傾斜煤層沿空掘巷覆巖關(guān)鍵塊穩(wěn)定性分析

曹 維

(山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤炭是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，多年開(kāi)采使煤炭賦存位置已從過(guò)去的淺部開(kāi)采逐漸轉(zhuǎn)入深部。在深井開(kāi)采條件下，高應(yīng)力、巷道流變特性更加突出，巷道變形較淺部更加劇烈，易出現(xiàn)大變形而失穩(wěn)[1-2].實(shí)際生產(chǎn)中，一般將巷道布置在臨采空區(qū)煤體的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)或遠(yuǎn)離支承應(yīng)力峰值的煤體區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)降低巷道圍巖變形的目的，然而后者通常要留設(shè)大尺寸煤柱，不僅造成資源浪費(fèi)，而且可能產(chǎn)生次生災(zāi)害。沿空掘巷經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已成為比較成熟的采煤技術(shù)，在提高煤炭采出率的同時(shí)，還能在一定程度降低巷道變形維護(hù)成本，需要注意的是，在工作面回采時(shí)，沿空巷道受覆巖關(guān)鍵塊穩(wěn)定性影響較大，而且關(guān)鍵塊的變形是沿空巷道變形的主要?jiǎng)恿υ粗籟3].

常村礦曾采用留設(shè)大煤柱的方法使巷道避開(kāi)支承應(yīng)力峰值，然而逐年開(kāi)采使礦井資源量逐漸減少，部分采面已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行孤島煤柱的回收，同時(shí)在未布置過(guò)采面的區(qū)域開(kāi)始使用沿空掘巷留窄煤柱的方式進(jìn)行采面布置。其中，在2101W工作面，采用沿空掘巷留設(shè)5 m窄煤柱的方法進(jìn)行回采，實(shí)際生產(chǎn)中，巷道在基本頂周期來(lái)壓前變形較為劇烈，其中30 d時(shí)頂板變形量達(dá)到約375 mm，煤柱幫變形量達(dá)到273 mm，實(shí)體煤幫變形量約為212 mm. 巷道圍巖變形難以維護(hù)，而巷道圍巖變形內(nèi)因是受基本頂結(jié)構(gòu)變形作用影響。因此，在沿空掘巷窄煤柱基礎(chǔ)上進(jìn)行覆巖關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究分析，為本工作面及相關(guān)工作面的安全回采提供理論依據(jù)。

1 工程概況

常村礦所采5#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩(wěn)定。該工作面平均煤層厚度5.85 m，煤層傾角16°～20°，平均18 °，煤體容重1.4 t/m3，煤層普氏硬度0.4.

2101W工作面埋藏深度為583.2～657.7 m，采用綜放開(kāi)采，其中巷道工作面機(jī)采高為3.0 m. 2101W工作面布置示意圖見(jiàn)圖1，其中沿空巷道布置在2101W工作面的回風(fēng)巷，沿空巷道斷面示意圖見(jiàn)圖2.

圖1 2101W工作面巷道布置示意圖

圖2 巷道斷面示意圖

2 覆巖關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

2.1 基本頂破斷結(jié)構(gòu)形式分析

隨著工作面推進(jìn)距離的加長(zhǎng)，上方基本頂將會(huì)發(fā)生破斷，根據(jù)斷裂位置的不同，可以將其分為3種：1) 斷裂線位于實(shí)體煤側(cè)。2) 斷裂線位于巷道上方。3) 斷裂線位于窄煤柱上方[4]，見(jiàn)圖3. 通過(guò)兩幫和頂板進(jìn)行打設(shè)鉆孔監(jiān)測(cè)，確定基本頂斷裂線位于實(shí)體煤側(cè)，如圖3a)，另外礦井實(shí)際留設(shè)窄煤柱寬度為5 m.

2.2 關(guān)鍵塊穩(wěn)定性分析

基于砌體梁結(jié)構(gòu)“S-R”穩(wěn)定理論，關(guān)鍵塊體主要有滑落失穩(wěn)和轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)兩種模式，其判別條件如下[5]：

圖3 基本頂斷裂位置示意圖

滑落失穩(wěn)：

(1)

轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)：

(2)

式中：

K1—滑落失穩(wěn)系數(shù)；

K2—轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)系數(shù)；

φ—巖塊接觸面之間的摩擦角，(°)；

η—巖塊間的接觸系數(shù)；

σJ—關(guān)鍵塊B的抗壓強(qiáng)度，MPa；

RAB—巖塊A作用于巖塊B的法向推力；

TAB—巖塊A作用于巖塊B的傾向推力。

當(dāng)K1<1且K2<1，則關(guān)鍵塊體B不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，且K1、K2數(shù)值越小，穩(wěn)定性越好；當(dāng)K1≥1時(shí)，關(guān)鍵塊B將發(fā)生滑落失穩(wěn)，同理當(dāng)K2≥1時(shí)，關(guān)鍵塊B將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。

基于文獻(xiàn)公式[2]計(jì)算TAB、RAB、RCB，巖塊A作用于巖塊B的傾向推力TAB為：

(3)

巖塊A作用于巖塊B的法向推力RAB為：

(4)

巖塊C作用于巖塊B的法向推力RCB為：

RCB=[6(hJ-h0)cosβcosθcos(α-θ)-3L2sinθ-2hJcos2(α-θ)+2L2tanθcos(α-θ)]×

(5)

其中，式(3)(4)和(5)中σM表達(dá)式如式(6)所示：

(6)

式中：

b—巷道寬度，m；

c—窄煤柱寬度，m；

θ—關(guān)鍵塊B的轉(zhuǎn)角，(°)；

β—關(guān)鍵塊B的底角，(°)；

hJ—關(guān)鍵塊B的厚度，m；

hR—關(guān)鍵塊B上方軟弱巖層的厚度，m；

h0—巖體A和巖塊C對(duì)關(guān)鍵塊B的作用位置，m；

hz—直接頂?shù)暮穸?，m；

γJ—關(guān)鍵塊B的平均容重，MN/m3；

γR—關(guān)鍵塊B上方軟弱巖層的平均容重，MN/m3；

γz—直接頂?shù)钠骄葜?，MN/m3；

σs—實(shí)煤體幫對(duì)直接頂?shù)闹С袘?yīng)力，MPa；

σm—窄煤柱幫對(duì)直接頂?shù)闹С袘?yīng)力，MPa；

σz—直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa.

基于實(shí)際工程地質(zhì)條件，取b=4 m，c=4 m，β=9°，hJ=5.05 m，hR=4.28 m，h0=0.96 m，hz=2.38 m，γJ=0.27 MN/m3，γR=0.20 MN/m3，γz=0.20 MN/m3，σs=39.10 MPa，σm=27.83 MPa，σz=2.06 MPa，σJ=76.06 MPa，φ=42°，η=0.43，聯(lián)立式(1)—(6)計(jì)算可求得K1=-0.149 4，K2=2.583 2.基于判定條件可知，由于K1<1且K2>1，因此關(guān)鍵塊B發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性較小，而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的可能性較大。依據(jù)沿空巷道實(shí)際埋深與傾角，同時(shí)依據(jù)式(1)—(6)分析在不同支護(hù)阻力下覆巖關(guān)鍵塊的變化規(guī)律，通過(guò)公式計(jì)算并整理數(shù)據(jù)，得圖4. 由圖4可知，在埋深622.7 m情況下，從初始支護(hù)阻力為0.046 MPa開(kāi)始，通過(guò)對(duì)上述對(duì)象的支護(hù)可知，實(shí)體煤幫對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)改善效果較好，其次為窄煤柱幫，最后為頂板，但當(dāng)支護(hù)阻力增大到0.142 MPa時(shí)，窄煤柱改善效果最佳，其次為頂板，最后為實(shí)體煤幫，而且支護(hù)阻力越大，窄煤柱改善效果更加明顯。

圖4 關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)系數(shù)與支護(hù)阻力的關(guān)系圖

通過(guò)對(duì)“支護(hù)阻力-轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)系數(shù)”的理論分析驗(yàn)證，基于理論分析驗(yàn)證結(jié)果，進(jìn)行巷道支護(hù)能力設(shè)計(jì)。在控制巷道圍巖時(shí)，支護(hù)阻力不應(yīng)小于0.142 MPa，實(shí)際中取0.16 MPa. 需要注意的是，原巷道支護(hù)已提供一定的支護(hù)阻力，為降低支護(hù)成本同時(shí)達(dá)到巷道圍巖變形控制的目的，因此在原有巷道支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

巷道原有支護(hù)方式采用的是錨桿索+錨網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)，具體相關(guān)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖2.為了實(shí)現(xiàn)沿空巷道覆巖穩(wěn)定，減小覆巖變形對(duì)巷道的影響，通過(guò)對(duì)圖4和工作面實(shí)際支護(hù)條件進(jìn)行分析，在原有巷道支護(hù)基礎(chǔ)上，對(duì)巷道頂板和煤柱幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，即原有幫部錨桿支護(hù)參數(shù)為d20 mm×1 800 mm，頂板錨桿支護(hù)參數(shù)d22.5 mm×2 400 mm，變更為幫部錨桿支護(hù)參數(shù)d20 mm×900 mm，頂板錨桿支護(hù)參數(shù)d22.5 mm×1 200 mm，而實(shí)體煤幫錨桿支護(hù)參數(shù)仍保持d20 mm×1 800 mm，同時(shí)保證巷道圍巖整體支護(hù)阻力設(shè)置為0.2 MPa. 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，在周期來(lái)壓前后，工作面頂板最大變形量降低到約277 mm，減小了約35.1%，煤柱幫最大變形量降低到約213 mm，變形減小27.6%，實(shí)體煤幫最大變形量降低到190 mm，變形減小11.4%，較好地實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖的控制，有效地保證了安全生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

常村礦2101W工作面采用沿空掘巷技術(shù)留設(shè)5 m窄煤柱，對(duì)沿空巷道覆巖關(guān)鍵穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1) 通過(guò)建立弧形三角塊和直接頂力學(xué)模型，同時(shí)結(jié)合“S-R”破斷理論，分析判定覆巖關(guān)鍵塊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的可能性較大。

2) 在支護(hù)阻力小于0.142 MPa時(shí)，加強(qiáng)支護(hù)實(shí)體煤幫可以有效降低覆巖關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的影響，當(dāng)支護(hù)阻力不小于0.142 MPa時(shí)，加強(qiáng)支護(hù)煤柱幫和頂板，尤其是煤柱幫可以較為顯著地降低覆巖關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的影響。

3) 通過(guò)應(yīng)用改善后的支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，在改善巷道變形上，工作面頂板變形減小15.1%，煤柱幫變形減小17.6%，實(shí)體煤幫變形減小11.4%，巷道圍巖變形控制效果較為顯著。