特厚煤層工作面過空巷強(qiáng)力墩柱支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用

田錦州

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

受煤礦產(chǎn)能整合及無序開采的影響，我國許多煤礦都存在著工作面回采過程中需穿過空巷的問題，而工作面超前支承壓力易造成空巷頂板大面積垮落，從而引發(fā)壓架、倒架等事故，嚴(yán)重影響了煤礦的安全高效生產(chǎn)[1，2]。針對(duì)這些問題，我國學(xué)者在空巷變形破壞特征、支護(hù)技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究。柏建彪等針對(duì)空巷上方的基本頂建立了 “關(guān)鍵塊”模型并計(jì)算了保持空巷“關(guān)鍵塊”穩(wěn)定所需的支護(hù)阻力[3]；王衛(wèi)軍等分析了綜放工作面過空巷時(shí)上覆巖層的活動(dòng)規(guī)律及支架的受力狀況[4]；劉暢等分析了過空巷時(shí)工作面基本頂?shù)某皵嗔蚜W(xué)機(jī)理和影響因素[5]；張自政等建立了基于綜放工作面超前采動(dòng)影響的空巷頂板力學(xué)模型，分析了空巷頂板穩(wěn)定性與支護(hù)之間的相互作用關(guān)系[6]。目前空巷支護(hù)中常采用錨桿(索)索支護(hù)、注漿加固及高水材料充填等方式[7-15]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場工程應(yīng)用相結(jié)合的方法提出了特厚煤層工作面過空巷強(qiáng)力墩柱支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，可為類似工程提供借鑒。

1 礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西柴溝煤礦主要開采5號(hào)煤層，煤層平均厚度11.3m，傾角3°，其1516工作面采用走向長壁后退式綜放采煤法，煤厚13～15m，割煤高度3.2m，其余放頂煤，工作面長度245m。工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約4m，基本頂為砂巖，平均厚度約27m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約1.2m。

工作面布置情況如圖1所示，柴溝煤礦1516工作面前方存在5條空巷，通過1號(hào)—3號(hào)空巷時(shí)采用了單體液壓支柱支護(hù)方式，在工作面過空巷過程中，頂板局部較為破碎，甚至多次出現(xiàn)漏頂，因此為保證工作面快速、安全的通過后續(xù)空巷，設(shè)計(jì)對(duì)4號(hào)空巷內(nèi)進(jìn)行了強(qiáng)力墩柱支護(hù)，以期解決柴溝煤礦特厚煤層工作面過空巷的技術(shù)難題。

圖1 工作面布置情況

2 空巷加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

根據(jù)1516工作面的具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用強(qiáng)力墩柱對(duì)空巷進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)行井下施工前先運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算有無墩柱支護(hù)時(shí)過空巷圍巖穩(wěn)定性及其變形破壞規(guī)律，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)測定強(qiáng)力墩柱的力學(xué)特性，以驗(yàn)證該技術(shù)的合理性。

2.1 模型的建立

根據(jù)工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)模型的煤巖層進(jìn)行了劃分，模型的長寬高為100m×100m×42m，選取工作面推進(jìn)方向?yàn)閄軸，工作面方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸。模型自上至下劃分為4個(gè)地層，分別為基本頂厚度27m，(粉、細(xì)砂巖)直接頂厚度4m，煤層厚度11m，開采厚度3.2m，直接底厚度5m。模型前后左右均施加水平應(yīng)力約束，邊界初始位移和加速度均為零，在模型上部施加3.0MPa的均布載荷，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型，煤巖層及墩柱的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

模型構(gòu)建完成后，具體計(jì)算分析了綜放工作面距空巷20m、10m、5m、2.5m時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)的變化規(guī)律。

2.2 空巷不同支護(hù)狀態(tài)下圍巖穩(wěn)定性分析

空巷無支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律如圖2所示，分析計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷20m時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在工作面與空巷間的煤柱中，最大應(yīng)力值為5.8MPa，且最大應(yīng)力偏向工作面?zhèn)?，工作面超前支承?yīng)力與空巷應(yīng)力形成疊加的應(yīng)力遍布整個(gè)煤柱；當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷10m時(shí)，最大應(yīng)力值增大到7.3MPa，且最大應(yīng)力位于煤柱中間；當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷5m時(shí)，工作面與空巷間煤柱的應(yīng)力降低至5MPa，說明此時(shí)煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷2.5m時(shí)，煤柱中部的應(yīng)力維持在4MPa，而其頂?shù)變啥说膽?yīng)力進(jìn)一步降至3.5MPa，說明此時(shí)煤柱的破壞進(jìn)一步加劇。由圖2(a)可知，空巷頂板的應(yīng)力集中主要產(chǎn)生在靠近煤柱側(cè)，應(yīng)力大小為1.5MPa，隨著工作面的推進(jìn)，空巷頂板的應(yīng)力集中范圍及數(shù)值逐步增大，最終頂板的一半范圍內(nèi)都出現(xiàn)了應(yīng)力集中且頂板表面應(yīng)力值出現(xiàn)降低，說明此時(shí)空巷頂板已發(fā)生了部分破壞。

圖2 空巷無支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力隨推進(jìn)距離變化規(guī)律

空巷內(nèi)采用墩柱支護(hù)時(shí)圍巖應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化規(guī)律如圖3所示，模型中的空巷內(nèi)等間距布置了兩排墩柱，分析計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷20m時(shí)，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在工作面與空巷間的煤柱中，最大應(yīng)力值為5.8MPa，由于墩柱的支撐作用，工作面超前支承應(yīng)力與空巷應(yīng)力形成疊加的應(yīng)力范圍明顯變小；當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷10m時(shí)，煤柱內(nèi)承受的最大應(yīng)力值增大到7.3MPa，最大應(yīng)力位于煤柱中間；當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷5m時(shí)，工作面與空巷間煤柱的應(yīng)力降低至3.5MPa，說明此時(shí)煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷2.5m時(shí)，煤柱中的應(yīng)力進(jìn)一步降低至2MPa；相比空巷內(nèi)無支護(hù)時(shí)，當(dāng)煤柱發(fā)生塑性破壞后，煤柱內(nèi)承受的壓力明顯降低，說明此時(shí)應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，墩柱部分承受了較大的壓應(yīng)力，在工作面推進(jìn)過程中，空巷頂板區(qū)域均未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中，應(yīng)力集中主要產(chǎn)生在巷道兩幫及墩柱內(nèi)，兩幫的應(yīng)力集中范圍及數(shù)值始終保持平穩(wěn)，墩柱內(nèi)的應(yīng)力則逐漸減小，說明此時(shí)墩柱已發(fā)生了破壞。相比無墩柱支護(hù)，此時(shí)空巷圍巖最大程度地保持了完整性，可確保工作面的順利通過。

2.3 強(qiáng)力墩柱力學(xué)特性測試

為了解強(qiáng)力墩柱的力學(xué)性能，為空巷支護(hù)提供依據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)規(guī)格為?800mm的2根墩柱進(jìn)行了大比例單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，墩柱高度均為3m，墩柱外部為套管，內(nèi)部充填材料分別為強(qiáng)度C30的混凝土及水灰比為1∶1的高水材料，墩柱制作完成并養(yǎng)護(hù)28d后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容包括極限載荷、軸向應(yīng)變及變形、徑向應(yīng)變及變形。

墩柱加載實(shí)驗(yàn)完成后，破壞都發(fā)生在墩柱頂部，高水材料及混凝土均被壓碎，外部套管開裂。大比例墩柱載荷與位移關(guān)系曲線如圖4所示，由圖4可知，?800mm混凝土墩柱最大承載能力為8400kN，強(qiáng)度達(dá)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮量為53mm，墩柱應(yīng)力變化首先呈先彈性快速增長，達(dá)到峰值后迅速下降，由于套管的約束作用，殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在2300kN，墩柱最大壓縮量可達(dá)156mm。?800mm高水墩柱最大承載能力為5100kN，強(qiáng)度達(dá)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的壓縮量為44mm，由于位移加載到88mm時(shí)出現(xiàn)偏載而停止了實(shí)驗(yàn)，其殘余強(qiáng)度穩(wěn)定在3800kN。

圖4 大比例墩柱載荷-位移關(guān)系曲線

結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算及大比例單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得出，空巷采用墩柱支護(hù)可有效降低工作面與空巷間煤柱所承受的應(yīng)力，并最大程度保持空巷頂板的完整性，墩柱自身的強(qiáng)度及可壓縮量能滿足空巷支護(hù)的需要。

3 空巷強(qiáng)力墩柱應(yīng)用效果

3.1 空巷強(qiáng)力墩柱支護(hù)方案

柴溝煤礦1516工作面4號(hào)空巷高3.2m、寬4.9m，頂板原始支護(hù)采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)，均為五花布置，排距1000mm，錨桿規(guī)格為?18mm×2200mm，錨索規(guī)格為17.8mm×8000mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行墩柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用水灰比為1∶1的高水材料制作墩柱，外加套管進(jìn)行約束，墩柱尺寸為?800mm×3200mm。在空巷中間位置沿工作面推進(jìn)方向布置兩排墩柱，墩柱間距為1100mm，排距為2000mm，整體布置設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 空巷強(qiáng)力墩柱布置(mm)

3.2 強(qiáng)力墩柱支護(hù)效果監(jiān)測

為評(píng)價(jià)工作面過空巷過程中墩柱的工作狀況，在靠近工作面?zhèn)?根墩柱的頂端安裝了壓力傳感器，編號(hào)為1#、2#、3#，分別用于監(jiān)測空巷上、中、下部墩柱的受力變化情況。

1#—3#墩柱受力變化曲線如圖6所示。當(dāng)工作面距離空巷50～60m時(shí)，1#—3#墩柱受力較小，基本無變化，3根墩柱的初期受力分別為200kN、4500kN、2200kN。隨工作面推進(jìn)，墩柱受力開始緩慢增長，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷約30m時(shí)，各墩柱受力開始急劇增長，當(dāng)工作面推進(jìn)至距空巷約15～12m時(shí)，各墩柱受力均已達(dá)到峰值，分別為5800kN、7000kN、6650kN，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)直至貫通，墩柱頂部開始發(fā)生破壞，受力明顯下降，但承載能力仍維持在3000kN以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空巷頂板的有效支撐。工作面過空巷過程中，墩柱可被采煤機(jī)輕松截割，截割后殘?jiān)S煤塊直接運(yùn)出工作面，大幅度提高了工作面通過效率，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

圖6 1#—3#墩柱受力變化曲線

4 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)空巷無支護(hù)時(shí)，隨工作面的推進(jìn)，空巷與工作面間煤柱的應(yīng)力逐漸增大至7.3MPa并最終破壞，空巷頂板的一半范圍內(nèi)都發(fā)生了破壞。當(dāng)空巷內(nèi)采用墩柱進(jìn)行支護(hù)時(shí)，煤柱內(nèi)承受疊加應(yīng)力的范圍明顯變小，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，墩柱承受了較大的壓應(yīng)力，工作面推進(jìn)過程中空巷頂板未出現(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)，最大程度的保持了完整性。

2)大比例墩柱單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，墩柱破壞都發(fā)生在其頂部，?800mm混凝土墩柱最大承載能力可達(dá)8400kN，最大壓縮量可達(dá)156mm，由于套管的約束作用，墩柱破壞后都保持了較大的殘余強(qiáng)度，墩柱的強(qiáng)度及可壓縮量能滿足空巷支護(hù)的需要。

3)現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用表明，墩柱受力先增長后下降，最大受力可達(dá)7000kN，破壞后的殘余強(qiáng)度可維持在3000kN以上，強(qiáng)力墩柱支護(hù)大幅度提高了工作面過空巷的效率，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。