永久煤柱下巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)分析

孫明磊，李佳麗

(1.華東理工大學(xué),上海 200237；2.中煤煤炭進(jìn)出口公司，北京 100024)

永久煤柱下巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)分析

孫明磊1，李佳麗2

(1.華東理工大學(xué),上海 200237；2.中煤煤炭進(jìn)出口公司，北京 100024)

[摘要]以岱河煤礦Ⅳ1專用回風(fēng)巷變形破壞為研究對(duì)象，從煤柱支承壓力、圍巖強(qiáng)度、現(xiàn)有支護(hù)措施3個(gè)方面分析了其破壞影響因素和機(jī)理，通過建立FLAC2D模擬模型明確了巷道與煤柱邊緣水平距離、巷道支護(hù)方式對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響。研究了U型鋼、注漿及錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)3種作用下的巷道彎矩分布、圍巖位移等特點(diǎn)，提出了永久煤柱下的巷道在U型鋼基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行注漿加固，再用錨索進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，形成穩(wěn)定的共同承載體，有效地控制巷道變形。

[關(guān)鍵詞]永久煤柱；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值模擬；圍巖應(yīng)力

1工程概述

岱河煤礦Ⅳ1專用回風(fēng)巷位于Ⅳ1采區(qū)軌道上山南側(cè)，巷道埋深430～605.5m左右，所在層位為粉砂巖，裂隙較發(fā)育，較軟，含黃鐵礦、鈣質(zhì)結(jié)核；中間有0.5m厚的泥巖夾層，極軟，易破碎。Ⅳ1回風(fēng)巷為Ⅳ1采區(qū)專用回風(fēng)巷道，巷道上方布置有Ⅳ3217和Ⅳ3218工作面，兩工作面回采結(jié)束后形成的永久煤柱與Ⅳ1專用回風(fēng)巷斜交。Ⅳ1專用回風(fēng)巷現(xiàn)有支護(hù)方式為29U型鋼棚支護(hù)，巷道兩幫收斂量較大，棚腿扭曲變形嚴(yán)重，底鼓強(qiáng)烈，雖屢經(jīng)修復(fù)但巷道有效使用斷面仍難滿足Ⅳ1采區(qū)生產(chǎn)要求。

2Ⅳ1專用回風(fēng)巷變形破壞原因及機(jī)理分析

研究表明，影響深部巷道圍巖變形破壞因素很多，不同巷道其變形破壞原因也有著較大不同。綜合多方面資料與研究，針對(duì)岱河煤礦Ⅳ1專用回風(fēng)巷具體地質(zhì)條件，巷道變形破壞因素分析如下：

永久煤柱支承壓力影響Ⅳ1專用回風(fēng)巷與Ⅳ3217和Ⅳ3218兩工作面回采結(jié)束后形成的永久煤柱間距較小，巷道處于回采煤柱形成的支承壓力升高區(qū)?，F(xiàn)有地質(zhì)資料表明，Ⅳ1專用回風(fēng)巷上方煤柱形成的支承壓力峰值約為原巖應(yīng)力的3倍左右，根據(jù)巷道平均埋深估算，圍巖中的切向應(yīng)力達(dá)到32MPa以上。巷道上方的高支承壓力對(duì)巷道穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

巷道圍巖強(qiáng)度Ⅳ1專用回風(fēng)巷所在層位為粉砂巖，裂隙較發(fā)育，且含有0.5m厚泥巖夾層，膨脹性軟巖成分含量較高。在高應(yīng)力作用下，該類型圍巖極易發(fā)生變形破壞。

現(xiàn)有支護(hù)措施Ⅳ1專用回風(fēng)巷目前使用29U型鋼棚支護(hù)，造成其強(qiáng)烈變形的原因主要有：

(1)現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)承載性能較差從Ⅳ1專用回風(fēng)巷變形破壞特征可以看出，現(xiàn)有29U型鋼棚支護(hù)體和巷道圍巖相互作用關(guān)系較差，多數(shù)支架處于局部承載狀態(tài)。29U型鋼棚拱部承載能力較強(qiáng)，而直腿承載能力較弱，導(dǎo)致巷道兩幫成為高應(yīng)力釋放區(qū)域，出現(xiàn)較大收斂。因此，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。

(3)現(xiàn)代支護(hù)理論強(qiáng)調(diào)，巷道支護(hù)應(yīng)充分調(diào)動(dòng)圍巖自承能力Ⅳ1專用回風(fēng)巷采用了29U型鋼棚支護(hù)，為一種被動(dòng)支護(hù)方式，未能充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力，在高地應(yīng)力及采動(dòng)載荷的影響下，難以有效控制圍巖的變形破壞。

3Ⅳ1專用回風(fēng)巷數(shù)值模擬分析

3.1數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)Ⅳ1專用回風(fēng)巷與上部煤柱的相對(duì)位置關(guān)系，采用FLAC2D建立數(shù)值模擬模型，見圖1。模型設(shè)計(jì)寬130m，高50m，按埋深530m計(jì)算上邊界載荷，模型左右及下部邊界固定。

圖1　數(shù)值模擬模型

假定煤柱寬40m，高2.6m，位于模型中部，兩側(cè)采空。下部的Ⅳ1專用回風(fēng)巷斷面為半圓拱形，寬3m，高2.9m。

3.2巖體力學(xué)參數(shù)

采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則：

式中，σ1，σ3分別是最大和最小主應(yīng)力，c和φ分別是材料的黏結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs<0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。在一般低應(yīng)力狀態(tài)下，巖石(煤)是一種脆性材料，因此可根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度判斷巖石是否產(chǎn)生拉破壞。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

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表1　數(shù)值模擬計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

3.3數(shù)值模擬計(jì)算方案

本次數(shù)值模擬主要針對(duì)以下兩個(gè)方面的內(nèi)容，共建立了9種模型。

(1)模擬左側(cè)煤柱邊緣與Ⅳ1專用回風(fēng)巷距離對(duì)Ⅳ1專用回風(fēng)巷的影響(左側(cè)煤柱邊緣與Ⅳ1專用回風(fēng)巷水平距離分別為6m，0m，-6m)。

(2)在左側(cè)煤柱邊緣與Ⅳ1專用回風(fēng)巷水平距離一定情況下，研究Ⅳ1專用回風(fēng)巷采用不同的支護(hù)方式時(shí)圍巖變形特征(本次計(jì)算分別模擬了U型鋼骨架支護(hù)、U型鋼骨架+注漿支護(hù)、U型鋼骨架+頂、幫錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償+底板錨索3種巷道支護(hù)方式)。

模型中U型鋼參數(shù)為：密度7800kg/m3，彈性模量200GPa，抗壓屈服強(qiáng)度520MPa，抗拉屈服強(qiáng)度350MPa，排距500mm；錨索為φ15.24mm×5000mm(1860MPa)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，巷道幫部錨索間排距1000mm×1500mm，底板錨索間排距1000mm×1500mm，頂板錨索間隔1600mm布置2根錨索，排距為2000mm。對(duì)Ⅳ1專用回風(fēng)巷先后兩次采用差異孔進(jìn)行注漿，漿液擴(kuò)散半徑平均取4m，注漿前后巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

表2　注漿前后巖體力學(xué)參數(shù)

3.4數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2是不受永久煤柱影響下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖，圖3是永久煤柱影響下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖。

圖2　不受永久煤柱作用時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

圖3　永久煤柱影響下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

由圖2可知，在不受煤柱影響時(shí)，巷道掘進(jìn)后在圍巖淺部形成低應(yīng)力區(qū)，圍巖應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。距巷道圍巖表面15m左右應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，巷道底板圍巖低應(yīng)力區(qū)發(fā)育范圍小于幫部和頂部，深部12m基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，頂板圍巖深部20m基本恢復(fù)到原巖應(yīng)力水平，掘巷的影響半徑在15m左右。從圖3可知，煤柱兩側(cè)的垂直應(yīng)力發(fā)育呈“馬鞍型”，在煤柱邊緣形成應(yīng)力增高區(qū)；Ⅳ1專用回風(fēng)巷位于煤柱左側(cè)邊緣，圍巖始終處于較高的應(yīng)力水平；在由煤柱形成的支承壓力作用下，巷道淺部圍巖低應(yīng)力區(qū)發(fā)育范圍增大；Ⅳ1專用回風(fēng)巷左幫因靠近煤柱采空區(qū)下方，垂直應(yīng)力與右?guī)拖啾容^小，但仍大于掘巷時(shí)的垂直應(yīng)力；由于煤柱右側(cè)距Ⅳ1專用回風(fēng)巷很遠(yuǎn)，煤柱右側(cè)支承壓力對(duì)Ⅳ1專用回風(fēng)巷影響很小。

圖4是巷道與煤柱左側(cè)不同水平距離時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖。

從圖4中可以看出，隨著巷道與煤柱左邊緣水平距離從6m逐漸減少到-6m，Ⅳ1專用回風(fēng)巷圍巖垂直應(yīng)力逐漸增大，Ⅳ1專用回風(fēng)巷左右兩幫垂直應(yīng)力峰值位于兩幫圍巖內(nèi)8m左右。

圖4　巷道與煤柱左側(cè)水平距離不同時(shí)巷道垂直應(yīng)力分布

4巷道圍巖控制技術(shù)分析

4.1U型鋼棚支護(hù)作用分析

圖5為U型鋼支架彎矩分布狀況。由圖可知，支架兩幫受力遠(yuǎn)大于支架拱部，隨計(jì)算步數(shù)的增加，彎矩逐步向巷道兩幫中間移動(dòng)，導(dǎo)致兩幫首先達(dá)到極限承受彎矩，隨著彎矩的進(jìn)一步增加，兩幫支架先發(fā)生破壞，而拱部支架仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　U型鋼支架彎矩分布狀況

29U型鋼棚支護(hù)巷道圍巖位移矢量圖見圖6。由圖6可知，U型鋼棚腿靠近底板約1/3處先達(dá)到屈服，隨之支架逐步失穩(wěn)、破壞，導(dǎo)致兩幫內(nèi)移。同時(shí)由于底板無控底措施，受兩幫高應(yīng)力擠壓，底板嚴(yán)重鼓起，進(jìn)而促使兩幫進(jìn)一步內(nèi)移，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致兩幫收斂嚴(yán)重。所以應(yīng)對(duì)29U型鋼棚支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，降低高應(yīng)力對(duì)支架支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)的破壞，限制巷道變形。

圖6　U型鋼棚支護(hù)巷道圍巖位移矢量圖

4.2注漿支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

注漿能實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道裂隙的封堵、填充，強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道圍巖承載能力，限制了圍巖的變形破壞，同時(shí)能夠改善支架的受力狀況。圖7是注漿前后，29U型鋼棚支護(hù)時(shí)Ⅳ1專用回風(fēng)巷右?guī)?0m內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力分布狀況，圖8是注漿后29U型鋼的彎矩受力狀況。

圖7　注漿前后圍巖垂直應(yīng)力分布狀況

圖8　注漿后支架彎矩分布狀況

由圖7可見，Ⅳ1專用回風(fēng)巷通過注漿支護(hù)，圍巖強(qiáng)度得到了明顯的提高，淺部圍巖應(yīng)力也得到了提高，使得巷道淺部破碎巖體的殘余強(qiáng)度得到大幅提高。同時(shí)，雖然注漿加固能夠充分保護(hù)和發(fā)揮圍巖體的自承載能力，但圍巖垂直應(yīng)力分布并沒有較大變化。對(duì)比圖8與圖5，通過注漿支架兩幫角彎矩降低較明顯，但鋼棚直腿彎矩分布特征變化較小，所以，僅通過注漿來實(shí)現(xiàn)29U鋼棚支護(hù)體受力狀態(tài)的改善效果不夠明顯。

4.3錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)作用分析

錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)利用U型鋼的強(qiáng)護(hù)表作用，以錨索的高支護(hù)阻力控制巷道圍巖淺部破碎巖體剪脹變形，同時(shí)改善巷道淺部圍巖所處的應(yīng)力狀態(tài)，使其殘余強(qiáng)度得到大幅提高。圖9為錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)后錨索受力情況。由圖可見，進(jìn)行錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償后，錨索整體受拉，外錨固段受力明顯大于內(nèi)錨固段，能夠很好地控制淺部圍巖變形。底板中央施工2根錨索進(jìn)行控底，底板錨索受力較大。

圖9　錨索受力情況

錨索補(bǔ)償支護(hù)后29U型鋼棚彎矩受力情況見圖10，IV1專用回風(fēng)巷圍巖位移矢量圖見圖11。

圖10　錨索補(bǔ)償支護(hù)后支架彎矩分布狀況

圖11　錨索補(bǔ)償支護(hù)后Ⅳ1專用回風(fēng)巷圍巖位移矢量圖

由圖10可知，相對(duì)圖8鋼棚直腿彎矩明顯降低，表明與單純注漿相比，采用錨索進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償較好地改善了29U鋼棚支架受力狀態(tài)，支架彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于支架承受的許用應(yīng)力。從圖11看出，注漿加錨索補(bǔ)償后，29U型鋼棚支架應(yīng)力分布較為均勻，支架局部承載情況得到較大改善。幫部與底板錨索充分調(diào)動(dòng)了深部穩(wěn)定圍巖對(duì)淺層巷道圍巖的限制作用，改變了兩幫及底板圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提升了兩幫及底板圍巖的強(qiáng)度極限，有效地改善棚腿的受力狀況，使現(xiàn)有支架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，將巷道圍巖變形量有效控制在可用范圍之內(nèi)。

5結(jié)論

(1)影響岱河煤礦Ⅳ1專用回風(fēng)巷變形破壞的主要因素為：永久煤柱支承壓力較大；巷道圍巖巖

體強(qiáng)度較弱；29U型鋼棚與圍巖相互作用較差，存在支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，未能實(shí)現(xiàn)真正的“高阻讓壓”支護(hù)；巷道底板無支護(hù)，承載能力差；29U型鋼棚支護(hù)未能充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力。

(2)建立FLAC2D數(shù)值分析模型，分析了29U型鋼支架彎矩分布狀況、注漿支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力的影響和錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償支護(hù)作用；提出了永久煤柱下的巷道在U型鋼基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)行注漿加固，提升巷道淺部圍巖的強(qiáng)度，再用錨索進(jìn)行針對(duì)性支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償，改善巷道淺部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，充分調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，形成穩(wěn)定的共同承載體，有效地控制巷道變形。

[參考文獻(xiàn)]

[1]臧龍．煤柱底板巷道圍巖穩(wěn)定性分析及其控制技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]張琨.高應(yīng)力軟巖巷道破壞機(jī)理及錨注技術(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[4]荊升國(guó).高應(yīng)力破碎軟巖巷道棚-索協(xié)同支護(hù)圍巖控制機(jī)理研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2009.

[5]謝文兵，荊升國(guó)，等.U型鋼支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(2)：3743-3748.

[6]王衛(wèi)軍，彭剛，黃俊．高應(yīng)力極軟破碎巖層巷道高強(qiáng)度耦合支護(hù)技術(shù)研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(2)：223-228.

[7]朱術(shù)云，姜振泉，姚普，等.采場(chǎng)底板巖層應(yīng)力的解析法計(jì)算及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24(2)：192-195.

[8]張華磊.采場(chǎng)底板應(yīng)力傳播規(guī)律及其對(duì)底板巷道穩(wěn)定性影響研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2011.

[9]李屹博，田茂林，劉志剛，等.煤柱底板巷道圍巖控制技術(shù)研究[J].山西焦煤科技，2015，12(1)：18-20，24.

[10]靖洪文，李元海，許國(guó)安．深埋巷道圍巖穩(wěn)定性分析與控制技術(shù)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26(6)： 877-880.

[11]王襄禹，柏建彪，陳勇，等．深井巷道圍巖應(yīng)力松弛效應(yīng)與控制技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(7)：1072-1077.

[12]金淦.永久煤柱影響下軟巖巷道耦合支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].山西煤炭，2010，30(10)：30-31，35.

[13]湯樺.深井軟巖巷道大變形機(jī)理及控制技術(shù)[J].煤礦安全，2013，44(6)：66-69.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Stability and Control Technology of Surrounding Rock under Permanent Coal Pillar

SUN Ming-lei1，LI Jia-li2

(1.East China University of Science & Technology，Shanghai 200237，China；2.China National Coal Import & Export Co.，Ltd.，Beijing 100024，China)

Abstract：Broken influence elements and mechanism of special return air entry of Daihe coal mine were analyzed，which included supporting pressure of coal pillar，surrounding rock strength and supporting way.Detailed numerical modeling of FLAC2Dwas conducted to evaluate surrounding rock stress distribution that influence by horizontal distance of roadway to coal pillar edge and supporting way.These papers studied the characters of roadway moment distribution and surrounding rock displacement that influenced by three different supporting way，which included U style steel supporting，grouting reinforcement and compensate supporting with cable，put forward grouting and compensate supporting with cable should be used on the basis of U style steel supporting in roadway under the permanent coal pillar，then stability supporting body would formed，and roadway deformation could be controlled effectively.

Keywords：permanent coal pillar；surrounding rock stability；numerical simulation；surrounding rock stress

[收稿日期]2015-08-07[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.016

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174070)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(D2013402006)

[作者簡(jiǎn)介]孫明磊(1984-)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事礦井地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和礦井生產(chǎn)信息化建設(shè)研究。

[中圖分類號(hào)]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)01-0059-04

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

[引用格式]孫明磊，李佳麗.永久煤柱下巷道圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)分析[J].煤礦開采，2016，21(3)：59-62，149.