近距離采空區(qū)下巷道圍巖非對(duì)稱性變形破壞特征及控制技術(shù)

董永占

(北京京煤集團(tuán)，北京 102300)

我國(guó)煤礦開采廣泛采用長(zhǎng)壁體系采煤法，長(zhǎng)壁工作面回采后將會(huì)留下區(qū)段煤柱，上覆巖層重量通過區(qū)段煤柱傳遞至底板并在底板內(nèi)形成支承壓力帶[1，2]，多煤層開采時(shí)巷道應(yīng)當(dāng)避免布置在應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)。然而有些巷道不可避免地布置在煤柱下方高應(yīng)力集中區(qū)，受上分層區(qū)段煤柱在下分層產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境的影響，巷道變形嚴(yán)重且呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性特征，而大多此類巷道沿用了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的對(duì)稱支護(hù)的支護(hù)方法，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)巷道的非對(duì)稱變形，最終巷道由于局部變形過大而造成支護(hù)失效，不利于巷道的正常使用和礦井的安全生產(chǎn)[3-7]。

高家梁煤礦20307工作面受上煤層及本煤層相鄰采空區(qū)的影響，巷道變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性特征，原支護(hù)方式支護(hù)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)巷道的非對(duì)稱變形，導(dǎo)致圍巖條件惡化甚至引發(fā)局部冒頂事故，影響了巷道的正常使用。因此，本文開展近距離采空區(qū)下巷道圍巖非對(duì)稱性變形破壞特征及控制技術(shù)的研究，提出針對(duì)性的支護(hù)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 運(yùn)輸巷圍巖變形特征

1.1 地質(zhì)條件

高家梁煤礦20307工作面開采2-2中煤層，采場(chǎng)中部上方為20107工作面采空區(qū)，采場(chǎng)位于2中輔運(yùn)大巷(大巷東翼)內(nèi)傾斜上方煤層，20306工作面采空區(qū)位于采場(chǎng)左側(cè)(NW)，未采的20308工作面位于右側(cè)(NE)。工作面傾角2°～4°，平均厚度3.5m，埋深為129～221m。工作面直接頂為3.0～5.0m的砂質(zhì)泥巖，基本頂厚為7.5～10.8m的粗、細(xì)粒砂巖；直接底為厚11.3～30m的泥質(zhì)砂巖。

1.2 原支護(hù)方案

20307巷道為矩形斷面，凈斷面規(guī)格(寬×高)為5.2m×3.0m。原支護(hù)方案見表1。

表1 巷道原支護(hù)方案

1.3 巷道圍巖非對(duì)稱性變形破壞特征

通過對(duì)20307工作面運(yùn)輸巷表面變形現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)錨桿(索)破壞結(jié)果分析可知，該工作面巷道圍巖非對(duì)稱性變形破壞具有以下特征：

1)巷道頂板頂?shù)装逡平俣瓤?，掘進(jìn)后兩天頂?shù)装逡平窟_(dá)到40mm，并隨著時(shí)間推移逐漸減小，底鼓比較明顯；此外，頂板出現(xiàn)非對(duì)稱性下沉，即偏向煤柱側(cè)頂板鋼帶(網(wǎng))形成“鼓兜”，主要表現(xiàn)在鋼帶折曲變形，且易被錨桿托盤壓穿撕裂，造成鋼帶的失效。

2)通過幫部多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)幫2.0m范圍內(nèi)煤體變形嚴(yán)重，而煤柱側(cè)3.0m范圍內(nèi)煤體具有向巷內(nèi)移動(dòng)趨勢(shì)。此外，巷道兩幫出現(xiàn)非對(duì)稱性變形破壞(即煤柱側(cè)巷道變形明顯大于生產(chǎn)幫)，主要表現(xiàn)為煤柱側(cè)巷煤體沿著層理面滑移，局部形成“鼓肚”變形，錨桿擠出失效等現(xiàn)象。

3)巷道累計(jì)變形量較大，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量可達(dá)800mm，兩幫累計(jì)移近量能到900mm左右。在距迎頭后方40m、80m和120m處，根據(jù)鉆孔電視觀測(cè)到的頂板巖層破裂情況可知，頂板上方1.7m范圍內(nèi)巖層破壞裂隙發(fā)育，破壞范圍已發(fā)育到頂板錨桿錨固端。

1.4 巷道支護(hù)材料破壞特征

1.4.1 錨桿(索)失效情況

在21307巷道距迎頭50m范圍內(nèi)，對(duì)頂板和兩幫錨桿工作狀態(tài)抽樣調(diào)查。對(duì)于頂板錨桿而言，斷裂失效現(xiàn)象多發(fā)生靠近巷道兩肩處，其中頂板左側(cè)第二根錨桿斷裂共14處，頂板右側(cè)第二根錨桿斷裂失效共9處，且多以錨桿尾部螺紋段拉伸破斷和自由端的拉剪破壞為主，如圖1所示。此外，頂板少數(shù)錨索出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象，且時(shí)常出現(xiàn)錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象，其原因是頂板離層裂紋已發(fā)育到錨索錨固段，降低了錨固力。

圖1 頂板錨桿斷裂破壞形態(tài)

對(duì)于幫錨桿而言，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)200m范圍內(nèi)巷道，煤柱側(cè)巷幫錨桿破斷155處，且149處是頂板靠近巷道肩角處，以錨桿桿體的拉剪破壞為主。分析發(fā)現(xiàn)，上層煤遺留煤柱在其底板(也就是巷道煤柱側(cè))易產(chǎn)生高應(yīng)力集中，巷道煤體發(fā)生擠壓變形，導(dǎo)致錨桿拉斷現(xiàn)象明顯。兩幫采用Φ16mm、Q235的圓鋼錨桿，且施加的預(yù)緊力很小，不能很好地控制兩幫的移動(dòng)。

1.4.2 鋼帶破壞失效特征

工作面兩條巷道均出現(xiàn)比較嚴(yán)重的鋼帶彎曲變形以及撕裂的現(xiàn)象，特別是在井下發(fā)現(xiàn)了大量由于錨桿托盤擠壓鋼帶導(dǎo)致鋼帶被壓穿撕裂的現(xiàn)象。其原因是頂板出現(xiàn)非對(duì)稱性變形，煤柱側(cè)“鼓兜”現(xiàn)象明顯，鋼帶折曲變形，造成鋼帶被壓穿撕裂。

2 巷道圍巖變形分析

1)錨桿(索)預(yù)緊力矩較低。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，頂錨桿扭矩為120N·m，幫錨桿扭矩為50N·m，錨索預(yù)緊力僅為100kN，均低于合理的錨桿(索)預(yù)緊力。在這種情況下，巷道在掘進(jìn)之后頂板沒有得到有效地控制，離層和滑動(dòng)就不可避免，使錨桿承受過大的上部圍巖的重量，再加上圍巖水平位移造成的剪切作用，很容易使錨桿、錨索斷裂失效。

2)現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)不合理。從鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果可知，頂板上方4.2m范圍內(nèi)巖層離層裂隙發(fā)育，原支護(hù)方案中，錨桿長(zhǎng)度為1700mm，錨索長(zhǎng)度為4200mm，裂隙破壞范圍已發(fā)育到頂板錨桿錨固端，錨索的錨固范圍也在離層范圍內(nèi)，導(dǎo)致錨固強(qiáng)度降低，引起支護(hù)失效。

3)未對(duì)非對(duì)稱變形破壞巷道采取針對(duì)性支護(hù)。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及宏觀破壞現(xiàn)象可知，偏向煤柱側(cè)頂板鋼帶(網(wǎng))形成“鼓兜”，煤柱側(cè)巷道變形量明顯大于回采側(cè)。而目前沿用了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)致錨桿受力不均勻，頂板出現(xiàn)非對(duì)稱性下沉，煤柱側(cè)巷道變形明顯大于生產(chǎn)幫，支護(hù)未能有效地控制巷道圍巖變形。

3 20307運(yùn)輸巷支護(hù)優(yōu)化

3.1 巷道非對(duì)稱控制機(jī)理分析

非對(duì)稱控制的機(jī)理就是對(duì)巷道圍巖中的易變形破壞的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)或局部弱化，改善易碎結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能與局部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減小局部結(jié)構(gòu)體的變形，有效地控制大變形易破碎結(jié)構(gòu)體的位移，避免巷道局部圍巖的失穩(wěn)和過早破壞，從而避免因此而產(chǎn)生的巷道圍巖的整體破壞與失穩(wěn)。

3.2 支護(hù)形式初步設(shè)計(jì)

根據(jù)高家梁煤礦20307工作面巷道圍巖變形特征，可知巷道變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性。同時(shí)根據(jù)巷道支護(hù)材料破壞特征，可知錨桿(索)支護(hù)參數(shù)不合理。結(jié)合巷道非對(duì)稱控制機(jī)理，初步確定20307工作面運(yùn)輸巷采用非對(duì)稱支護(hù)，煤柱側(cè)幫部采用圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，回采側(cè)幫部完好時(shí)不支護(hù)，若幫部裂隙發(fā)育、有片幫危險(xiǎn)時(shí)采用玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。選擇合理的支護(hù)參數(shù)，確保錨桿(索)的錨固效果。

3.3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)20307運(yùn)輸巷實(shí)際情況確定支護(hù)參數(shù)，具體巷道支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 巷道支護(hù)優(yōu)化參數(shù)

回采側(cè)幫部完好時(shí)可不進(jìn)行支護(hù)，若幫部裂隙發(fā)育、有片幫危險(xiǎn)時(shí)則采用玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)；煤柱側(cè)幫部采用圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)。巷道具體支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)斷面圖(mm)

4 20307運(yùn)輸巷支護(hù)優(yōu)化效果分析

4.1 支護(hù)優(yōu)化效果模擬分析

依據(jù)高家梁煤礦20307工作面工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，根據(jù)優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)效果模擬分析。20307工作面煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表3。

表3 煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。模擬結(jié)果顯示，巷道圍巖位移分布勻稱。煤柱側(cè)幫部最大位移量為19.1mm，回采側(cè)幫部最大位移量為17.9mm，水平位移勻稱出現(xiàn)在兩幫，并且最大應(yīng)盡量位于巷道兩幫中部靠上的位置；垂直位移存在于巷道頂板，巷道頂板最大下沉量為40.0mm，下沉量最大位置位于頂板中部，說明圍巖非對(duì)稱支護(hù)改善了巷道圍巖的力學(xué)性能和局部圍巖應(yīng)力狀態(tài)，避免了巷道局部圍巖的失穩(wěn)和過早破壞，有效地控制住了巷道圍巖的非對(duì)稱變形。

圖3 數(shù)值模擬巷道圍巖位移云圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為檢驗(yàn)本次支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性，在20307工作面運(yùn)輸巷內(nèi)實(shí)施了非對(duì)稱變形巷道支護(hù)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了巷道表面位移監(jiān)測(cè)，得到隨掘進(jìn)面推進(jìn)時(shí)間的頂板及兩幫表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 20307工作面運(yùn)輸巷圍巖表面位移變化曲線

從圖4中可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)至觀測(cè)斷面18d后，頂板及兩幫變形量趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂板最大位移量為32.4mm，煤柱側(cè)幫部位移量為19.6mm，回采側(cè)幫部位移量為17.3mm。觀測(cè)結(jié)果顯示，巷道圍巖累計(jì)變形量較小，巷道兩幫未出現(xiàn)非對(duì)稱性變形，與數(shù)值模擬結(jié)果所得到的數(shù)據(jù)基本相同，巷道圍巖控制效果良好。

5 結(jié) 論

1)通過對(duì)20307工作面運(yùn)輸巷地質(zhì)條件、表面變形監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)錨桿(索)破壞結(jié)果的分析，找出了原支護(hù)方案下巷道圍巖變形的原因。

2)根據(jù)20307工作面運(yùn)輸巷圍巖變形特征，結(jié)合巷道非對(duì)稱控制機(jī)理，提出非對(duì)稱變形巷道支護(hù)優(yōu)化方案，確定支護(hù)參數(shù)。

3)為了驗(yàn)證非對(duì)稱變形巷道支護(hù)優(yōu)化效果，對(duì)20307運(yùn)輸巷非對(duì)稱支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，展開現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，采用非對(duì)稱支護(hù)優(yōu)化后，頂板最大下沉量為32.4mm，煤柱側(cè)幫部位移量為19.6mm，回采側(cè)幫部位移量為17.3mm，有效地控制了巷道圍巖非對(duì)稱變形。