劉佳偉
(山西焦煤西山煤電官地煤礦,山西 太原 030022)
官地礦中六區(qū)2#煤層直接頂板為砂質泥巖,破碎易冒落,靠近煤層有一層0.1~0.4 m碳質泥巖偽頂,節(jié)理發(fā)育,隨采隨冒。老頂為細粒砂巖,采后5~6個月冒落,呈周期性來壓。底板為砂質泥巖、細粒砂巖,采后無底鼓現(xiàn)象。3#煤層直接頂板為砂質泥巖及細砂巖,節(jié)理發(fā)育,距2號煤層底板4.5~7 m,隨采隨冒,頂板較難管理。底板為砂質泥巖或泥巖。
根據(jù)本井田鉆孔巖芯、井下上組煤煤層頂?shù)装鍘r石力學試驗結果見表1。
對于官地礦中六采區(qū)3#煤傾斜煤層而言,回采巷道常常表現(xiàn)為頂?shù)装迨芰Σ痪?,壓力呈區(qū)域性的異常增大,圍巖破碎冒落嚴重,巷道斷面在非對稱力的作用下,變形成不規(guī)則斷面,影響巷道的使用功能[1-3]。該3#煤3005工作面巷道采用沿煤層傾斜方向的梯形巷道斷面,巷道斷面在地應力的作用下,變形破壞嚴重,局部塌落極其嚴重,錨桿支護幾乎無法控制巷道的變形。由于圍巖流變性較強,巷道圍巖自承能力較弱,圍巖失穩(wěn)冒落范圍較大,如何改善當前的巷道圍巖穩(wěn)定性問題成為亟待解決的技術難題。
表1 3#煤層頂?shù)装鍘r石力學試驗結果表
根據(jù)官地礦中六采區(qū)3005工作面煤巖鉆孔地質報告和主采煤層特點,建立數(shù)值模擬巷道穩(wěn)定性的數(shù)值計算模型,官地礦中六采區(qū)主采煤層力學參數(shù)見表2所示。
表2 模擬巷道圍巖力學參數(shù)
官地礦中六采區(qū)主采煤層3#煤層平均厚度3.25 m,走向 N11°~E26°,傾向 SE,3 號煤傾角18°~35°。主采煤層頂板、底板巖層賦存情況已探明,具備開采條件,3005工作面長度113 m。
運用FLAC3D模擬3005工作面巷道在地應力作用下的變形破壞特征,采用Mohr-Coulomb力學分析方法,確定3005工作面巷道屈服破壞定量大小[4-6],即:
式中:
fs-巷道屈服破壞量,mm;
σ1-巷道所受最大主應力,MPa;
σt-巷道巖層的抗拉強度,MPa;
σ3-巷道所受最小主應力,MPa;
C-巖層間的膠結力,MPa;
φ-巖石或巖體的內摩擦角,(°)。
數(shù)值計算模型大小見圖1所示,官地礦中六采區(qū)3#煤工作面跨度113 m,采掘推進長度為160 m,推進方向西向東,模擬計算力學模型上覆巖層50 m,底板巖層20 m。
圖1 巷道數(shù)值計算模型(單位:m)
官地礦中六采區(qū)3005工作面巷道擬采用兩種斷面形狀進行對比分析,兩種斷面形狀方案巷道支護模擬計算參數(shù)如下:
(1)錨桿:巷道頂板錨桿和巷道幫錨桿均采用Ф20×2000mm左旋螺紋鋼錨桿,間排距800×800mm,錨桿有效錨固長度均為800 mm。
(2)錨索:巷道頂板錨索采用Ф15.24×6300mm鋼絞線,有效錨固長度2000mm,錨索預應力托板為400×400×10mm鋼板,錨索布置采用三花布置。
(3)錨固劑:錨桿均使用兩支中速樹脂錨固劑和一支快速樹脂錨固劑;錨索均使用三支中速錨固劑和兩支快速錨固劑。
通過已知官地礦中六采區(qū)3005工作面煤巖力學特性,進行兩種方案的模擬計算,數(shù)值模擬巷道埋深200 m,巷道圍巖所處地應力及原巖應力大小均以模擬巷道埋深計算。主要模擬計算結果如圖2。
圖2 兩種方案的巷道圍巖屈服破壞圖
由圖2分析可知,兩種斷面形狀的巷道模擬圍巖破壞變形較大,且破壞范圍不是以巷道中軸線對稱分布,顯然是由于煤層賦存情況造成的,傾斜煤層對巷道的破壞穩(wěn)定性影響是非對稱的。
由圖2可知,采用直角梯形斷面時,巷道最大破壞區(qū)域在巷道頂板,破壞沿煤層傾斜方向,最大破壞范圍為2.6m,巷道左幫破壞2m,右?guī)推茐?.2m,巷道受地應力影響最小的部位為巷道地板區(qū)域,最大破壞深度為1.4m;采用拱形巷道斷面時,巷道最大破壞區(qū)域發(fā)生在巷道頂板左側,破壞深度1.5m,破壞深度基本以巷道中軸線對稱,巷道最小破壞深度發(fā)生在地板,僅有0.6m。分析可知,采用拱形斷面,可有效控制巷道圍巖的非對稱破壞,使得巷道受力較均勻,在錨桿支護范圍內頂板破壞深度同比減小48.2%。
圖3 兩種方案的巷道圍巖應力分布云圖
圖3表示官地礦中六采區(qū)3005工作面巷道的模擬兩種不同斷面形狀的巷道圍巖應力分布圖。由圖可以得出,巷道開挖,在巷道周邊形成不同程度的應力升高區(qū),這是由于開挖引起的原巖應力重新分布造成的,使得巷道周邊部分區(qū)域形成應力集中現(xiàn)象。從兩種巷道斷面的模擬圍巖應力可知,直角梯形斷面巷道最大垂直應力發(fā)生在巷道左肩角部位,其值約為22.6MPa;最小垂直應力發(fā)生在右肩角部位,其值約為8.2MPa;拱形巷道斷面最大垂直應力發(fā)生在巷道頂板錨固區(qū)上方,其值約為14.8MPa,相比梯形斷面減小約31.3%;最小垂直應力發(fā)生在拱形巷道左右拱肩部位,呈對稱分布,大小約3.6MPa,相比梯形斷面減小約54.5%。兩種方案對比分析可知,采用拱形巷道斷面使得傾斜煤層中,對非對稱力的轉移有著較好的改善作用。
圖4表示官地礦中六采區(qū)3005工作面巷道的模擬兩種不同斷面形狀的巷道圍巖位移分布圖。傾斜煤層中開挖巷道,勢必造成圍巖的變形塌落呈不規(guī)則分布,從圖中可以看出,梯形斷面最大位移變形發(fā)生在頂板中央,大小為112.5 mm;拱形巷道斷面頂板變形明顯偏于右半拱,底板變形明顯偏于左側,最大位移變形為50.3 mm,相比梯形斷面,位移變形減小55.7%,圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖4 兩種方案的巷道圍巖位移變形云圖
官地礦中六采區(qū)3#煤由于煤層傾斜造成的巷道圍巖變形破壞嚴重,錨桿支護失效,本文通過數(shù)值模擬兩種巷道斷面形狀及其支護參數(shù)對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響,得出以下結論:
(1)傾斜煤層開挖梯形巷道造成巷道圍巖呈非對稱受力,圍巖移動變形無規(guī)律,巷道肩角部位受力較大,變形破壞較大。
(2)采用拱形巷道斷面及其支護參數(shù),能有效控制巷道圍巖的非對稱變形,使得圍巖受地應力作用沿巷道中軸線對稱分布。數(shù)值模擬分析表明,采用拱形巷道斷面及其支護參數(shù),相比梯形巷道斷面及其支護參數(shù)下,巷道圍巖破壞、垂直應力、垂直位移均有所減小,同比減小分別為48.2%、31.3%和55.7%。