近距離煤層巷道圍巖穩(wěn)定性分析與支護(hù)技術(shù)研究

郭永澤

(臨汾地方煤礦工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,山西 臨汾 041000)

我國已探明的煤炭資源儲(chǔ)量豐富,但地緣分布整體呈北部、西部多,南部、東部少[1]。相對(duì)于東部礦井,西部地區(qū)大部分礦井采深普遍較淺,圍巖地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,因此,巷道支護(hù)主要以砌碹、棚子等被動(dòng)支護(hù)方式為主。但隨著近年開采規(guī)模增大及復(fù)雜地質(zhì)條件日益出現(xiàn),巷道維護(hù)面臨一系列難題,尤其當(dāng)回采相對(duì)距離較近的煤層組時(shí),上層煤開采引起圍巖應(yīng)力重新分布,上煤層工作面煤柱承受很高的支承壓力,給下煤層工作面布置和下煤層工作面回采巷道支護(hù)帶來較大困難。臨近煤層開采時(shí),通常將下煤層的工作面巷道布置在上煤層采動(dòng)應(yīng)力的降低區(qū)內(nèi),但在支護(hù)中依然會(huì)出現(xiàn)巷幫位移量及底鼓量大,支架變形量大、甚至折損等問題。這不但使得巷道返修率高,支護(hù)成本增加,而且威脅人員及設(shè)備安全,制約安全高效發(fā)展。

1 工程概況

某礦101工作面回采9#煤,距上部8#煤平均距離為8.67 m,頂板為泥巖及細(xì)粒砂巖,底板為泥巖。該工作面兩巷采用工字鋼棚支護(hù),在巷道掘出后不久,部分巷道就發(fā)生較大變形,工字鋼棚頂梁壓彎、棚腿內(nèi)移現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然在頂板補(bǔ)打了錨索,但巷道變形量依然難以控制。8#煤層采空后,隨著101工作面繼續(xù)回采,巷道支護(hù)難度極大,嚴(yán)重影響礦井的正常安全生產(chǎn)。針對(duì)該礦地質(zhì)條件,在分析該工作面兩巷破壞失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上,對(duì)上煤層開采后臨近下煤層的回采巷道受本煤層相鄰工作面采掘影響時(shí)巷道圍巖的變形規(guī)律及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

2 底板巖體受采動(dòng)影響破壞深度計(jì)算

該礦8#煤與9#煤的相對(duì)層間距較小,8#煤回采會(huì)導(dǎo)致采場圍巖應(yīng)力重新分布,8#煤層回采結(jié)束后,殘留煤柱上會(huì)形成應(yīng)力增高區(qū),其圍巖應(yīng)力增高值通常是原巖應(yīng)力的數(shù)倍。殘留煤柱高應(yīng)力向底板巖層傳遞并形成破碎區(qū)、塑性變形區(qū)和彈性區(qū),造成本煤層巷道底板(即9#煤層巷道頂板)的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,不利于下煤層巷道圍巖穩(wěn)定。上煤層工作面開采產(chǎn)生的底板裂隙帶如果與下煤層巷道導(dǎo)通,則新鮮風(fēng)流可能通過裂隙進(jìn)入采空區(qū),引起采空區(qū)殘煤自燃[2]。

8#煤實(shí)際回采過程中,在采場周圍煤(巖)體內(nèi)形成的支承壓力最高可達(dá)原巖應(yīng)力的數(shù)倍,為方便分析,需要對(duì)實(shí)際圍巖受力模型進(jìn)行化簡,依據(jù)圣維南原理,確定工作面回采后初次來壓時(shí),采場底板的最大破壞范圍(塑性區(qū)深度)h1為:

式中:σc為底板巖層的平均抗壓強(qiáng)度,24 MPa;γ為平均容重,25 000 N/m3;Lm為工作面寬度,211 m;H為采深,300 m。代入式中得:h1≈8.91 m。

9#煤距上部8#煤的平均層間距為8.67 m,故9#煤回采巷道圍巖處于8#煤回采形成的底板破壞范圍內(nèi)。

3 受采動(dòng)影響煤柱下底板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)理論推導(dǎo)出的底板巖層垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪應(yīng)力計(jì)算公式為:

σx=

σz=

式中:σx為底板巖層的垂直應(yīng)力,MPa;σz為底板巖層的水平應(yīng)力,MPa;τxz為底板巖層的剪應(yīng)力,MPa;a為煤柱寬度的一半,m;x0、z0為底板某點(diǎn)的坐標(biāo)值;q為底板巖層所承受的上覆均布載荷,N。

為提高采出率,工作面留設(shè)的保護(hù)煤柱一般較小,可看作是均布載荷。假設(shè)保護(hù)煤柱寬為10 m,煤柱載荷取5倍原巖應(yīng)力,利用上述公式計(jì)算得出距底板5 m、10 m、15 m和20 m圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪應(yīng)力分布，見圖1。

1-a 底板圍巖垂直應(yīng)力分布曲線

1-b 底板圍巖水平應(yīng)力分布曲線

1-c 底板圍巖剪應(yīng)力分布曲線圖1 煤柱底板巖層內(nèi)應(yīng)力分布曲線Fig.1 Stress distribution curves of floor rock under coal pillars

分析圖1中曲線可知,距底板不同深度圍巖的垂直應(yīng)力峰值隨著距煤柱垂直距離和煤柱中心線水平距離的增大而逐漸減小,且在煤柱邊緣應(yīng)力值減小幅度最大;距離底板不同深度圍巖的水平應(yīng)力峰值隨著深度加深而逐漸減小,變化幅度逐漸趨于平緩[3]。水平應(yīng)力在煤柱兩邊緣附近均出現(xiàn)了應(yīng)力峰值,且隨著與煤柱中心線距離的增大而逐漸減小;在煤柱載荷中心線處剪應(yīng)力為零,在煤柱左右邊緣附近各出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力峰值,隨著深度增加,峰值逐漸減小,水平方向上的變化也更為平緩。在煤柱下方及邊緣附近一定范圍內(nèi),圍巖垂直應(yīng)力場影響明顯,隨著與煤柱中心線之間水平距離增大(如距離煤柱中心線20 m左右位置),圍巖垂直應(yīng)力小于水平應(yīng)力,此后,水平應(yīng)力場的影響大于垂直應(yīng)力場,成為對(duì)圍巖性質(zhì)產(chǎn)生影響的主要因素,但是隨著距離煤柱距離進(jìn)一步增大,應(yīng)力影響強(qiáng)度逐漸減小。

綜上所述,將上煤層殘留煤柱上支承壓力看作均布載荷,底板圍巖垂直應(yīng)力值遠(yuǎn)大于圍巖水平應(yīng)力和剪應(yīng)力,但水平應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響范圍大于垂直應(yīng)力。理想情況下,垂直應(yīng)力主要影響范圍在-10 m～10 m,水平應(yīng)力影響范圍在-26 m～26 m,而剪切應(yīng)力影響范圍在-18 m～18 m。

對(duì)該礦而言,為保持下煤層巷道穩(wěn)定和節(jié)約支護(hù)成本,要避免把回采巷道布置在上煤層工作面回采后留設(shè)的面間保護(hù)煤柱下方底板應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)[4],但為了最大限度減少資源浪費(fèi),提高回采率,有時(shí)又必須把巷道布置在此區(qū)域,這種情況下,需要采取合理的支護(hù)方法,適當(dāng)提高支護(hù)強(qiáng)度,確保巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 回采巷道高強(qiáng)穩(wěn)定支護(hù)方案

回采距離較近的多層煤炭時(shí),加大下部煤層巷道的支護(hù)強(qiáng)度可減弱相鄰已采掘工作面的采動(dòng)影響,通過采取加大支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的措施可以有效控制巷道圍巖的變形與破壞。

針對(duì)102工作面軌道順槽受上煤層開采和本煤層相鄰101工作面開采影響,提出高強(qiáng)穩(wěn)定的支護(hù)方案并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

研究高強(qiáng)穩(wěn)定支護(hù)方案的根本思路是:針對(duì)相鄰工作面開采動(dòng)壓影響情況,根據(jù)巷道圍巖地質(zhì)特征條件,架設(shè)工字鋼棚并保證其自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,最大限度地發(fā)揮支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力[5]。

102工作面軌道順槽受相鄰101工作面動(dòng)壓影響支護(hù)方案的技術(shù)核心是采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護(hù)形式,提高圍巖表面支護(hù)強(qiáng)度,具體支護(hù)布置見圖2。錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼,每根錨桿使用2支Z2350樹脂藥卷錨固劑錨固,預(yù)緊力矩大于300 N·m。錨桿(索)間隔布置,鄰近錨桿(索)距離為800 mm;每排錨桿都用鋼帶連接。

錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6 000 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,按照“一二一五花眼”形式在頂板布置,同排兩根錨索之間的間距1 600 mm,排距均為800 mm,錨索張拉預(yù)緊力為100 kN;巷幫按間距1 300 mm、排距800 mm布置兩根錨索,錨索張拉預(yù)緊力為100 kN。

圖2 102工作面軌道順槽錨網(wǎng)支護(hù)布置斷面圖Fig.2 Section of anchor network supporting with track gateway in No.102 working face

5 圍巖控制效果分析

在102工作面軌道順槽距切眼380 m處布置測站,觀測記錄巷道表面及深基點(diǎn)位移。使用鋼卷尺、測繩觀測頂?shù)装寮皟蓭偷南鄬?duì)移近量,使用深基點(diǎn)位移計(jì)觀測不同層位圍巖的相對(duì)移近量。深基點(diǎn)位移計(jì)布置示意圖見圖3。

圖3 深基點(diǎn)位移計(jì)布置示意圖Fig.3 Layout of deep base point displacement meters

1)巷道表面位移觀測結(jié)果分析。巷道表面位移可以最直觀地反映出圍巖的穩(wěn)定狀況,在掘進(jìn)頭距測站約110 m時(shí),巷道表面位移量僅有小幅度增加且趨于穩(wěn)定,說明圍巖變形得到了較好的控制。巷道掘進(jìn)過測站約110 m后,巷道頂?shù)缀蛢蓭偷南鄬?duì)移近量都在20 mm之內(nèi),其中頂?shù)装逑鄬?duì)移近量為17 mm,兩幫相對(duì)移近量為19 mm。隨著測站與掘進(jìn)迎頭之間距離的增大,巷道表面圍巖移近量基本穩(wěn)定。由于巷道頂板較為軟弱,頂?shù)滓平俣嚷源笥趦蓭鸵平俣?隨著測站與掘進(jìn)迎頭距離增大,巷道兩幫和頂?shù)装宓囊平俣榷汲尸F(xiàn)下降趨勢[6]。這說明采用高強(qiáng)穩(wěn)定的支護(hù)技術(shù)后,巷道頂、幫形成的支護(hù)承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,圍巖變形控制效果明顯。

2)深基點(diǎn)位移計(jì)觀測結(jié)果分析。深基點(diǎn)位移計(jì)正觀測值表明該范圍巖層內(nèi)產(chǎn)生了新的裂隙或原有裂隙擴(kuò)大;負(fù)觀測值表明該范圍內(nèi)巖層中原有裂隙壓縮變形或閉合。2#深基點(diǎn)位移計(jì)觀測結(jié)果見圖4。

圖4 2#深基點(diǎn)位移計(jì)觀測結(jié)果圖Fig.4 Observation of No.2 deep base point displacement meter

2#深基點(diǎn)位移計(jì)位于巷道左幫,分析圖中曲線可知,該測點(diǎn)的位移值在10 mm內(nèi),且深部圍巖的位移量略大于淺部圍巖的位移量,這表明巷道支護(hù)體與圍巖形成的承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高。

其余位移計(jì)的觀測結(jié)果與2#類似,表明采用錨網(wǎng)(索)棚聯(lián)合支護(hù)方案可有效控制巷道圍巖變形,支護(hù)效果較好,為巷道正常、安全使用提供了有力保障,對(duì)類似條件下巷道圍巖控制有參考意義。