近急斜綜采工作面礦壓控制及數(shù)值模擬研究

常文遠(yuǎn)

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

引言

隨著礦山的開采強(qiáng)度不斷增大，賦存條件較好的煤層已經(jīng)逐步枯竭，煤層開采已經(jīng)逐步向著賦存條件復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。急傾斜煤層是指煤層的賦存角度大于45°，屬于難開采煤層。急傾斜煤層占我國煤層總量的15%～20%。由于急傾斜煤層的頂?shù)装寮皟蓭蛶r體的巖性不同，所以巷道的圍巖變形及礦壓顯現(xiàn)情況較為復(fù)雜[1-2]。急傾斜煤層巷道應(yīng)力及變形呈現(xiàn)出非對稱的狀態(tài)且由于煤層傾角較大，極易引起巖層的滑移。此前眾多學(xué)者對急傾斜煤層巷道圍巖變形情況進(jìn)行了一定的分析[3-4]。本論文通過分析急傾斜煤層巷道圍巖破壞機(jī)理提出相應(yīng)的支護(hù)方案，并利用數(shù)值模擬軟件對支護(hù)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，為解決急傾斜煤層巷道變形大的問題提供一定的借鑒。

1 急傾斜煤層巷道變形機(jī)理研究

急傾斜煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)情況與緩傾斜及傾斜煤層大致相同，但在開采急傾斜時(shí)，由于煤層傾角較大，所以巖石的重力與巖石層理夾角減小，所以在層理方向上重力的作用效果明顯增大，產(chǎn)生頂板的冒落，巖層移動等現(xiàn)象。

急傾斜煤層巷道煤巖受到重力作用下沉，且在傾斜面上會有下滑的趨勢。所以巷道的頂板及兩幫會朝著掘進(jìn)方向發(fā)生變形。隨著圍巖的松動破壞向著巖體深部擴(kuò)展，頂板上部應(yīng)力拱會朝著巷道的上角移動，使得巷道的應(yīng)力環(huán)境重新分布。巷道兩幫由于支撐力的不均勻性，造成巷道左幫的水平及垂直壓力升高，圍巖變形嚴(yán)重，發(fā)生煤巖的破壞。同時(shí)由于應(yīng)力分布的不對稱性，巷道圍巖的破壞及變形在同斷面內(nèi)也存在著明顯的不對稱性，且在靠近頂板的位置圍巖變形大，所以頂板的冒頂多出現(xiàn)在這一側(cè)。如圖1 所示為急傾斜巷道頂板的垮落示意圖。

圖1 急傾斜巷道頂板垮落圖

對巖石的重力P進(jìn)行分解，分解為垂直層面的分力P1及沿著層面的分力P2，隨著煤層的傾角增大，重力在層理方向的作用逐步增大，當(dāng)重力的分力大小超過巖層間的內(nèi)聚力時(shí)，巖層發(fā)生相對錯(cuò)動。當(dāng)煤層巷道的頂板巖層較為堅(jiān)硬且煤層與相接巖層的巖性較為松軟時(shí)，滑動現(xiàn)象極為明顯，從而引起頂板的上覆巖層下沉，當(dāng)巷道的底板為煤層時(shí)，底板會出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。急傾斜煤層巷道受力如圖2-1 所示。

圖2 急傾斜巷道破壞機(jī)理示意圖

在選用非封閉式支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于巷道的底板屬于敞開支護(hù)，受到高應(yīng)力巖層的應(yīng)力傳遞，巷道的底板中部靠近下幫的位置出現(xiàn)裂縫，底板受到兩側(cè)的擠壓形成彎曲狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到新的平衡時(shí)，出現(xiàn)巷道的底鼓，如上頁圖2-2 所示。

2 支護(hù)方案可行性研究

在原有錨網(wǎng)索耦合支護(hù)的基礎(chǔ)上采用底板錨桿、注漿錨索等結(jié)構(gòu)對底板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為了使支護(hù)效果達(dá)到最大化，對支護(hù)體及支護(hù)巖層進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定性的目的。經(jīng)過分析最終確定強(qiáng)力錨桿、注漿錨索、W 型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結(jié)構(gòu)非對稱耦合支護(hù)方案。利用數(shù)值模擬軟件來驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性。

選擇西曲礦的9 號煤層為研究對象。煤層的平均厚度為1.74 m，煤層的傾角為64°，煤層中存在2層夾矸。老頂為細(xì)砂巖及粉砂巖組成。直接頂為1.85 m 的泥質(zhì)砂巖。直接頂為1.6 m 的泥質(zhì)粉砂巖。老頂為中厚泥質(zhì)粉砂巖1.36 m。

首先進(jìn)行模型的建立，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對模擬結(jié)果的精確性要求不高，所以適當(dāng)?shù)臏p小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)。完成網(wǎng)格劃分后對模型約束進(jìn)行設(shè)置，支護(hù)方案選擇錨網(wǎng)索+底角錨桿相非對稱支護(hù)。完成建模過程后進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 未支護(hù)時(shí)巷道圍巖變形云圖

根據(jù)圖3-1 應(yīng)力分布圖可以看出，巷道圍巖的應(yīng)力呈現(xiàn)出非對稱形態(tài)，巷道附近圍巖應(yīng)力釋放明顯，且在巷道的表面圍巖應(yīng)力值接近于零，在靠近巷道底板的位置低應(yīng)力范圍向著巖層的深部進(jìn)行延伸。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在煤層的直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，最大應(yīng)力值為25 MPa，且影響范圍較大。觀察圖3-2 發(fā)現(xiàn)，巷道的左側(cè)變形明顯大于右側(cè)變形，且兩側(cè)的變形呈現(xiàn)出非對稱分別的狀態(tài)。從圖中可以看出巷道的左幫和底板的變形量較大，最大的變形位置出現(xiàn)在巷道的底板位置，底板的最大位移量達(dá)到了300 mm 左右，在巷道的左幫偏上的位置出現(xiàn)巖層的大幅度移動，巷道的變形嚴(yán)重。

從圖4-1 可以看出，對巷道進(jìn)行非對稱錨網(wǎng)索支護(hù)后，圍巖的應(yīng)力分布情況明顯有了大幅度改善，圍巖的主應(yīng)力分布出現(xiàn)均勻化的趨勢，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布逐步向著地應(yīng)力區(qū)開始轉(zhuǎn)化，但在巷道的直接頂和老頂?shù)慕佑|位置出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值從25 MPa 降低至了20 MPa。觀察支護(hù)后的圍巖圍巖分布云圖發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過錨網(wǎng)索支護(hù)后，圍巖的變形量有了大幅度的減小，巷道的最大位移變形區(qū)出現(xiàn)在巷道的左側(cè)底板，最大位移量僅為100 mm，同時(shí)巷道兩幫的變形量均小于50 mm，可以看出支護(hù)后的巷道圍巖變形得到了較好的改善，圍巖整體應(yīng)力及位移均大幅度減小。

圖4 支護(hù)后巷道圍巖變形云圖

通過數(shù)值模擬的分析可以看出，支護(hù)后的巷道圍巖變形得到了有效的改善。將支護(hù)方案用于西曲礦9 號煤層巷道監(jiān)測支護(hù)后的位移變形情況。巷道圍巖變形隨時(shí)間的變化曲線如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形圖

可以看出，隨著時(shí)間的增長，巷道的圍巖變形呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，但增長的速度隨著時(shí)間的增長呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟吭?9 d 時(shí)區(qū)域基本穩(wěn)定，頂?shù)装宓南鄬σ平繛?43 mm，巷道的兩幫移近量為120 mm。頂?shù)装宓南鄬σ平吭谇?9 d 時(shí)的平均速度為7.9 mm/d，且最大的變形速度為12.7 mm/d。隨著時(shí)間的增加，頂板及底板的移近量呈現(xiàn)出減小的趨勢，19 d 以后的平均速度降低至7.9 mm/d。巷道的兩幫的相對移近量在前19 d 時(shí)的平均速度為3.5 mm/d，且最大的變形速度為7 mm/d。隨著時(shí)間的增加，兩幫的移近量出現(xiàn)減小的趨勢，19 d 以后的平均速度降低至3.7 mm/d。在掘巷支護(hù)的前期，由于掘進(jìn)的影響，巷道的變形較大，隨著掘進(jìn)時(shí)間的增加，支護(hù)體與巷道的圍巖相互耦合，此時(shí)的巷道變形量趨于穩(wěn)定。支護(hù)較為成功。

3 結(jié)論

1）通過對急傾斜巷道的破壞機(jī)理進(jìn)行研究，給出了強(qiáng)力錨桿、注漿錨索、W 型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結(jié)構(gòu)非對稱耦合支護(hù)方案。

2）利用數(shù)值模擬對支護(hù)前后的圍巖應(yīng)力場及位移場進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的最大應(yīng)力值從之前的25 MPa 降低至20 MPa，且圍巖兩幫的移近量降低至100 mm。

3）通過對現(xiàn)場支護(hù)效果的分析發(fā)現(xiàn)，巷道頂板及底板的移近量未243 mm，最高移近速度為12.7 mm/d，兩幫的最大移近量為120 mm，最大移近速度為7 mm/d。