龐龐塔礦厚煤層大斷面回采巷道圍巖控制分析

薛向澤

(霍州煤電集團呂臨能化有限公司 龐龐塔礦，山西 臨縣 033200)

隨著大型、特大型高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)與發(fā)展，中厚及厚煤層的開發(fā)已廣泛使用一次采全厚、綜放的開采方法[1]. 同時，工作面回采巷道斷面也普遍增大至12 m2以上[2]. 斷面的增大使得頂板、巷幫更易發(fā)生彎曲變形，當(dāng)?shù)V壓突增時，有誘發(fā)大范圍冒頂片幫的危險[3]. 斷面增大導(dǎo)致圍巖損傷范圍的增加，如圍巖松動圈增大，這就要求支護錨桿(索)的長度更長、強度更大、支護密度更大，造成支護成本上升[4]. 在采動影響下，若支護強度不夠，便不能有效阻止圍巖變形，導(dǎo)致圍巖在松動穩(wěn)定狀態(tài)下出現(xiàn)階段性惡化，迫使巷道空間反復(fù)維修，影響正常安全生產(chǎn)[5]. 鑒于此，針對龐龐塔礦9號煤層綜放開采回采巷道圍巖控制難的現(xiàn)狀，提出了巷道的錨桿(索)支護方案，并通過數(shù)值模擬對支護效果進行分析，為合理優(yōu)化支護參數(shù)、提高支護強度、有效控制圍巖提供參考。

1 工程概況

龐龐塔礦9號煤層埋藏平均深度400 m，平均厚度11.8 m，傾角為4°～34°，屬于緩傾斜煤層。煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中部夾3層碳質(zhì)泥巖(0.3～0.7)，煤層厚度變化不大，屬較穩(wěn)定煤層。煤層直接頂為泥質(zhì)灰?guī)r，性脆，鈣質(zhì)不均，不規(guī)則裂隙及斜交裂隙發(fā)育，大部分充填方解石，含貝殼等動物化石，分布不均，夾泥灰?guī)r薄層；基本頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，薄層狀，夾粉砂巖條帶，半堅硬，含植物碎屑化石；直接底為黑色炭質(zhì)泥巖、加亮型條帶，比重小、半堅硬，性脆，中部夾有少量黑色、半亮型煤；基本底為淺灰色細粒砂巖，中厚層狀，石英、巖屑為主，分選中等，泥質(zhì)等膠結(jié)，堅硬及半堅硬，脈狀層理，斜交裂隙發(fā)育，未充填。煤層綜合柱狀圖見圖1.

采用綜采放頂煤開采工藝，工作面采高為3.2 m，放頂煤厚度8.6 m，單向割煤，一采一放，采用單輪順序放煤方式，割煤步距0.8 m，放煤步距0.8 m. 回采巷道沿煤層底板布置，其位置關(guān)系見圖2. 其中，正巷為矩形斷面，巷道毛寬5.2 m，凈寬5.0 m，巷中毛高3.6 m，凈高3.5 m；副巷亦為矩形斷面，巷道毛寬4.5 m，凈寬4.3 m，巷中毛高3.0 m，凈高2.9 m. 巷道采用以錨桿為基礎(chǔ)支護配頂錨索補強的方式，錨桿d20 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm，錨索d17.8 mm×7.0 m，每2.5 m一組，每組2根。但支護后巷道頂板下沉嚴(yán)重，翻修量大。

圖1 煤層綜合柱狀圖

圖2 正副巷位置關(guān)系圖

2 巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬

使用FLAC2D軟件進行數(shù)值模擬。假定煤巖層的巖性各向同性、連續(xù)且均勻，暫不考慮巖體中的裂隙、斷層，巖體破壞遵循莫爾庫倫準(zhǔn)則[6]. 巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)工程概況模擬巷道的幾何尺寸。根據(jù)采深模型頂部施加10.0 MPa的均布載荷，模型左右兩側(cè)設(shè)置水平位移約束，即左右兩側(cè)邊界不發(fā)生水平移動，模型底部設(shè)置垂直和水平位移約束，即底部邊界不發(fā)生垂直和水平移動。數(shù)值模擬主要是分析工作面正、副巷在各自支護方案下的穩(wěn)定性，正巷支護方案：采用錨網(wǎng)+錨索支護，頂部選用d22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距1 000 mm；幫部選用d22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距800 mm，排距1 000 mm；頂部每2 m布置一組d21.8 mm×12.3 m錨索，一組三根，見圖3. 副巷支護方案：采用錨網(wǎng)梁+錨索支護，頂部選用d22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，幫部選用d20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距800 mm，排距1 000 mm；頂部每3.2 m布置一組d21.8 mm×12.3 m錨索，一組三根，見圖4.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖應(yīng)力分布

巷道圍巖應(yīng)力云圖分別見圖5，6. 由圖5，6可知，正巷與副巷的圍巖應(yīng)力分布基本相同，即巷道周邊分布有橫向橢圓形水平應(yīng)力降低區(qū)和豎向橢圓形垂直應(yīng)力降低區(qū)，降低區(qū)內(nèi)應(yīng)力為壓應(yīng)力，且平均水平及垂直應(yīng)力分別為2.0 MPa和3.8 MPa，分別是原巖應(yīng)力的20%和38%. 說明由于開挖擾動致使巷道圍巖出現(xiàn)一定范圍的損傷、破壞，此范圍內(nèi)巖體強度降低，承受圍巖應(yīng)力的能力弱化，呈現(xiàn)了應(yīng)力卸載現(xiàn)象，可近似認為該范圍巖體的自重及其側(cè)向壓力是巷道頂板和兩幫圍巖壓力的力源。所以，應(yīng)力降低區(qū)范圍宜是巷道的支護范圍，即巷幫與頂板的支護深度分別約為1.5 m和5.5 m，表明支護方案確定的錨桿長度(2.0～2.5 m)及錨索長度(12.3 m)可穿越支護范圍深入至圍巖的穩(wěn)定部位，使錨索的懸吊作用和錨桿的擠壓加固作用得以發(fā)揮。

表1 煤層及其頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)表

圖3 正巷支護示意圖

圖4 副巷支護示意圖

圖5 正巷圍巖應(yīng)力云圖

圖6 副巷圍巖應(yīng)力云圖

3.2 巷道圍巖位移分布

支護巷道的圍巖位移云圖見圖7，8. 由圖7，8可知水平位移主要呈弧形形態(tài)分布于巷道幫部，位移從幫深部至幫表面逐漸增大、從幫中部到幫頂?shù)捉侵饾u減小。具體看，正巷巷幫最大水平位移為20 mm，位于幫中部高1.5 m、深0.5 m的范圍，兩幫表面平均移近量30 mm；副巷巷幫最大水平位移為17 mm，位于幫中部高1.7 m、深0.9 m的范圍，兩幫表面平均移近量25 mm，表明幫錨支護對幫水平位移的控制作用明顯，這主要是由于錨桿錨固段超越煤幫圍巖損傷破碎區(qū)范圍并深入附著于穩(wěn)定煤體內(nèi)，加之配合外露端托盤的徑向約束，使得錨桿能夠有效阻止破壞巖體向巷內(nèi)的超限變形滑動。

圖7 正巷圍巖位移云圖

圖8 副巷圍巖位移云圖

巷道頂板垂直位移呈盆形分布，其在巷寬范圍的下沉量最大；巷幫垂直位移呈線性分布，由巷底角至頂角逐漸增大。對于正巷，頂板下沉量為80 mm，巷幫平均下沉量為50 mm；對于副巷，頂板下沉量為70 mm，巷幫平均下沉量為40 mm. 顯然，由于是厚煤層沿底板巷道，巷道頂煤強度低、厚度大，頂板采用錨桿+錨索支護后，其下沉量對巷道的正常使用不構(gòu)成顯著影響，說明合理的錨桿參數(shù)使得頂板內(nèi)形成一定強度、一定厚度的擠壓加固拱，強化了淺部頂板的抗載能力，初步阻斷頂板因風(fēng)化、蠕變及采動等因素造成的圍巖強度持續(xù)惡化或突變失穩(wěn)，當(dāng)然，由于頂板軟厚，必須錨索補強，即將頂板的軟弱煤層通過錨索懸吊于堅硬的基本頂上，強化了頂板煤層的組合梁效應(yīng)，同時錨索支護承擔(dān)了部分冒落拱引起的圍巖壓力，令其傳導(dǎo)至幫上的壓力降低。

總體看，支護可降低巷道變形量，但不會顯著影響變形的分布狀態(tài)，原因是巷道開挖對厚煤體的擾動有限，可等效為小孔無限大巖體模型，在這種巖體中施工空間的圍巖變形分布主要由煤體力學(xué)特性決定。工程中認為巖體力學(xué)特性是不發(fā)生變化的，所以位移分布形態(tài)基本恒定。

3.3 巷道圍巖損傷與支護物受力

正、副巷圍巖損傷形態(tài)見圖9，10. 損傷范圍主要位于巷道頂?shù)捉羌皟蓭?，呈“蝶”形分布，主要損傷形式為剪切塑性損傷。正巷兩幫各分布有4 m2損傷范圍，深度2 m，左側(cè)頂角和底角損傷面積分別為12 m2和7 m2，深度均為3 m，頂板右側(cè)上方有3 m2損傷區(qū)；副巷左右?guī)蛽p傷面積分別為1 m2和5 m2，深度分別為1 m和2 m，左頂角分布有面積4 m2、深度2 m的損傷區(qū)，底板分布有4 m2、深度1 m的損傷區(qū)。對比發(fā)現(xiàn)，在兩巷支護密度及支護強度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，正巷圍巖的損傷面積及深度總體大于副巷，這主要是由于正巷開挖斷面大于副巷所致，因為圍巖損傷范圍與巷道斷面成正相關(guān)。此外，兩巷頂板的損傷很少，體現(xiàn)出較好的完整性，結(jié)合支護錨桿(錨索)的受力圖，見圖11，12，發(fā)現(xiàn)巷道頂板錨桿受到的軸向力明顯小于幫部錨桿，而頂板錨索受到的軸向力卻十分顯著，顯示巷道圍巖的控制主要是由頂錨索和幫錨桿來承擔(dān)的。具體看，錨索受到軸向拉力，軸力在索體中部最大，沿索體向兩端逐漸減小。正、副巷的錨索最大拉軸力分別達到0.768 kN和0.997 kN；幫錨桿亦受到軸向拉力，軸力在托盤緊固端附近最大，沿桿體向錨固端逐漸減小，顯示錨桿(索)受力未超過各自承載能力。模擬結(jié)果說明錨索支護有效地改善了頂板圍巖的受力狀態(tài)，使頂板出現(xiàn)倒拱形的巖體完整區(qū)，保證了頂板的穩(wěn)定性，并且阻止了損傷沿頂角方向的擴展延伸，協(xié)同幫錨控制巷幫。該支護方案每排使用了3根錨索，多于常規(guī)巷道的一根或兩根，證明通過增加錨索數(shù)量提升軟弱巖體的抗壓剪強度對于厚煤層煤巷圍巖控制是一個有效途徑。

圖9 正巷圍巖損傷形態(tài)圖

圖10 副巷圍巖損傷形態(tài)圖

圖11 正巷錨桿錨索軸力分布圖

圖12 副巷錨桿錨索軸力分布圖

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬對龐龐塔礦9號煤層正、副巷錨桿+錨索的圍巖控制效果進行分析，得到厚煤層回采巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律、位移分布情況、損傷區(qū)范圍以及錨桿(索)軸力分布，顯示支護后的巷道圍巖在幫1.5 m、頂5.5 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，巷幫移近量25～30 mm，頂板下沉量70～80 mm，圍巖破壞深度約2.0 m，錨桿(索)承載能力良好，表明提出的支護方案有效地利用了應(yīng)力卸載區(qū)的力學(xué)特征，使巷道表面收斂量處于合理區(qū)間，顯著地減小了圍巖損傷區(qū)面積，特別是令巷道頂板呈現(xiàn)出完整巖體特性，保證了巷道的穩(wěn)定性，使其符合生產(chǎn)使用要求。