鄒海軍
山西錦興能源有限公司肖家洼煤礦,中國·山西 呂梁 033600
針對中國肖家洼煤礦動壓煤巷支護難題,以211304輔運平巷為工程實例,論文從巷道布置、頂板巖性、煤層傾角、支護方式等方面綜合分析復雜圍巖環(huán)境下回采巷道變形破壞因素。得出相鄰綜放工作面懸頂、頂板泥巖、煤層傾角以及巷道支護參數(shù)綜合作用是回采巷道出現(xiàn)底鼓、頂板下沉、兩幫收縮并最終導致支護失效的主要原因。通過對211304輔運平巷變形破壞原因綜合分析研究,為相似條件下的211305、211306 輔運平巷圍巖控制提供依據(jù)。
動壓;煤巷;應力;圍巖變形;支護
大跨度全煤巷道圍巖穩(wěn)定性是留煤柱放頂煤回采工藝中關鍵技術問題之一。對于單翼采區(qū)而言,一次全斷面開挖,除自身圍巖變形外,還要經(jīng)歷相鄰工作面及本工作面兩次采動影響,都可能導致巷道頂板大面積冒落、兩幫破碎、底鼓等劇烈礦壓顯現(xiàn),給回采巷道的維護帶來困難。針對211304輔運平巷支護難題,通過對巷道變形破壞因素綜合分析,基于一體化綜合控制思路,確定巷道修復支護優(yōu)化方案。
肖家洼煤礦位于山西省呂梁市興縣境內,礦井設計生產(chǎn)能力8.0Mt/a,井田面積60.4km2,可采儲量753Mt,服務年限69.8a。目前礦井正在回采8#煤11采區(qū)和13#煤21采區(qū)?;夭上锏莱霈F(xiàn)較為嚴重的礦壓顯現(xiàn)問題始于21采區(qū)211304輔運平巷。巷道凈高3.5m,凈寬5.4m,凈斷面積18.9m2,設計長度3155.5m。地面標高+1152.2~+1291.8m,井下標高+854~+907m。211304輔運平巷東鄰211303綜放工作面;西鄰13#煤層未開采區(qū)域;南鄰井田邊界;北鄰21采區(qū)輔運上山。211304輔運平巷布置如圖1所示。
圖1 211304輔運平巷布置示意圖(1:211303綜放工作面;2:211303膠運平巷;3:211304輔運平巷;4:保護煤柱)
從現(xiàn)場實際觀測情況來看,簡單地采取加強支護并不能從根本上解決巷道圍巖變形問題,必須對巷道動壓成因及傳遞規(guī)律進行分析,并采取針對性措施,這樣才能從根本上解決問題[1]。
211303綜放工作面進行大面積回采以后,采空區(qū)上覆巖層重量將向周圍支承區(qū)轉移,形成支承壓力帶。在工作面前方形成移動性支承壓力,在工作面傾斜方向形成側向支承壓力,在工作面后方形成殘余支承壓力。211303綜放工作面后方頂板能夠及時垮落,而膠運平巷上方頂板卻保持長距離懸頂,形成工作面與保護煤柱側向支承壓力的傳輸通道,211303膠運平巷與211304輔運平巷之間20m 保護煤柱賦存較大的支承壓力,使得211304輔運平巷出現(xiàn)了底鼓、頂板墜包、兩幫嚴重收縮等動壓現(xiàn)象。
工作面回采后,采空區(qū)側上覆巖體垂直于工作面推進方向的斷裂剖面如圖2所示。隨著煤層采出,直接頂隨之發(fā)生不規(guī)則的垮落下沉,與其上方的基本頂發(fā)生離層。基本頂在直接頂垮落后,發(fā)生斷裂、回轉或彎曲下沉,在采空區(qū)側形成由斷裂塊體組成的相互鉸接結構[2]。
圖2 回采巷道側向頂板破斷規(guī)律(1:211303 采空區(qū);2:20m 保護煤柱;3:211304輔運平巷;4:直接頂;5:基本頂)
保護煤柱處于懸臂下方,隨著工作面不斷向前推進,巷道懸頂長度不斷加大,較長的厚層懸臂使煤柱承擔過大的附加載荷,在應力傳遞轉移作用下相鄰回采工作面巷道圍巖變形失穩(wěn),可見懸臂塊體對于相鄰回采巷道圍巖穩(wěn)定至關重要。塊體主要包括3個基本尺寸:側向斷裂跨度D,沿工作面推進方向的懸頂長度L 和塊體的厚度h。可用式(1)進行計算:
側向懸頂長度L與側向斷裂跨度D,工作面長度S有關。采用控制變量法,在工作面長度S一定的條件下,側向懸頂長度L與側向斷裂跨度D的關系如圖3所示。
圖3 側向懸頂長度與側向斷裂跨度關系
如圖4所示,依據(jù)211303綜放工作面與211304回采巷道相對位置關系和生產(chǎn)地質條件,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型。計算模型總體尺寸為300×100×106m,模型底面固定,4個側面限制水平運動。模型以煤柱沿走向方向中點為原點布置測點,超前工作面范圍為0~50m,滯后工作面范圍為-50~0m,工作面每推進5m 記錄一次測點塑性區(qū)、垂直應力、水平應力變化情況。
圖4 數(shù)值模擬模型(1:211303綜放工作面;2:211304輔運平巷;3:測點;4:20m 保護煤柱)
20m 保護煤柱不同寬度范圍及211304輔運平巷采煤幫應力分布規(guī)律數(shù)值模擬分析結果如圖5所示。
圖5 放頂煤條件下20m 煤柱及巷道采煤幫不同高度垂直應力分布
由圖5所示,測點位于工作面前方50m范圍內時,煤柱垂直應力隨工作面的推進呈動態(tài)非線性上升趨勢。從圖中可見,工作面位于測點前方40m處時,煤柱寬度10~20m范圍垂直應力出現(xiàn)拐點下降,表明煤柱已卸壓,巷道煤柱幫開始出現(xiàn)變形。
圖6 放頂煤條件下20m 煤柱及巷道采煤幫不同高度水平應力分布
如圖6所示,煤柱內水平應力隨工作面的推進呈現(xiàn)出由慢到快、總體上升的非線性趨勢。總體來看,巷道煤柱水平應力在工作面推過測點40m后,水平應力增長速率加大,并將保持長距離高應力范圍,表明相鄰工作面推進后方40m 開始,巷道圍巖將在高水平應力作用下開始發(fā)生變形,直至破壞。
綜上分析,相鄰工作面懸頂距離過長對回采巷道維護是極為不利的,必須在懸頂造成回采巷道圍巖變形之前,及時采取強制放頂措施,切斷應力傳遞[3]。
表1 211304 工作面頂?shù)装鍘r性
3.3.1 上幫重力沿層面的分力導致上幫墻體擠入
如圖7所示,受煤層傾角影響,在巷道上幫重力沿層面的分力作用下,巷道上幫煤體始終存在向巷內移動和垮落的趨勢,在不支護的條件下上幫煤體必然要向巷道內抽冒直至一定范圍。
圖7 回采巷道上幫受力
在支護構件對巷道頂部煤體控制較好的條件下,巷道上幫容易出現(xiàn)如圖9所示的墻體擠入巷內的破壞形式,特別是在巷道頂部布置多根錨索而上幫煤體附近有弱面的條件下。在回采巷道存在弱面且支護不到位的情況下,巷道上幫也會出現(xiàn)煤體擠入的變形破壞。
3.3.2 全煤巷道四周來壓變形破壞
如圖8所示,在特厚煤層條件下,所掘巷道的頂板方向保留一定厚度的頂煤,由于煤層傾角問題,巷道底板可能留有一定量的底煤,這樣布置的回采巷道在采動影響是四周來壓,有可能錨桿支護系統(tǒng)沒有失效而巷道失效,斷面不能滿足使用要求。由于底板一般不支護,四周來壓底鼓更為突出。
圖8 沿煤層底板掘進巷道四周全面來壓
圖9 巷道上幫受力擠入巷內的破壞形式
對于211304輔運平巷,在上區(qū)段工作面回采動壓影響下,要承受比其它回采巷道更大的壓力,如圖9所示。采用與其它回采巷道相同的掘進方式與錨桿支護參數(shù),巷道維護效果會大打折扣,因此可以考慮采用破底板掘進,使巷道上幫錨桿能夠錨入到底板巖層中[4]。
(1)21采區(qū)為單翼下行開采,相鄰采掘工作面存在對采對掘問題,巷道從開掘到投入使用要經(jīng)歷掘巷蠕變,同時相鄰211303綜放工作面采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板,12.8m厚的煤層采出后,在碎脹系數(shù)1.35的條件下將影響頂板36.6m厚的巖層,211303 工作面直接頂和基本頂分別為致密堅硬的厚層砂質泥巖、粉砂巖,在保護煤柱的支承作用下,211303膠運平巷采空區(qū)形成了厚度大、跨度長的側向懸臂梁結構,在應力的轉移傳遞作用下,間接對211304輔運平巷形成側向動壓影響,使得211304輔運平巷在滯后相鄰211303綜放工作面40m 開始出現(xiàn)巷道變形破壞現(xiàn)象。這是211304輔運平巷變形破壞的采掘接替、巷道布置因素。
(2)211304輔運平巷頂煤上方存在0~4.34m厚的泥巖偽頂,遇水膨脹使得錨索失效,同時使得巷道上方頂煤形不成支撐結構,而成為支護結構的載荷,出現(xiàn)頂板離層、下沉、變形、錨索拉斷現(xiàn)象,這是211304輔運平巷變形破壞的巖性因素。
(3)受煤層傾角影響,在巷道上幫重力沿層面的分力作用下,巷道上幫煤體始終存在向巷內移動和垮落的趨勢,尤其在有弱面存在的情況下,巷道變形更加突出,因此考慮巷道破底掘進,將錨桿錨固到底板巖層中,這是211304輔運平巷變形破壞的地質因素。
(4)211304輔運平巷動壓影響期間,采用常規(guī)支護參數(shù)不能有效控制圍巖變形,錨索拉斷現(xiàn)象十分普遍,需要重新對動壓巷道支護參數(shù)進行分析研究,優(yōu)化支護參數(shù),這是211304輔運平巷變形破壞的支護合理性因素。