張拉與鎖定過程中由于鎖具限位距及圍巖蠕變等原因會(huì)造成錨索預(yù)應(yīng)力損失，因此在進(jìn)行錨固力測(cè)試時(shí)安裝錨索測(cè)力計(jì)，測(cè)得錨索預(yù)應(yīng)力損失平均為42.7%，即張拉至300kN時(shí)損失后錨索受力可達(dá)到172kN，仍可以對(duì)頂板施加高預(yù)應(yīng)力。

圖7 13313回風(fēng)巷頂板圍巖強(qiáng)度

另一方面，從錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散角度分析，隨著錨索長度的增加，錨索中上部及錨索之間的圍巖壓力逐步減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí)，長錨索的主動(dòng)支護(hù)作用弱于短錨索，錨索越長，需要施加的預(yù)應(yīng)力越大[16]，因此在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)將頂板原12m錨索支護(hù)方式變更為5.2m與8.2m、Φ21.8mm的1×19股高強(qiáng)度錨索組合支護(hù)形式，為實(shí)現(xiàn)頂板錨索預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散，采用W異型錨索托板與W鋼帶為錨索支護(hù)組合構(gòu)件，錨索初始張拉力要求不低于300kN，具體支護(hù)參數(shù)如圖8(a)所示。巷幫主要受到水平應(yīng)力作用，相對(duì)于垂直應(yīng)力變化較小，因此采用高強(qiáng)度強(qiáng)力錨桿支護(hù)，組合構(gòu)件采用W鋼護(hù)板，擴(kuò)大護(hù)表面積，要求錨桿預(yù)緊力為400N·m，煤柱幫(即靠近13315工作面?zhèn)认飵?采用規(guī)格為Φ17.8mm×4200mm的錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)如圖8(b)所示。

圖8 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案(mm)

5 礦壓監(jiān)測(cè)及支護(hù)設(shè)計(jì)反饋

巷道表面變形曲線如圖9(a)所示，巷道在掘出后圍巖持續(xù)收斂，頂?shù)装逡平孔冃未笥趦蓭鸵平浚跗谧冃嗡俣却笥诤笃?，頂?shù)装逡平孔畲鬄?02mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)主要表現(xiàn)為底板鼓起，頂板下沉量較??；兩幫移近最大為442mm，其中煤柱幫移近量大于實(shí)體煤幫移近量，且在觀測(cè)后期，隨位移數(shù)據(jù)變形速度降低，但巷道仍在緩慢收斂，接近于蠕變變形，但巷道變形總體不影響生產(chǎn)及通風(fēng)要求。

頂板錨索受力變化曲線如圖9(b)、(c)所示。5.2m與8.2m錨索受力變化曲線顯示，錨索初始張拉力均大于200kN，充分發(fā)揮了錨索及時(shí)主動(dòng)支護(hù)作用，抑制了巷道開掘后頂板煤體裂隙張開的情況。錨索安裝后由于遺留煤柱的應(yīng)力集中作用及巷道掘進(jìn)擾動(dòng)共同造成了錨索受力不斷波動(dòng)，其中遺留煤柱的作用占據(jù)主導(dǎo)地位，最大受力489kN，低于錨索極限破斷力530kN；在巷道掘進(jìn)迎頭距測(cè)站650m外受力趨于穩(wěn)定，錨索最終受力較最初受力略有提高，因此可論證錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

巷幫錨桿受力變化曲線如圖9(d)所示，可知錨桿初始預(yù)緊力大于70kN，僅工作面幫2號(hào)錨桿初始預(yù)緊力為48kN略小，錨桿安裝后受力變化形態(tài)與頂板錨索基本一致，隨巷道掘進(jìn)受力不斷波動(dòng)，最大受力小于錨桿破斷力，后期受力穩(wěn)定后較初始預(yù)緊力有所升高，且初始預(yù)緊力越小，錨索受力增幅越大，說明錨桿較大的預(yù)應(yīng)力能夠提高承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮圍巖承載能力，控制巷道變形[17]。綜合分析可知，該支護(hù)方案合理有效，能夠滿足安全生產(chǎn)要求，因此在后續(xù)開采中，針對(duì)特厚煤層留頂煤可推廣該支護(hù)形式。

圖9 礦壓監(jiān)測(cè)曲線圖

6 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬顯示，對(duì)于孫家溝近距離煤層開采，13#煤層處于上層煤采空區(qū)底板破壞深度范圍內(nèi)，11#煤層遺留煤柱下方形成“U型”應(yīng)力集中區(qū)，13313進(jìn)風(fēng)巷位于該應(yīng)力集中區(qū)范圍內(nèi)，巷道穩(wěn)定性較差，外錯(cuò)25m應(yīng)力環(huán)境可得到顯著改善。

2)隨著上層煤遺留煤柱寬度增大，下方應(yīng)力集中程度有所降低，其中，煤柱27m后應(yīng)力增幅減緩，與32m煤柱下方應(yīng)力分布基本一致，因此后續(xù)開采中可考慮適當(dāng)減小上層煤煤柱尺寸。

3)對(duì)于特厚煤層留頂煤回采巷道，錨索并不需要懸吊在上層巖體中，造成支護(hù)材料的浪費(fèi)，通過圍巖強(qiáng)度及錨固力測(cè)試減小錨索長度，并施加高預(yù)應(yīng)力，結(jié)合礦壓監(jiān)測(cè)顯示巷道頂?shù)装逡平畲鬄?62mm，兩幫移近為442mm，滿足使用要求，錨索受力最大為489kN，錨桿受力最大為176kN，仍處于極限承載范圍內(nèi)，故該支護(hù)方式合理有效，并已推廣應(yīng)用。