礦井含泥巖夾層巷道變形機(jī)理分析

王恩博

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)，山西 大同 037000)

煤系地層的形成過程非常復(fù)雜，巖層種類繁多，形成過程中受到外部條件的影響，有時不能形成單一的巖層，而是形成多巖層互層現(xiàn)象，其中煤層中含有泥巖夾層最為常見。煤層中含有泥巖，不但會降低煤炭質(zhì)量，影響礦井的整體效益，而且對礦井巷道的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生較大的影響，含有泥巖夾層的巷道受回采的影響，往往會出現(xiàn)片幫、層位錯動、巷幫破壞嚴(yán)重等現(xiàn)象，給礦井巷道維護(hù)造成一定的困難，威脅礦井安全生產(chǎn)。

1 工程概況

某礦主采5-2煤，煤層平均厚度6.2 m，傾角1°～3°，在5-2煤層中下部存在一層軟弱的泥巖夾層，厚度50～200 mm.85203回采工作面位于該礦八盤區(qū)，工作面采用三巷布置，相鄰工作面為85201工作面。85203回風(fēng)順槽寬度為5.8 m，高度為4.4 m，其中巷道頂部采用d18 mm鋼筋托梁+鋼筋網(wǎng)片+錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)，幫部采用d18 mm鋼筋托梁+鋼塑復(fù)合網(wǎng)+玻璃鋼錨桿聯(lián)合支護(hù)。工作面回采過程中發(fā)現(xiàn)回風(fēng)順槽變形破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)了幫鼓、錯動、脫錨等現(xiàn)象。

2 夾層泥巖浸水試驗(yàn)

在85203回風(fēng)順槽泥巖夾層中鉆孔取芯，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加工成100 mm×100 mm的正方形試件，現(xiàn)場取頂板水若干，分別在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行浸水試驗(yàn)，將泥巖試件分別浸入盛有礦井水的量杯中，對浸水2 min、10 min、1 h后泥巖的變化進(jìn)行對比分析，見圖1.試件在浸水后，表面產(chǎn)生了大量的氣泡，泥巖表面迅速被水浸濕，表面粉末顆粒隨浸水時間的持續(xù)逐漸脫落，2 min后泥巖表面顆粒剝離速度明顯加快；10 min后泥巖表面顆粒剝離明顯，且試樣體積有所增加，與原始試件相比表現(xiàn)出了明顯的膨脹和崩解現(xiàn)象；浸水1 h后，可以看出試件已經(jīng)完全被破壞，全部泥化。由此可見，泥巖夾層具有較強(qiáng)的吸水性，長期處于井下潮濕環(huán)境，泥巖夾層會逐漸泥化，并完全破壞，泥巖這一特性是引起巷幫夾層泥巖以上煤體整體偏移和片幫等嚴(yán)重變形破壞的主要原因之一。

圖1 泥巖浸水試驗(yàn)圖

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立工作面開采模型，模擬回風(fēng)順槽受二次采動影響下，巷道圍巖應(yīng)力場及屈服破壞特征。模擬工作面長度為260 m，采高為6.2 m，巷道保護(hù)煤柱寬度20 m，最終建立模型尺寸長500 m×寬700 m×高100 m，模型共劃分462 650個單元，482 974個節(jié)點(diǎn)，數(shù)值模型見圖2.

圖2 數(shù)值模擬模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

受二次采動影響的回風(fēng)順槽圍巖應(yīng)力場分布圖見圖3.由圖3可以看出，受二次采動影響的85203回風(fēng)順槽超前支承壓力分布較廣，最遠(yuǎn)處達(dá)到了工作面前方120 m，超前工作面18 m附近達(dá)到了應(yīng)力峰值12 MPa，壓力系數(shù)達(dá)2.38.在回風(fēng)順槽上方頂板巖層形成了應(yīng)力集中情況，應(yīng)力最大值為8 MPa，壓力系數(shù)達(dá)1.59.應(yīng)力呈現(xiàn)單峰應(yīng)力分布，工作面回采過程中巷道將受到高應(yīng)力影響。

圖3 受二次采動影響回風(fēng)順槽應(yīng)力場分布圖

回采過程中回風(fēng)順槽屈服破壞情況見圖4.由圖4可以看出，巷道圍巖均存在不同程度的破壞，尤其在巷道兩幫變形破壞嚴(yán)重，巷道頂板主要以拉伸破壞為主，分布在巷道頂板中部及靠回采幫一側(cè)，破壞深度為1.8 m；巷道回采幫以剪切破壞為主，分布在軟弱夾層上部，最大破壞深度3 m，夾層下部破壞深度1.5 m；巷道非回采幫受到剪切和拉伸共同破壞，總體破壞較大，破壞最嚴(yán)重區(qū)位于巷道中部的夾層附近，深度為3 m.由此可見，巷道非回采幫應(yīng)作為巷道支護(hù)的重點(diǎn)。

圖4 回風(fēng)順槽圍巖屈服破壞圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，由于受相鄰工作面及本工作面回采的影響，在回風(fēng)順槽形成的超前支承壓力范圍廣、強(qiáng)度高，尤其在巷道頂板巖層中形成的高應(yīng)力將直接導(dǎo)致頂板巖層破損變形，頂板形成的高應(yīng)力向巷道幫部轉(zhuǎn)移，加之泥巖夾層完全泥化，直接導(dǎo)致了巷幫發(fā)生錯動及片幫。

由以上分析可知，現(xiàn)場對巷道進(jìn)行支護(hù)時，重點(diǎn)加強(qiáng)巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度，防止泥巖與水長時間接觸，泥巖夾層附近進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4 支護(hù)優(yōu)化及效果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，該礦5-2煤工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，具體方案：由于夾層附近塑性區(qū)達(dá)3 m，設(shè)一排長度4 m間距2 m的長錨桿加強(qiáng)支護(hù)。每2根長錨桿中間補(bǔ)一根2.4 m錨桿，配套一條橫向鋼筋梁，加強(qiáng)對夾層附近變形圍巖的整體控制。另外，對巷道內(nèi)夾層采取噴射混凝土或防滲抗裂砂漿進(jìn)行封閉。

為了驗(yàn)證含軟弱夾層巷道支護(hù)效果，對85205回風(fēng)順槽進(jìn)行了圍巖移近量監(jiān)測。在整個工作面回采期間，巷道頂板、兩幫圍巖移近量和變形速率均出現(xiàn)了大幅度減小，頂?shù)装逡平孔畲?27 mm，兩幫移近量最大148 mm，未見巷道錯動變形、明顯片幫、玻璃鋼錨桿斷裂等破壞現(xiàn)象，巷道整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，見圖5.

圖5 巷道圍巖支護(hù)效果圖

5 結(jié) 論

1)泥巖夾層的浸水試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著浸水時間的持續(xù)，泥巖表現(xiàn)出了極強(qiáng)的吸水性，以及明顯的膨脹和崩解現(xiàn)象。

2)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，由于受相鄰工作面及本工作面回采的影響，在回風(fēng)順槽形成的超前支承壓力范圍廣、強(qiáng)度高，巷道中部的夾層附近破壞最為嚴(yán)重。

3)綜合分析得到了含泥巖夾層巷道變形機(jī)理，頂板形成的高應(yīng)力向巷道幫部轉(zhuǎn)移，加之泥巖夾層完全泥化，直接導(dǎo)致了巷幫發(fā)生錯動及片幫，并給出了巷道補(bǔ)強(qiáng)方案，有效地保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。