完全沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

薛吉勝，趙德強(qiáng)，尚磊磊

(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)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;3.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000;4.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同家梁礦，山西大同037025)

沿空掘巷在鄰近工作面采完并且采空區(qū)頂板巖層活動大體穩(wěn)定以后進(jìn)行，沿空巷道處于工作面?zhèn)认驊?yīng)力降低區(qū)位置，巷道開掘、支護(hù)和維護(hù)成本均大幅降低。巷旁支護(hù)體要具有合理的支護(hù)阻力，并且增阻速度快，能切落一定高度的頂板，具有較大的可縮量以適應(yīng)沿空巷道圍巖大變形。要求巷內(nèi)與巷旁支護(hù)方式選型和參數(shù)的選擇上相互匹配，采用一種能主動提供支護(hù)阻力的巷內(nèi)支護(hù)方式，目前廣泛采用預(yù)應(yīng)力錨固錨索支護(hù)系統(tǒng)［1－3］。

完全沿空掘巷巷道兩側(cè)的壓力是非對稱的，實(shí)體煤一側(cè)圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)作用力遠(yuǎn)大于采空區(qū)一側(cè)對應(yīng)的載荷，加上煤的強(qiáng)度較小，側(cè)壓系數(shù)較大，自然形成的橫向應(yīng)力也較大。不對稱載荷大大減小了巷道的穩(wěn)定性，削弱了抵抗動壓的能力，因此巷內(nèi)支護(hù)有必要對煤壁側(cè)幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，形成煤壁側(cè)幫－巷旁支護(hù)體對稱支護(hù)系統(tǒng)［4－6］。

1 工作面概況

該礦12號煤地面標(biāo)高71.8～75.7m，井下標(biāo)高－573～－586.5m。煤層為復(fù)合煤，煤質(zhì)較硬，最大厚度為4.50m，最小為1.77m，平均煤厚為3m。12號煤1201首采工作面長度200m，巷道坡度0～3°。煤層局部含夾石1～3層，平均厚度為0.15m。12號煤及其頂?shù)装寰C合柱狀如圖1所示。

圖1 頂?shù)装寰C合柱狀

2 巷旁支護(hù)體參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 巷旁支護(hù)體可縮量確定

根據(jù)巷道圍巖活動規(guī)律，基本頂以“給定變形”的方式作用于下方煤巖體，由于基本頂?shù)膭偠冗h(yuǎn)大于直接頂和煤體的剛度，因此頂板上邊界為施加給定變形的邊界;下邊界受到巷幫煤體支撐力P0，巷內(nèi)支護(hù)阻力P1的作用;由于上覆巖層活動后期殘留邊界將沿巷幫煤體側(cè)破斷，巷道頂板左邊界可視為連桿支撐;右邊界與采空區(qū)冒落矸石接觸，簡化為橫向阻力 P2，如圖2所示［7－9］。

由于巷道的圍巖活動主要取決于裂縫帶上位巖層達(dá)到平衡狀態(tài)前的沉降，所以一般根據(jù)裂縫帶上位巖層的最終下沉量S來預(yù)計(jì)巷道煤壁側(cè)的下沉量S'。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，裂縫帶巖層距煤體極限平衡區(qū)原點(diǎn)水平距離19m遠(yuǎn)處 (即L=19m)，基本上達(dá)到最大下沉量S，由此引起的煤壁下沉分量為S1。巷道煤體側(cè)具有一定的壓縮變形，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮煤體邊緣的變形 S0［7－9］。

巷旁支護(hù)體可縮量應(yīng)與沿孔巷道煤壁側(cè)幫煤壁下沉量相一致，得到巷旁支護(hù)體可縮量:

12號煤層1201工作面采高m=3m，初始碎脹系數(shù)kp為1.3，殘余碎脹系數(shù)kp'為1.1，側(cè)壓系數(shù)A=0.3，煤層摩擦角 φ0=38°，煤層黏聚力 c=0.693MPa，巷道埋深H=655m，上覆巖層的平均容重γ=25kN/m3，應(yīng)力集中系數(shù)K=3。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到巷旁支護(hù)體可縮量S'為0.35m。

2.2 巷旁支護(hù)體阻力確定

采用走向長壁采煤法時(shí)，采場是沿傾斜布置的，而沿空巷道是沿走向布置的，可見沿空巷道更相似于沿俯斜推進(jìn)的采場［10］。

當(dāng)煤層傾角較小和頂板巖層在垮落性能上各向異性特征較弱時(shí)，采場空間與沿空巷道在支架圍巖平衡條件方面的共性是很大的，可以說在力學(xué)原理上是相同的，在支護(hù)措施上是相似的。按照巷旁支護(hù)承受載荷的原則，可將巷旁支護(hù)受力簡化為如圖3所示形式。

圖3 巷旁支護(hù)體受力

對O點(diǎn)取矩，模型的力學(xué)平衡方程為:

其中，

式中，Q為巷旁支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度，kN/m;x為煤壁極限平衡區(qū)寬度，m;a為沿空巷道寬度，m;b為巷旁支護(hù)體寬度，m;H為極限切頂高度，m;G為極限切頂高度內(nèi)巖石重量，kN/m3;α為煤層傾角，(°);θ為頂板巖石破斷角，(°)。

沿空巷道寬度a=5m;巷旁支護(hù)體寬度b=1.5m;煤層傾角α=3°;頂板巖石破斷角θ=45°。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到巷旁支護(hù)強(qiáng)度為2620kN/m。

根據(jù)計(jì)算得到巷旁支護(hù)體強(qiáng)度為2620kN/m，設(shè)計(jì)C30混凝土即可滿足要求，在1201工作面回采期間，貼實(shí)體煤側(cè)幫澆筑1.5m寬度混凝土墻。根據(jù)計(jì)算所得巷旁支護(hù)體可縮量為0.35m，在混凝土頂部施加0.4m厚混凝土柔性墊層，以增加混凝土墻的壓縮性能。針對混凝土墻承壓大及容易出現(xiàn)側(cè)向變形破壞的特點(diǎn)，在混凝土墻體中施加預(yù)應(yīng)力鋼筋，以改善混凝土墻體的承載特性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，預(yù)應(yīng)力鋼筋間排距0.6m，預(yù)應(yīng)力設(shè)置為80kN。

3 沿空巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

沿空巷道開挖后，沿空巷道巷內(nèi)支護(hù)采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，支護(hù)系統(tǒng)的剛度可有效控制圍巖變形，保持巷道穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)主動、及時(shí)支護(hù)。用金屬網(wǎng)護(hù)頂，對巷道煤壁側(cè)幫加強(qiáng)支護(hù)，施加W型鋼帶，并貼煤壁支設(shè)2排木支柱加強(qiáng)支護(hù)，以提高巷道煤壁穩(wěn)定性，消除不對稱載荷對巷道穩(wěn)定性的影響。沿空巷道凈寬×凈高為5000mm×3000mm，采用工程類比法進(jìn)行巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，支護(hù)設(shè)計(jì)斷面見圖4，頂板支護(hù)示意見圖5，支護(hù)參數(shù)見表1。錨桿預(yù)緊力設(shè)為80kN，錨索預(yù)緊力為250kN。

圖4 沿空巷道支護(hù)斷面

圖5 沿空巷道頂板支護(hù)示意

4 沿空巷道支護(hù)數(shù)值模擬研究

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為300m(x)×20m(y)×150m(z)。模型x和z方向分別在邊界上限制水平，y方向上固定底邊界，上邊界為自由面，模型網(wǎng)格劃分采用四面體單元，網(wǎng)格劃分的原則是:越靠近12號煤的各巖層網(wǎng)格劃分越密。模型選用摩爾－庫侖本構(gòu)模型，煤、巖層的物理力學(xué)參數(shù)選取見表2。巷旁支護(hù)體頂部施加0.4m厚柔性混凝土墊層，在混凝土參數(shù)基礎(chǔ)上降低彈性模量，取其彈性模量的1%，其他參數(shù)不變。

表1 沿空巷道支護(hù)參數(shù)

表2 煤巖物理力學(xué)性能指標(biāo)

進(jìn)行巷旁支護(hù)體切頂能力及沿空巷道穩(wěn)定性分析。模擬順序?yàn)?模型建立→1201回風(fēng)巷開挖并支護(hù)→加設(shè)巷旁支護(hù)體→1201工作面開挖→運(yùn)算監(jiān)測→開挖沿空巷道 (1202運(yùn)輸巷)→沿空巷道巷內(nèi)支護(hù)→運(yùn)算監(jiān)測。

4.1 巷旁支護(hù)體切頂能力數(shù)值模擬分析

4.1.1 巷旁支護(hù)體承載穩(wěn)定性分析

切頂階段垂直應(yīng)力等值線分布規(guī)律見圖6，圖中垂直應(yīng)力單位為MPa。由于在巷旁支護(hù)體頂部施加了0.4m厚柔性墊層，增加了巷旁支護(hù)體的可縮量，巷旁支護(hù)體并未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，只是在巷旁支護(hù)體兩側(cè)存在小范圍應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力達(dá)到35MPa，巷旁支護(hù)體中部垂直應(yīng)力27MPa左右，內(nèi)部存在穩(wěn)定承載區(qū)域，說明巷旁支護(hù)體能夠穩(wěn)定承載。

圖6 切頂階段垂直應(yīng)力分布

切頂階段水平應(yīng)力等值線分布規(guī)律見圖7，圖中水平應(yīng)力單位為MPa。巷旁支護(hù)體水平應(yīng)力為14MPa左右，未出現(xiàn)明顯受拉區(qū)域，說明預(yù)應(yīng)力鋼筋明顯改善了巷旁支護(hù)體的受力狀態(tài)，提高了巷旁支護(hù)體的承載能力，巷旁支護(hù)體穩(wěn)定。

圖7 切頂階段水平應(yīng)力分布

4.1.2 巷旁支護(hù)體切頂能力分析

切頂階段垂直位移等值線分布規(guī)律見圖8，圖中位移單位為m。上區(qū)段工作面開挖影響穩(wěn)定后，巷旁支護(hù)體兩側(cè)位移差值明顯，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量遠(yuǎn)大于實(shí)體煤側(cè)，最大達(dá)到1.4m，說明巷旁支護(hù)體切頂能力強(qiáng)，切頂效果好。

圖8 切頂階段垂直位移分布

4.2 沿空巷道支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

沿空巷道垂直應(yīng)力等值線分布規(guī)律見圖9，圖中應(yīng)力單位MPa?；炷翂Υ怪睉?yīng)力最大在25MPa左右，最小為10MPa左右，垂直應(yīng)力明顯減小，說明巷旁支護(hù)體有效切頂后，頂板壓力明顯較小。同時(shí)煤壁側(cè)幫出現(xiàn)1.5m左右深度的應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力在30MPa左右，說明由于煤壁與巷旁支護(hù)體壓縮剛度不一致，巷內(nèi)兩側(cè)存在明顯的不均衡載荷。煤壁側(cè)密集支柱垂直應(yīng)力達(dá)到40MPa，有效維護(hù)了煤壁處頂板，同時(shí)2.4m深度預(yù)應(yīng)力幫部錨桿提高了煤體的承載能力，二者協(xié)同作用，消除了部分不均衡載荷的影響。

圖9 沿空巷道垂直應(yīng)力等值線分布

沿空巷道水平應(yīng)力等值線分布規(guī)律見圖10，圖中應(yīng)力單位為MPa。巷道肩角及頂?shù)装迳畈坎⑽闯霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。分析原因在于沿空巷道是在應(yīng)力降低區(qū)開掘，已充分卸壓，并且頂部預(yù)應(yīng)力錨桿錨索提高了頂板的整體性，降低了水平應(yīng)力的影響。

圖10 沿空巷道水平應(yīng)力等值線分布

沿空巷道垂直位移等值線分布規(guī)律見圖11，圖中位移單位為m。開挖后頂板移近量為300mm，底板移近量達(dá)100mm，位移變化量在合理范圍內(nèi)，沿空巷道穩(wěn)定。

數(shù)值模擬結(jié)果表明:巷旁支護(hù)體在切頂階段穩(wěn)定性好，能夠有效切頂。沿空巷道開挖完成后，在巷旁和巷內(nèi)支護(hù)的共同作用下，應(yīng)力狀態(tài)分布良好，巷道頂?shù)装逡平吭诤侠矸秶鷥?nèi)，沿空巷道穩(wěn)定。

圖11 沿空巷道垂直位移等值線分布

5 試驗(yàn)巷道應(yīng)用效果

下區(qū)段1202工作面開采過程中，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行沿空巷道圍巖表面位移量監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制位移變化曲線，如圖12所示。從觀測結(jié)果來看，測點(diǎn)距1202工作面55m處，沿空巷道開始顯著變形，最終兩幫收斂量達(dá)到91mm，煤壁側(cè)幫變形達(dá)到60mm，巷旁支護(hù)體側(cè)向變形相對較小，達(dá)到30mm，頂板位移量達(dá)到37mm。沿空巷道位移變化量在允許范圍內(nèi)，巷道維護(hù)穩(wěn)定。

圖12 沿空巷道表面位移曲線

6 結(jié)論

通過理論計(jì)算得到巷旁支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度及可縮量，確定巷旁支護(hù)體采用1.5m厚混凝土墻。巷旁支護(hù)體頂部施加0.4m厚柔性墊層;巷旁支護(hù)體側(cè)向施加預(yù)應(yīng)力鋼筋，預(yù)應(yīng)力鋼筋間排距0.6m，預(yù)應(yīng)力為80kN。沿空巷道巷內(nèi)支護(hù)采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿錨索支護(hù)系統(tǒng)，采用工程類比法進(jìn)行巷內(nèi)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行巷道煤壁側(cè)W型鋼帶以及貼幫支設(shè)木支柱加強(qiáng)支護(hù)。

數(shù)值模擬結(jié)果表明巷旁支護(hù)體存在穩(wěn)定承載區(qū)，切頂階段能夠穩(wěn)定承載，切頂效果良好，沿空巷道支護(hù)效果良好。試驗(yàn)巷道現(xiàn)場實(shí)測表明下區(qū)段1202工作面開采過程中，沿空巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟吭诤侠矸秶鷥?nèi)，巷道維護(hù)穩(wěn)定，完全沿空掘巷方案可以應(yīng)用到現(xiàn)場。

［1］康紅普.深部煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)踐［J］.煤礦開采，2008，13(1):1－5.

［2］侯朝炯，李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2001，26(1):1－7.

［3］牟彬善，吳蘭蓀，劉現(xiàn)貴，等.沿空掘巷無煤柱開采技術(shù)實(shí)踐 ［J］.煤礦開采，1999，4(2):17－19.

［4］郭相平，都海龍，王 濤.孤島工作面高應(yīng)力區(qū)域沿空掘巷強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)［J］.煤礦開采，2013，18(4):69－73.

［5］李 磊，柏建彪，王襄禹.綜放沿空掘巷合理位置及控制技術(shù) ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(9):1564－1569.

［6］柏建彪.沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，15(12):113－116.

［7］孔祥義，何 團(tuán)，李凱強(qiáng).煤礦沿空掘巷巷旁支護(hù)體參數(shù)設(shè)計(jì) ［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2013，31(20):31－34.

［8］徐張保.沿空留巷技術(shù)在回采巷道中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2006，8(2):39－41.

［9］李化敏.沿空留巷頂板巖層控制設(shè)計(jì)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，4(7):25－29.

［10］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)的研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，1(2):77－83.