淺埋煤層掘進(jìn)工作面合理空頂距研究*

霍軍鵬，白銘波

(陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719316)

0 引言

目前，國內(nèi)外對(duì)于淺埋煤層號(hào)的相關(guān)研究主要集中在所考察礦區(qū)的頂板圍巖及其活動(dòng)規(guī)律，并且建立力學(xué)模型，根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)理論進(jìn)行分析[1]。在巷道掘進(jìn)工藝中，空頂距離的大小對(duì)巷道掘進(jìn)工作的安全與生產(chǎn)效率影響很大[2-4]?？枕斁嘈。m然可以保證安全，但造成掘進(jìn)作業(yè)與支護(hù)作業(yè)交替頻繁，影響生產(chǎn)效率；空頂距大，可以減少交替作業(yè)次數(shù)，有助于組織生產(chǎn)，提高工作效率，但隨之帶來的冒頂隱患風(fēng)險(xiǎn)增大，掘進(jìn)人員的生命安全將受到嚴(yán)重的影響[5]。因此，在確保安全生產(chǎn)的情況下，確定一個(gè)空頂距離的合理尺寸就顯得尤其重要。對(duì)于巷道的掘進(jìn)，空頂距造成的生產(chǎn)效率與安全之間的矛盾顯得很突出[6-8]。隨著韓家灣煤礦開采范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，控頂距問題將日顯突出，成為韓家灣煤礦高產(chǎn)高效與安全生產(chǎn)的主要制約因素，給礦區(qū)可持續(xù)健康發(fā)展帶來極為不利的影響。

在綜合考慮韓家灣3-1煤層巷道圍巖條件和掘進(jìn)安全的前提下，確定合理的掘進(jìn)空頂距離是實(shí)現(xiàn)巷道安全快速掘進(jìn)的有效途徑[9]。目前，韓家灣煤礦井下掘進(jìn)施工時(shí)如何合理的確定掘進(jìn)工作面的控頂距，成為掘進(jìn)期間的難題，采用工程類比和現(xiàn)場(chǎng)摸索試驗(yàn)的方式確定巷道最大空頂距離存在很大的盲目性[10]。故此，選取適用于淺埋煤層的薄板理論建立數(shù)學(xué)模型，采用相關(guān)力學(xué)模型和模擬計(jì)算進(jìn)行綜合分析，以確定現(xiàn)場(chǎng)最佳的控頂距。

1 工程概況

韓家灣煤礦3304工作面皮帶巷與輔運(yùn)巷同時(shí)掘進(jìn)，與3303輔運(yùn)巷形成3304工作面，地面標(biāo)高+1 295～+1 332 m，頂板標(biāo)高+1 147～+1 175 m。3304皮帶巷開掘進(jìn)尺寸5 m×2.8 m(寬×高)，斷面面積14 m2，巷道凈尺寸5 m×2.7 m(寬×高)，斷面面積13.5 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 391 m。3304輔運(yùn)巷掘進(jìn)尺寸5 m×2.9 m(寬×高)，斷面積14.5 m2，巷道凈尺寸5 m×2.75 m(寬×高)，斷面積13.8 m2，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 393.7 m。

3304掘進(jìn)工作面煤層頂板以直接頂為主，直接頂巖性為泥巖，平均厚度約2.93 m；老頂為淺灰色的細(xì)粒粉砂巖，夾泥巖薄層。煤層底板為灰色粉砂巖，厚度約8.3 m。頂板巖層在未遇水及風(fēng)化情況下具有一定自承能力和保護(hù)頂板巖層塌落的能力。

2 泥巖軟弱頂板空頂距理論分析

巷道開挖后頂板應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，淺部圍巖由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)，圍巖承載能力降低，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過極限強(qiáng)度后，圍巖便逐漸破壞，應(yīng)力亦向深部轉(zhuǎn)移。由此可見，圍巖是由淺至深逐漸發(fā)生破壞，掘巷后短時(shí)間內(nèi)主要淺部圍巖(可看作直接頂)的破壞。同時(shí)臨時(shí)支護(hù)的作用主要是防止空頂區(qū)冒頂以及直接頂過大下沉，對(duì)深部圍巖的控制作用較小，因此，直接頂是掘巷期間空頂區(qū)頂板圍巖控制的關(guān)鍵。為此，建立空頂區(qū)直接頂穩(wěn)定性分析力學(xué)模型，對(duì)確定韓家灣煤礦合理空頂距有著重要意義。當(dāng)巷道跨度一定時(shí)，最大空頂距取決于懸露頂板在巷道掘進(jìn)方向上的最大可穩(wěn)定長(zhǎng)度。因此韓家灣煤礦3304工作面皮帶巷和輔運(yùn)巷可以簡(jiǎn)化為同一力學(xué)模型。從力學(xué)角度看，韓家灣煤礦巷道泥巖直接頂相當(dāng)于矩形薄板。在求解薄板彎曲問題時(shí)，位移分量均可表示為撓度的函數(shù)。從而位移作為基本未知量(即位移法)來求解有明顯的優(yōu)點(diǎn)。將巷道頂板看作三邊固支，一邊簡(jiǎn)支的板。巷道跨度為a，掘進(jìn)方向未支護(hù)長(zhǎng)度為b，頂板厚度為h，如圖1所示。

圖1 韓家灣巷道頂板力學(xué)模型

通過有關(guān)板的理論，在均布荷載q的作用下，根據(jù)關(guān)于薄板的理論，在均布荷載的作用下，板內(nèi)的應(yīng)力分布見式(1)

(1)

設(shè)巷道頂板的極限抗拉強(qiáng)度為[σt]，頂板即將破壞將參數(shù)代入上式，最終可以得到最大空頂距b。

(2)

式中，q為頂板所受載荷，MPa；a為巷道寬度，m；h為頂板下位巖層厚度，m；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；b為空頂距，m。

(3)

式中，B為實(shí)際最大空頂距，m；k為安全系數(shù)。

根據(jù)韓家灣煤礦頂板巖性分析結(jié)果，煤層直接頂主要為細(xì)粒砂巖和泥巖組成，這2層巖層所承受的載荷主要以其自身重量和其以板結(jié)構(gòu)所承受的上覆巖層傳遞載荷，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查取樣，泥巖分布不均呈逐漸減小趨勢(shì)，在考慮到巖石巖性及地質(zhì)構(gòu)造并在保證安全的情況下，取泥巖均厚為0.7 m，細(xì)粒砂巖均厚為3.3 m。則根據(jù)載荷公式可得

q=γh=0.7×20+3.3×26=0.10 MPa

試驗(yàn)得其抗拉強(qiáng)度δt=1.75 MPa。將載荷和抗拉強(qiáng)度的值代入式(2)可得空頂距b為10.08 m。需要注意的是，上述結(jié)果是在理想化條件下獲得的，且認(rèn)為巷道兩幫對(duì)頂板提供了足夠的支撐。實(shí)際上，巷道兩幫煤壁的穩(wěn)定情況是影響空頂范圍內(nèi)人員安全的另一個(gè)不可忽視的重要因素，工程上合理的空頂距還應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工中煤壁的穩(wěn)定情況確定安全系數(shù)。綜合考慮各項(xiàng)因素，如果安全系數(shù)定為1.3，則空頂距為7.75 m；如果安全系數(shù)定為1.4，則空頂距為7.2 m。在巷道實(shí)際施工過程中，如遇到煤層較為破碎或構(gòu)造明顯等情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)縮小最大空頂距。

3 空頂數(shù)值模擬及工程實(shí)踐分析

為了避免現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所帶來的危險(xiǎn)性，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)掘進(jìn)巷道空頂距進(jìn)行模擬分析，分析在不同空頂距條件下的巷道圍巖力學(xué)參數(shù)變化形態(tài)及圍巖運(yùn)移規(guī)律，從而對(duì)比得出最優(yōu)的空頂距離。

3.1 模擬方案的建立

根據(jù)理論分析，巷道掘進(jìn)后，由于頂板有較好的支撐效果，可以空頂作業(yè)7.2 m后進(jìn)行支護(hù)，故此，在該數(shù)值模擬中先對(duì)巷道進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的支護(hù)，再進(jìn)行分次開挖，分別以4 m、6 m、7.5 m、8.5 m為空頂距并布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，研究頂板和幫部的應(yīng)力和位移情況。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 空頂距為4 m的模擬結(jié)果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖2所示。巷道開挖后由于沒有施加任何支護(hù)，巷道淺部圍巖切向荷載迅速增加并超過圍巖抗壓強(qiáng)度而發(fā)生破壞，圍巖向巷道空間內(nèi)鼓出。監(jiān)測(cè)點(diǎn)巷道圍巖位移量呈線性增加直至平緩穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量極值分別為頂板22 mm、左幫14 mm、右?guī)?3 mm。當(dāng)空頂2 m時(shí)頂板和兩幫位移較小，且在安全范圍內(nèi)，故可繼續(xù)掘進(jìn)并延遲支護(hù)。

3.2.2 空頂距為6 m的模擬結(jié)果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖3所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量極值分別為頂板27 mm、左幫14 mm、右?guī)?3 mm。當(dāng)空頂4 m時(shí)頂板和兩幫位移較小，且在安全范圍內(nèi)，故可繼續(xù)掘進(jìn)并延遲支護(hù)。

圖3 空頂6 m時(shí)巷道圍巖位移云圖

3.2.3 空頂距為7.5 m的模擬結(jié)果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖4所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量極值分別為頂板32 mm、左幫20 mm、右?guī)?9 mm。當(dāng)空頂7.5 m時(shí)頂板和兩幫位移較小，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定。

圖4 空頂7.5 m時(shí)巷道圍巖位移云圖

3.2.4 空頂距為8.5 m的模擬結(jié)果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖5所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律曲線如圖6所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量極值分別為頂板38 mm，左幫22 mm，右?guī)?2 mm。當(dāng)空頂8.5 m時(shí)巷道頂板和兩幫均產(chǎn)生明顯的位移變化，頂板最大下沉量達(dá)到53 mm，兩幫移近量達(dá)到26 mm，巷道圍巖應(yīng)力過大，增加了施工的危險(xiǎn)性。因此，在理想狀態(tài)模擬下，應(yīng)選7.5 m作為巷道的安全最大空頂距。

圖5 空頂8.5 m時(shí)巷道圍巖位移云圖

圖6 不同空頂距的頂?shù)装逡平?/p>

3.3 工程實(shí)踐

根據(jù)理論模擬計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果，韓家灣煤礦選取的空頂距為7.2 m，實(shí)際掘進(jìn)中以7.2 m為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行支護(hù)，每班進(jìn)行2個(gè)循環(huán)，掘進(jìn)速度約為2.2～2.5 m/h。在巷道掘進(jìn)過程中通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3304工作面試驗(yàn)段巷道圍巖變形進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)測(cè)試段中部變形量大于兩側(cè)，巷道頂?shù)装遄畲笠平吭?4 mm左右，兩幫移近量基本相同，完全滿足安全生產(chǎn)需要，證明了7.2 m空頂距的安全可行性。

4 結(jié)論

(1)通過分析韓家灣3304掘進(jìn)工作面的覆巖結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，對(duì)工作面頂板巖性進(jìn)行分析得出其直接頂主要由細(xì)粒砂巖和泥巖結(jié)構(gòu)組成，直接頂厚度約為2.93 m，并且泥巖分布不均呈逐漸減小趨勢(shì)，具有一定的自承能力和保護(hù)頂板巖層塌落的能力。

(2)運(yùn)用薄板理論建立力學(xué)模型，計(jì)算出韓家灣煤礦3-1煤空頂距的解析值，結(jié)合3304掘進(jìn)巷道圍巖的基本參數(shù)計(jì)算出理論空頂距為10.08 m，安全系數(shù)取1.4時(shí)，安全空頂距離為7.2 m。

(3)數(shù)值模擬研究得出在4 m、6 m空頂距下，巷道圍巖穩(wěn)定；在7.5 m空頂距下，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定；在8.5 m空頂距下，巷道圍巖位移過大，增加了施工的危險(xiǎn)性。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)表明，在施工過程中巷道頂?shù)装逡平枯^小，兩幫移近量也比較小。結(jié)合韓家灣3-1號(hào)煤巷道施工實(shí)踐，證明了7.2 m空頂距的安全可行性。因此，綜合分析選取較小值7.2 m作為巷道的安全最大空頂距。