不同夾矸位置的沿空巷道圍巖變形規(guī)律及支護

鄧海富,張洪鋒

(1.山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司,山西 河曲 036500;2.大同煤礦集團 安全管理監(jiān)察局,山西 大同 037000)

巷道圍巖中含有夾矸將顯著改變圍巖均質(zhì)性,進而引發(fā)圍巖變形的非均勻性,使得巷道變形不協(xié)調(diào),部分區(qū)域成為結(jié)構(gòu)弱面和薄弱部位,大大增加了圍巖控制的難度[1]。由于賦存特征和巷道布置方式的不同,存在矸石在巷道圍巖中頂部、上部、中部和下部等不同位置,這種差異直接決定了圍巖中軟弱結(jié)構(gòu)面的位置和分布,加劇了巷道應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性,進而造成整個巷道的失穩(wěn)破壞。

國內(nèi)外專家對巖性均質(zhì)巷道變形規(guī)律以及控制進行了廣泛研究,而分析夾矸位置等因素對含夾矸煤層巷道的變形破壞規(guī)律及穩(wěn)定控制技術(shù)的系統(tǒng)研究較少[2]。為此,本文以含夾矸厚煤層巷道為對象,研究不同夾矸位置條件下其圍巖變形破壞機理和控制理論,為類似條件巷道的變形規(guī)律與圍巖控制提供借鑒。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦一、七、十采區(qū)煤層底板3.0 m處有一厚度0～1.55 m的炭質(zhì)泥巖夾矸層,普氏系數(shù)(f)在2.5左右,分布范圍較大,影響可采儲量4 160萬t。夾矸厚度從邊界往采區(qū)方向,從1.55 m變薄至0。

目前在10302工作面實施留小煤柱沿空掘巷,巷道沿煤層底板掘進,巷道斷面為梯形,上寬4.8 m,下寬5.4 m,高3.5 m,回采過程中該沿空側(cè)軌道順槽圍巖中有夾矸巖層,使用中出現(xiàn)大變形,嚴重影響順槽支架的正常使用,需對巷道進行擴幫處理,影響了工作面正常的安全高效生產(chǎn)。

2 夾矸位置對巷道圍巖變形的影響規(guī)律

2.1 模型建立

為研究夾矸位置對巷道穩(wěn)定性的影響,采用FlAC3D數(shù)值計算軟件進行模擬分析[3]。模型左邊界的水平方向運動固定,下邊界垂直方向運動固定,上部及右部邊界為自由邊界,模型頂部施加垂直載荷。巷道右側(cè)為采空區(qū),最終模型尺寸為220 m×59 m(水平方向×垂直方向)。巷道周圍10 m范圍內(nèi)圍巖劃分為0.2 m×0.3 m的塊體。設(shè)置采深為500 m,煤柱寬4 m,巷道斷面為梯形,巷道上寬4.8 m、下寬5.4 m,高3.9 m,夾矸厚度0.9 m,夾矸硬度系數(shù)2.5,煤體硬度系數(shù)為2.3。

模擬巷道為10303工作面軌道順槽下段,煤層厚度為7.70 m～9.30 m,平均8.65 m,煤層普氏硬度f=2.3,為軟-中等硬度煤層;傾角2°～15°,平均8°,為近水平-緩傾斜煤層。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在距頂板2.8 m發(fā)育一層厚0.03 m左右的炭質(zhì)粉砂巖夾矸,距底板3.0 m～3.2 m發(fā)育一層厚0～1.55 m的炭質(zhì)泥巖夾矸。

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬不同夾矸位置(巷道頂部、上部、中部、下部)條件下,巷道掘進期間和回采期間,圍巖的垂直應(yīng)力、塑性區(qū)分布、位移矢量及位移變化規(guī)律結(jié)果。

圖1為工作面煤體中垂直應(yīng)力分布,表1為煤柱中最大垂直應(yīng)力。由圖1、表1可知,夾矸在巷道中部和下部時對圍巖應(yīng)力分布影響較大,夾矸位置從巷道頂部變化到下部時煤體中應(yīng)力峰值點向巷道移近,圍巖應(yīng)力大小也隨之增加。煤柱中應(yīng)力普遍小于原巖應(yīng)力,掘進期間應(yīng)力集中系數(shù)為0.34～0.38,回采期間應(yīng)力集中系數(shù)為0.35～0.42,夾矸在巷道下部時煤柱中應(yīng)力最大。

圖1 工作面煤體中垂直應(yīng)力分布Fig.1 Vertical stress distribution of coal on the working face

時期煤柱垂直應(yīng)力/MPa頂部上部中部下部 掘進期間3.773.923.873.96 回采期間3.853.714.214.44

圖2為巷道圍巖塑性區(qū)分布,表2為巷道煤體側(cè)塑性區(qū)寬度。由圖2、表2可知,夾矸在巷道下部時巷道圍巖受拉剪破壞的范圍和巷道實體煤側(cè)塑性區(qū)最小,在頂部時最大。夾矸在頂部和上部時,煤柱采空區(qū)側(cè)受拉應(yīng)力破壞范圍最大,煤柱最不穩(wěn)定。夾矸在頂部時,夾矸隨頂煤一起運動,由于夾矸與煤體物理力學(xué)參數(shù)不同,煤體中應(yīng)力較大,加上二者接觸面為弱面,因此夾矸必然要向應(yīng)力較小的采空區(qū)方向運動滑動,產(chǎn)生附加水平應(yīng)力加劇煤柱失穩(wěn)變形,煤柱難以保持穩(wěn)定,所以掘巷時為減小夾矸對巷道穩(wěn)定的不利影響,要沿夾矸頂板掘進。夾矸在其他位置時,其運動受頂板活動影響較小,而且此時巷道頂板全部為煤體,比夾矸與煤體構(gòu)成的復(fù)合頂板穩(wěn)定得多,只要支護措施合理,煤柱就可以保持穩(wěn)定,從而減小巷道圍巖變形。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.2 Plastic zone distribution of surrounding rock

階段塑性區(qū)寬度/m 頂部上部中部下部 掘進期間1917.51512 回采期間20.51916.512.5

圖3為不同夾矸位置時巷道圍巖位移矢量分布圖,由圖可以看出,掘進與回采期間,實體煤幫位移矢量始終最大,巷道圍巖位移矢量都指向巷道內(nèi)部,回采期間,煤柱靠近巷道這部分煤體向巷道內(nèi)部方向運動,靠近采空區(qū)的則向采空區(qū)運動,夾矸在巷道頂部、上部、中部、下部時最大位移矢量分別為1 065 mm、1 111 mm、838 mm、745 mm。

圖3 巷道圍巖位移矢量分布圖Fig.3 Displacement vector distribution of surrounding rock in the roadway

圖4為不同夾矸位置時巷道圍巖位移情況,由圖可以看出夾矸位置從巷道頂部變化到下部時,巷道圍巖位移減小;其中夾矸位置在中部時,夾矸處圍巖運動較一致。

圖4 巷道圍巖位移量Fig.4 Displacement of surrounding rock in the roadway

綜合上述,夾矸在巷道下部時,圍巖穩(wěn)定性最好。夾矸越靠近頂板,越容易受頂煤運動的影響,從而加劇煤柱的變形,減弱了巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 巷道支護方式及現(xiàn)場實測

梯形巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護,巷道頂部采用7根樹脂錨桿、金屬網(wǎng)、錨索配合梯形鋼帶聯(lián)合支護,錨桿排距0.8 m,間距0.75 m,錨索長7.5 m,間排距1.6 m;含矸石側(cè)幫部采用6根樹脂錨桿、金屬網(wǎng)、錨索聯(lián)合支護,錨桿排距0.8 m,第1根錨桿距頂板0.2 m,往下5根錨桿間距為0.7 m;與幫部輪廓線成20°±5°布置一條錨索,從頂板往下2.0 m±0.01 m位置與幫部輪廓線垂直布置一條錨索,煤柱側(cè)錨索長5.0 m,排距都為1.6 m。

在距10303軌順與10302聯(lián)絡(luò)巷貫通點120 m處布設(shè)測站,記為1號,這一范圍內(nèi)夾矸厚度穩(wěn)定在0.1 m～0.2 m,測站滯后掘進面10 m開始間隔70 m設(shè)測站,依次編號,采用“十”字布點法觀測巷道圍巖變形[4]。

圖5為實測含夾矸巷道圍巖變形特性。

圖5 實測含夾矸巷道圍巖變形特征Fig.5 Measured deformation of surrounding rock with gangue in the roadway

由圖5可知,在距迎頭0～70 m范圍內(nèi)圍巖變形比較明顯,巷道掘進的7 d內(nèi)屬于圍巖運動活動期(按照10 m/d的掘進速度),而在80 m范圍以外

頂板下沉和兩幫移進均趨于緩慢。距頂板7.5 m處巖層最大離層量為125 mm,平均37 mm;距頂板2.5 m處離層量最大為105 mm,平均為18 mm。

該巷道的頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量都不大,屬于圍巖變形穩(wěn)定的巷道,說明巷道設(shè)計斷面和采取的支護方式以及支護參數(shù)均符合現(xiàn)場要求,較好地控制了圍巖變形。

4 結(jié)束語

1)夾矸主要是通過影響巷道圍巖的強度和整體性來影響其穩(wěn)定性。夾矸越靠近頂板,越容易受頂煤運動的影響,從而加劇煤柱的變形,減弱了巷道圍巖穩(wěn)定性。

2)針對夾矸分布特征確定沿空留巷梯形巷道頂板和巷幫采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。

3)現(xiàn)場實測說明巷道設(shè)計斷面和采取的支護方式以及支護參數(shù)均符合現(xiàn)場要求,較好地控制了圍巖變形。