不同夾矸厚度沿空煤巷復(fù)合頂板支護設(shè)計與分析

楊繼強 姜 寧 向喜偉

(山東科技大學(xué)，山東省青島市，266590)

在我國北方大多數(shù)煤礦中，復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)一般由較薄的軟、硬巖層堆疊構(gòu)成，使得各巖層的強度值和剛度值都不相等，且層間的黏聚力較小，因此普通錨桿已經(jīng)達不到原有的錨固效果，起到的承載作用有限，進而造成冒頂事故發(fā)生。

大安山煤礦+400 m水平軸10上槽煤層和10下槽煤層變化較大，且間距較小，其中部分地段兩煤層合為一層，使得+400 m水平軸10槽不同煤層、不同地段的煤層巷道支護條件差異較大。當(dāng)布置+400 m水平軸10槽工作面巷道時，采用原計劃留設(shè)5 m保護煤柱，且使用錨索、錨網(wǎng)聯(lián)合支護工作面巷道。隨著工作面推進，巷道變形較為嚴(yán)重，錨桿、錨索破斷嚴(yán)重，其中10下槽煤層工作面為不穩(wěn)定頂板重點破壞區(qū)域，主要原因是復(fù)合頂板破碎和離層現(xiàn)象導(dǎo)致錨桿失效，如圖1和圖2所示。

圖1 頂板破碎引起的錨桿失效

圖2 頂板離層引起的錨桿失效

1 工程地質(zhì)概況

試驗煤層為大安山煤礦+400 m水平軸10下槽煤層，主要以中等厚度煤層為主，此煤層為向斜肘部構(gòu)造，工作面煤層和巖層傾向大約為343°～360°，走向約為73°～90°，傾角處于11°～28°之間。其中10下槽煤層厚度0.38～3.20 m，平均厚度1.58 m，煤層中等硬度，是該采區(qū)的主要開采煤層，同時也是組成回采巷道兩幫的主要巖層。10上槽煤層厚度0.19～3.42 m，平均厚度1.25 m，是預(yù)開采煤層區(qū)域，其中工作面和回采巷道工作面復(fù)合頂板煤層為軟弱夾層；煤層頂板巖性見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 試驗巷道工作面復(fù)合頂板的破壞分析

試驗工作面煤層厚度1.55 m，兩煤層含夾矸，夾矸厚度分別為0.1 m和0.2 m。工作面開采后煤層受采動影響嚴(yán)重，在水平、垂直、斜交方向均出現(xiàn)明顯裂隙裂隙，此時煤層呈顆粒狀。尤其是鉆孔中煤層塌孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，煤層中出現(xiàn)較大的離層現(xiàn)象，煤層中的夾矸出現(xiàn)一些水平裂隙，但總體保持了較好的完整性，在煤層與巖層的交界處，煤層破壞嚴(yán)重，且出現(xiàn)了塌孔。據(jù)此判斷造成沿空煤巷復(fù)合頂板破壞的主要因素是煤巖層中不同力學(xué)性質(zhì)煤、巖體分層結(jié)構(gòu)。煤巖互層與單一巖層結(jié)構(gòu)對巷道的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)以及位移量的影響使得復(fù)合頂板關(guān)鍵層穩(wěn)定性對復(fù)合頂板的失穩(wěn)起著關(guān)鍵作用。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，影響關(guān)鍵層穩(wěn)定性的主要因素是直接頂夾矸的厚度。因此本文針對直接頂中不同夾矸厚度對復(fù)合頂板關(guān)鍵層穩(wěn)定性的影響進行了研究。

3 沿空煤巷不同夾矸厚度復(fù)合頂板數(shù)值模擬分析

3.1 復(fù)合頂板沿空煤巷數(shù)值模擬建立

擬針對傾斜方向(傾角19°)合層和分層各建立模型，模型自上而下包括了10槽上、下兩個煤層，模型尺寸為240 m×160 m，模型最上端為自由端，上邊界施加垂直壓應(yīng)力10.2 MPa。其邊界位移的條件為：在左邊和右邊邊界以及前邊和后邊邊界上施加水平方向的邊界約束，這些邊界的水平位移趨于零；模型的底部施加約束，使得邊界的水平位移和垂直位移都趨于零；模型頂部為自由邊界，主要受自重應(yīng)力變化。經(jīng)煤礦實地取樣后在實驗室對巖性做了試驗，得到煤礦的煤巖層具體力學(xué)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 模型煤巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 不同夾矸厚度沿空復(fù)合頂板受動壓影響的垂直位移變化

不同夾矸厚度下復(fù)合頂板的垂直位移分布如圖3所示。由圖3可以看出，復(fù)合頂板受到采動影響后，在沿空留巷過程中，無論夾矸厚度多大，工作面巷道頂板均出現(xiàn)不同程度的垮落現(xiàn)象，其中位移偏移量的范圍隨夾矸厚度的增加先減小后增大，而且煤柱受頂板垮落的影響，發(fā)生向煤巷偏移的情況，說明復(fù)合頂板含有軟弱夾層的情況下巷道易破壞。

3.3 不同夾矸厚度沿空復(fù)合頂板受動壓影響的塑性區(qū)的變化

不同夾矸厚度下復(fù)合頂板的塑性區(qū)分布如圖4所示。

圖4 不同夾矸厚度下復(fù)合頂板的塑性區(qū)分布

由圖4可以看出，沿空煤巷復(fù)合頂板夾矸厚度分別為0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m時，頂板將受到回采的影響，在沿空留巷過程中，巷道的煤幫一側(cè)和煤柱處產(chǎn)生一定塑性區(qū)，分層結(jié)構(gòu)的塑性區(qū)范圍明顯比合層大，說明復(fù)合頂板的夾矸厚度對煤巷圍巖塑性區(qū)有一定的影響，塑性區(qū)隨著復(fù)合頂板的分層而擴大。

綜合以上分析可得，夾矸厚度影響工作面下區(qū)段的應(yīng)力分布，呈現(xiàn)出應(yīng)力集中系數(shù)隨著夾矸厚度的增大先減小后增大的趨勢，并且煤巷圍巖塑性區(qū)的變化趨勢和垂直應(yīng)力集中系數(shù)的變化相似，以復(fù)合頂板夾矸厚度1 m為一個分界點，夾矸厚度對復(fù)合頂板總的影響趨勢表現(xiàn)為沿空煤巷煤體一側(cè)的應(yīng)力區(qū)、塑性區(qū)范圍以及巷道頂板的位移隨夾矸厚度增加而出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。

4 針對夾矸厚度影響沿空煤巷復(fù)合頂板影響下的支護設(shè)計方案

為了防止復(fù)合頂板因夾矸厚度影響因素發(fā)生冒落、離層等現(xiàn)象的再次發(fā)生，針對夾矸厚度不相同的頂板進行模擬分析，初步確定了3種不同復(fù)合頂板煤巷的頂板支護方式：方案1，頂板全錨索支護；方案2，錨桿配合等長錨索支護；方案3，錨桿配合梯次錨索立體支護。整個回采過程中，在沿空煤巷復(fù)合頂板相同開采水平和相同煤柱寬度的條件下，分析出3種不同支護方案下的復(fù)合頂板沿空煤巷應(yīng)力分布及形變特征。

4.1 方案1

不同夾矸厚度沿空煤巷復(fù)合頂板全錨桿支護下垂直應(yīng)力和垂直位移變化曲線分別如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，采用全錨桿支護后，煤巷采空區(qū)一側(cè)2.5～4.5 m左右區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力最大值分別為31.61 MPa、28.89 MPa、23.94 MPa、22.55 MPa和28.59 MPa；在煤巷煤幫一側(cè)5～8 m左右區(qū)域垂直應(yīng)力達到又一個峰值，分別為22.85 MPa、20.27 MPa、19.13 MPa、19.25 MPa和21.76 MPa。到達峰值后，應(yīng)力逐漸降低，最后逐漸趨于平穩(wěn)。由圖6可知，在煤巷采空區(qū)側(cè)7～10 m范圍，頂板垂直位移增加較快，說明煤層復(fù)合頂板受垂直應(yīng)力的作用后，離層在此處有發(fā)展的趨勢；夾矸厚度為0.75 m時垂直位移下沉量較其他情況大，說明這種全錨桿支護方式適合夾矸厚度穩(wěn)定的頂板，而不太適于分層厚度變化的復(fù)合頂板。

圖5 復(fù)合頂板全錨桿支護下垂直應(yīng)力變化

圖6 復(fù)合頂板全錨桿支護下垂直位移變化

4.2 方案2

不同夾矸厚度沿空煤巷復(fù)合頂板錨桿加短錨索支護下垂直應(yīng)力和垂直位移變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 復(fù)合頂板錨桿加短錨索支護下垂直應(yīng)力變化

由圖7可以看出，采用錨桿配合等長錨索的支護后，在煤巷采空區(qū)側(cè)4～5 m左右出現(xiàn)的垂直應(yīng)力峰值分別為30.83 MPa、23.43 MPa、24.17 MPa、22.98 MPa和25.48 MPa，在煤巷煤幫一側(cè)6～8 m左右區(qū)域垂直應(yīng)力達到又一個峰值，分別為22.76 MPa、20.13 MPa、19.71 MPa、18.45 MPa和9.38 MPa。到達峰值后，應(yīng)力逐漸降低，最后逐漸趨于平穩(wěn)。

圖8 復(fù)合頂板錨桿加短錨索支護下垂直位移變化

由圖8可知，在煤巷的采空區(qū)一側(cè)7～11 m范圍，頂板垂直位移變化較快，和方案1區(qū)別不大，位移變化趨勢和僅僅進行錨桿支護相同，但垂直位移增長較快的位置向采空區(qū)稍偏移，說明這種支護方式較適合分層變化較大的復(fù)合頂板支護。

4.3 方案3

不同夾矸厚度沿空煤巷復(fù)合頂板梯次錨索支護下垂直應(yīng)力和垂直位移變化曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9 復(fù)合頂板梯次錨索支護下垂直應(yīng)力變化

圖10 復(fù)合頂板梯次錨索支護下垂直位移走勢曲線

由圖9可以看出，采用梯次錨索支護后，在煤巷采空區(qū)側(cè)4～5 m左右出現(xiàn)的垂直應(yīng)力峰值分別為30.32 MPa、32.29 MPa、25.50 MPa、23.14 MPa和26.27 MPa。在煤巷煤幫一側(cè)5～7 m左右區(qū)域垂直應(yīng)力達到又一個峰值，分別為22.76 MPa、20.13MPa、19.79MPa、18.56MPa和22.16 MPa。到達峰值后，垂直應(yīng)力逐步降低，最終會達到一個平穩(wěn)值。由圖10可知，在煤巷采空區(qū)側(cè)6～11 m時，頂板垂直位移增加較快；在沿空煤巷中心頂板中部的位移分別達到388 mm、363.5 mm、372.4 mm、372.1 mm和317.9 mm，說明這種支護下頂板下沉趨勢和上述兩種情況的相似，但對夾矸厚度穩(wěn)定的頂板支護效果更好，對于分層變化較大的復(fù)合頂板則不適用。

5 3種方案比較分析

經(jīng)過對不同支護方式模型的模擬情況分析，發(fā)現(xiàn)3種支護方式下，夾矸厚度不相同的復(fù)合頂板的應(yīng)力和位移分布走勢大體相似，說明無論采取哪一種支護方式，它們都對夾矸厚度不相同的復(fù)合頂板起到控制頂板應(yīng)力和降低頂板下沉的作用。整理數(shù)據(jù)后，得出沿空煤巷上幫和下幫處最大垂直應(yīng)力以及沿空煤巷上部頂板垂直位移的分布曲線，通過比較，分析出3種支護方案的優(yōu)缺點，說明不同支護方式對沿空煤巷的支護作用存在差別。

5.1 復(fù)合頂板沿空煤巷上幫最大垂直應(yīng)力分布

不同夾矸厚度煤巷上幫最大垂直作用力的分布曲線如圖11所示。由圖11可以看出，方案2和方案3對于夾矸厚度大于1 m的復(fù)合頂板支護效果較好，可以有效降低上幫的應(yīng)力值，從而可以控制煤柱向巷道偏移，而方案1對夾矸厚度大于1 m的復(fù)合頂板支護效果較差；對于夾矸厚度小于1 m的復(fù)合頂板支護，采用方案2比其他兩種方案更能減小沿空煤巷上幫的垂直應(yīng)力。

圖11 不同夾矸厚度煤巷上幫最大垂直應(yīng)力變化

5.2 復(fù)合頂板沿空煤巷下幫最大垂直應(yīng)力分布

不同夾矸厚度煤巷下幫最大垂直作用力分布曲線如圖12所示。由圖12可以看出，當(dāng)復(fù)合頂板為薄夾矸時，三者的效果區(qū)別不大，但當(dāng)頂板夾矸厚度大于1 m后，采用方案2比其他兩種方案更能減小沿空煤巷上幫的垂直應(yīng)力，有利于長期留巷。

圖12 不同夾矸厚度煤巷下幫最大垂直應(yīng)力變化

5.3 復(fù)合頂板沿空煤巷頂板最大下沉量分布

不同夾矸厚度沿空煤巷上部區(qū)域處最大下沉量分布如圖13所示。由圖13可以看出，采用方案3比其他兩種方案的垂直位移偏移量小，說明錨索支護可以有效降低沿空煤巷的頂板下沉量，在設(shè)計復(fù)合頂板沿空煤巷的支護形式時，可選用錨索網(wǎng)支護形式。

圖13 不同夾矸厚度煤巷內(nèi)部頂板最大下沉量變化

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)濟性原則，方案2無論在控制上下幫應(yīng)力還是在控制頂板下沉方面都起到了很好的作用，相比較其他兩種方案更有優(yōu)勢，因此在實踐中應(yīng)采用錨桿加等長錨索支護復(fù)合頂板沿空煤巷的頂板設(shè)計。

6 結(jié)論

通過模擬不同夾矸厚度下復(fù)合頂板沿空煤巷受采動的影響，得出夾矸厚度對工作面應(yīng)力分布的影響規(guī)律。采用數(shù)值模擬方法，并結(jié)合試驗工作面實測數(shù)據(jù)確定了采用錨桿配合等長錨索支護方式，保證直接頂可以經(jīng)受掘進過程、回采過程和頂板來壓的擾動影響，保持了較好的穩(wěn)定性，防止松動和碎脹現(xiàn)象再次發(fā)生。

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