分層開(kāi)采窄煤柱巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及控制技術(shù)研究

王志強(qiáng)，田 野，劉吟蒼，王 鵬，于 峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.西安科技大學(xué) 西部煤炭綠色開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 共伴生能源精準(zhǔn)開(kāi)采北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭安全開(kāi)采與地質(zhì)保障國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京 100083)

傾斜分層下行垮落采煤法是厚煤層開(kāi)采的重要方式之一[1]。該采煤法布置中下分層回采巷道一般有三種方式：內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式和重疊式。重疊式布置上下區(qū)段煤柱保持一致，煤炭損失量較小，但由于煤柱多次受到回采擾動(dòng)，使得下分層巷道維護(hù)困難，以往在煤礦中運(yùn)用較少。

隨著近年來(lái)，窄煤柱護(hù)巷在我國(guó)取得了一系列的成果，眾多學(xué)者對(duì)于采動(dòng)影響圍巖控制問(wèn)題，進(jìn)行了大量的研究。張?jiān)琜2]等分析表明由支護(hù)結(jié)構(gòu)和煤柱共同組成小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是造成巷道失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。張洪偉[3]等認(rèn)為非充分穩(wěn)定覆巖運(yùn)動(dòng)是影響巷道發(fā)生變形失穩(wěn)的關(guān)鍵因素；楊科[4]等針對(duì)窄煤柱在二次采動(dòng)作用下圍巖的演化特征，得出圍巖應(yīng)力分布的差異性和分區(qū)演化是造成巷道變形的重要原因。王衛(wèi)軍[5]通過(guò)對(duì)比分析塑性區(qū)均勻擴(kuò)展和惡性擴(kuò)展對(duì)巷道變形的影響，得出控制塑性區(qū)的惡性擴(kuò)展是維護(hù)圍巖穩(wěn)定的有效因素。李學(xué)華[6]等通過(guò)對(duì)窄煤柱經(jīng)典案例的分析，得出錨 桿可以對(duì)淺部圍巖進(jìn)行強(qiáng)化，提供一定的側(cè)向約束力?？导t普[7]等提出高預(yù)緊力高強(qiáng)度錨桿索支護(hù)可以顯著降低圍巖變形。

針對(duì)老公營(yíng)子煤礦5#煤層分層開(kāi)采重疊布巷，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，分析中下分層回采造成覆巖的運(yùn)動(dòng)對(duì)于煤柱變形的破壞的影響、巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)及應(yīng)力分布規(guī)律，揭示分層開(kāi)采窄煤柱巷道變形機(jī)理，并針對(duì)中下分層接續(xù)工作面回采巷道失穩(wěn)嚴(yán)重的問(wèn)題，提出相應(yīng)的支護(hù)方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，為同類型巷道支護(hù)提供借鑒。

1 地質(zhì)生產(chǎn)條件

老公營(yíng)子煤礦5#煤層平均厚度14.2m，煤類為褐煤，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，矸石巖性以泥巖、粉砂巖為主，局部可見(jiàn)炭質(zhì)泥巖；頂板以泥巖、細(xì)粒砂巖為主，局部為粗粒砂巖。頂板含水，巖性較為松散、泥質(zhì)膠結(jié)，遇水膨脹，易破碎。底板以泥巖、粉砂巖為主，膠結(jié)松散，遇水膨脹，易破碎。采用分層開(kāi)采重疊布巷技術(shù)，巷道的具體布置方式如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置方式

2 覆巖結(jié)構(gòu)對(duì)窄煤柱穩(wěn)定性影響機(jī)制

首分層回采上覆巖層回轉(zhuǎn)變形，形成“O-X”型破斷[8-10]，基本頂破斷后一端搭接在煤柱上方，另一端搭接在采空區(qū)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上，形成以老頂巖層為主的“大結(jié)構(gòu)”[11]，巷道圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成影響巷道穩(wěn)定的“小結(jié)構(gòu)”，兩者相互影響、相互作用。通過(guò)分析覆巖運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)而揭示巷道圍巖失穩(wěn)的機(jī)理。

依據(jù)老公營(yíng)子I05(8)2回采巷道生產(chǎn)的地質(zhì)條件及地質(zhì)力學(xué)模擬的參數(shù)，采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立規(guī)格為229m×2m×110m模型。邊界條件：上部為應(yīng)力邊界，四周水平位移固定，按照實(shí)際地應(yīng)力給模型施加初始應(yīng)力，巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

表2 巖石節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)

如圖2(a)所示，首分層回采的過(guò)程與普通綜采工作面覆巖運(yùn)動(dòng)相同，直接頂垮落充填采空區(qū)，基本頂形成鉸接結(jié)構(gòu)。窄煤柱經(jīng)歷上分層回采過(guò)程中2次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱發(fā)生塑性破壞，承載應(yīng)力降低。

如圖2(b)所示，中下分層首采面回采巷道布置在穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”下，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，外部的力學(xué)環(huán)境無(wú)明顯變化，巷道圍巖的破壞主要是由于上分層殘留煤柱對(duì)于底板應(yīng)力作用及煤柱中應(yīng)力集中引起。當(dāng)工作面進(jìn)行回采時(shí)，窄煤柱經(jīng)歷3次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱承載能力進(jìn)一步降低。

圖2 各分層回采覆巖運(yùn)動(dòng)特征

如圖2(c)所示，中下分層接續(xù)工作面回采巷道布置時(shí)，覆巖正在發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)，巷道圍巖破壞的主要由覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成，當(dāng)工作面回采時(shí)，窄煤柱經(jīng)歷4次“斷裂回轉(zhuǎn)穩(wěn)定”，煤柱承載能力進(jìn)一步降低。

基于上述分析，得到分層開(kāi)采過(guò)程中各階段煤柱破壞因素有所差異，首采工作面巷道處于已經(jīng)穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”的保護(hù)之下，巷道圍巖破壞主要由煤柱內(nèi)應(yīng)力集中引起，而接續(xù)工作面巷道掘進(jìn)時(shí)，“大結(jié)構(gòu)”由于首工作面的回采，產(chǎn)生失穩(wěn)變形，造成接續(xù)巷道產(chǎn)生大變形的外在因素，同時(shí)受回采擾動(dòng)頻繁，煤柱塑性發(fā)育程度較高，是造成圍巖大變形的內(nèi)在因素。

3 窄煤柱穩(wěn)定性分析

當(dāng)上分層回采完成之后，受到覆巖運(yùn)動(dòng)及采掘擾動(dòng)的影響，煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性破壞，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，考慮到煤柱內(nèi)是否還存在彈性核，根據(jù)巖石極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度，即支承壓力峰值到煤柱邊緣的距離R的公式為：

根據(jù)老公營(yíng)子煤礦5#煤層實(shí)際地質(zhì)資料，確定煤層各力學(xué)參數(shù)為：煤層采深H=400，煤厚M=3.0m，容重γ=0.025，層面間摩擦系數(shù)f=0.36，內(nèi)聚力C=1.4MPa，內(nèi)摩擦角φ=21.3°，P為殘余支護(hù)強(qiáng)度，一般忽略不計(jì)；k一般為2～4，這里取3，三軸應(yīng)力系數(shù)ξ=2.14，帶入式(1)，求得塑性區(qū)的寬度R=6.16m。此時(shí)煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，在殘留煤柱內(nèi)形成對(duì)稱的 “孤峰型”的應(yīng)力分布，如圖3所示。

圖3 上分層回采煤柱應(yīng)力分布

由于中、下分層首采工作面巷道處于穩(wěn)定的“大結(jié)構(gòu)”，巷道圍巖破壞主要由集中應(yīng)力引起；接續(xù)工作面回采巷道受到“大結(jié)構(gòu)”影響，窄煤柱承受的載荷增大，偏載作用顯著，自身由于受到多次回采擾動(dòng)的影響，煤柱塑性繼續(xù)發(fā)育，根據(jù)巖石加卸實(shí)驗(yàn)，煤柱的支承能力進(jìn)一步下降，煤柱內(nèi)應(yīng)力降低。使殘留煤柱內(nèi)形成不規(guī)則的“孤峰型”的應(yīng)力分布，易產(chǎn)生鼓幫現(xiàn)象，造成巷道的破壞，如圖4所示。

圖4 下分層首采面回采煤柱應(yīng)力分布

綜上所述，分層開(kāi)采圍巖破壞的關(guān)鍵在于“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)造成“小結(jié)構(gòu)”的不穩(wěn)定，“小結(jié)構(gòu)”的破壞加劇“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)，“大小結(jié)構(gòu)”相互作用造成巷道圍巖失穩(wěn)破壞，如圖5所示。

圖5 巷道圍巖失穩(wěn)關(guān)系

4 巷道應(yīng)力分析

通過(guò)對(duì)煤柱穩(wěn)定性的分析，分層開(kāi)采圍巖破壞的關(guān)鍵在于“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)造成“小結(jié)構(gòu)”的不穩(wěn)定，通過(guò)大量的實(shí)踐證明，通過(guò)控制“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來(lái)控制圍巖穩(wěn)定性是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，我們通過(guò)控制“小結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來(lái)使巷道圍巖保持穩(wěn)定，來(lái)控制巷道圍巖的變形。通過(guò)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，有利于我們提出針對(duì)性的圍巖支護(hù)方案。

5#煤層采用分層開(kāi)采技術(shù)，巷道頂板為留設(shè)的煤層假頂，上分層遺留煤柱對(duì)下分層回采巷道造成擾動(dòng)[12]，巷道圍巖應(yīng)力具有明顯的非均勻性，在煤柱下方形成集中，隨著距煤柱距離的增加，應(yīng)力逐漸的降低，由圖3可知，對(duì)煤柱底板應(yīng)力分布進(jìn)行簡(jiǎn)化，將破裂區(qū)和塑性區(qū)視為線性分布。建立如圖6所示計(jì)算模型。

圖6 底板受力簡(jiǎn)化

利用彈性力學(xué)理論[13-15]，通過(guò)條帶積分法求得集中載荷作用下底板任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為：

式中，x，y分別為該點(diǎn)位置在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置；a為應(yīng)力影響區(qū)域到縱坐標(biāo)軸的距離；x1、x2分別為煤柱兩側(cè)在坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)位置；x0為應(yīng)力集中區(qū)域在坐標(biāo)系內(nèi)的位置；R1、R2為煤柱兩側(cè)到應(yīng)力集中區(qū)域的水平距離。

當(dāng)k固定時(shí)，以I05(8)2巷道煤柱幫及頂板為研究對(duì)象，可以近似的得到應(yīng)力集中區(qū)域偏移對(duì)巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力的分布曲線，如圖7所示。

圖7 集中應(yīng)力偏移對(duì)巷道圍巖應(yīng)力變化影響

由圖7可知，當(dāng)k值確定時(shí)，隨著應(yīng)力集中區(qū)域的偏移，該側(cè)煤柱所承受的水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力、以及剪切應(yīng)力均有大幅度的增大，垂直應(yīng)力隨著向采空區(qū)方向延伸，應(yīng)力不斷降低，但靠近煤柱側(cè)頂板所受殘留煤柱影響較大，此時(shí)巷道頂板偏載作用顯著，造成巷道頂板局部破壞嚴(yán)重。

回采巷道處于穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)下方，煤柱由于“大結(jié)構(gòu)”失穩(wěn)且受多次擾動(dòng)，塑性區(qū)發(fā)育程度較高，水平應(yīng)力成為影響巷道穩(wěn)定的主要因素[16]。由于煤柱寬度較窄，且受到較大非均布載荷的作用，易產(chǎn)生鼓幫現(xiàn)象，造成巷道的破壞。以矩形巷道為例，構(gòu)建如圖8所示的煤幫受力簡(jiǎn)化圖。分析巷道煤幫受力情況。

圖8 煤幫受力簡(jiǎn)化

設(shè)煤幫的總載荷為Q，由圖8可知：

由材料力學(xué)[17]可知：

煤幫最大彎矩Mmax的位置為：

Mmax可以表示為：

當(dāng)Q與l固定時(shí)，X、Mmax與λ之間的關(guān)系曲線如圖9、圖10所示。

圖9 x-λ關(guān)系曲線

圖10 Mmax-λ關(guān)系曲線

如圖9、圖10所示，當(dāng)煤幫所受總載荷一定時(shí)，隨著不均衡系數(shù)的增大，最大彎矩Mmax逐漸增加，最大彎矩所處位置也向非均布載荷較大區(qū)域偏移，使得煤幫中上部區(qū)域出現(xiàn)局部過(guò)載，產(chǎn)生局部破壞，造成支護(hù)體機(jī)構(gòu)失穩(wěn)。5#煤層中下分層接續(xù)工作面巷道的失穩(wěn)特征主要表現(xiàn)：頂板下沉量比較小，鋼帶發(fā)生輕微彎曲變形；煤幫幫鼓較為嚴(yán)重，工字鋼發(fā)生明顯變形，且與煤幫之間形成較大空洞，導(dǎo)致部分錨桿錨索部分失效。

5 數(shù)值模擬

為分析煤柱塑性區(qū)的發(fā)育及驗(yàn)證上述分析的合理性，運(yùn)用 FLAC3D數(shù)值軟件建立規(guī)格為229m×2m×110m模型。

圖11 煤柱狀態(tài)及應(yīng)力分布

煤柱狀態(tài)及應(yīng)力分布如圖11所示。由圖11可知，上分層回采后煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，隨著工作面的不斷回采，煤柱的支承應(yīng)力不斷的降低，煤柱塑性進(jìn)一步的發(fā)育。隨著I05(7)2回采巷道掘進(jìn)及工作面的回采，應(yīng)力集中區(qū)域向另一側(cè)轉(zhuǎn)移。

巷道煤幫位移如圖12所示，由圖12可知，I05(8)2煤柱幫變形比I05(7)2小煤柱幫變形大，從I05(8)2巷道變形情況來(lái)看，主要集中在小煤柱的中上部位以及頂板的一側(cè)，且在煤幫中上部區(qū)域局部變形相對(duì)較大，與理論分析相吻合，證實(shí)了前述研究的合理性。

圖12 巷道煤幫位移

6 回采巷道圍巖控制方案

6.1 圍巖控制思路

通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)可知，“大結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)是造成煤幫大變形的外在因素，煤幫經(jīng)過(guò)多次回采擾動(dòng)，發(fā)生屈服破壞，承載能力降低，是造成煤幫大變形的內(nèi)在因素。眾多實(shí)踐證明，通過(guò)控制“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來(lái)控制煤幫穩(wěn)定性是不可行。因此，我們通過(guò)控制“小結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定性來(lái)達(dá)到維護(hù)巷道的目的，故此提出“封閉強(qiáng)化、區(qū)別對(duì)待”的控制思路。

1)強(qiáng)化煤柱。通過(guò)內(nèi)部注漿，修復(fù)煤柱內(nèi)產(chǎn)生的損傷裂隙，為錨桿索提供錨固點(diǎn)，提高煤柱整整強(qiáng)度；表面噴漿，使破碎圍巖重新結(jié)合成一個(gè)整體，減少巷道表面裸露時(shí)間，降低風(fēng)化程度，強(qiáng)化巷道周邊圍巖強(qiáng)度，使其由荷載體向承載體轉(zhuǎn)變[18]，阻止深部圍巖的破壞。在錨桿錨索間采用工字鋼支護(hù)，利用其較高的支撐能力防止圍巖變形，與錨桿錨索形成由淺到深的完整支護(hù)體系。

2)增強(qiáng)關(guān)鍵部位承載能力。由于巷道受到非均布載荷的作用明顯，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)局部過(guò)載現(xiàn)象，造成局部產(chǎn)生大變形。在靠近殘留煤柱側(cè)巷道頂板采用木支柱或單體液壓支柱加強(qiáng)支承力，煤柱幫通過(guò)錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。

6.2 圍巖控制方案

基于以上研究分析，為保證巷道在服務(wù)期間的穩(wěn)定性，提出了 “架棚錨桿索+鋼帶+圍巖噴漿注漿”的聯(lián)合支護(hù)方案。并針對(duì)非均布載荷作用造成的影響，通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)錨索與單體液壓支柱進(jìn)行巷道支承，具體支護(hù)方案如圖13所示。具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖13 支護(hù)方案(mm)

表3 支護(hù)參數(shù)表

6.3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證聯(lián)合支護(hù)對(duì)于I05(8)2軌道平巷的支護(hù)效果，在超前工作面100m的范圍內(nèi)，每間隔5～6m布置觀測(cè)點(diǎn)，采用“十字測(cè)量法”對(duì)加固后的巷道圍巖變形進(jìn)行檢測(cè)，如圖14所示，窄煤柱受超前支承壓力影響顯著，隨著距工作面的距離減少，巷道圍巖變形量增大，兩幫的最大移近量為470mm左右，巷道頂?shù)装宓淖畲笞冃瘟繛?50mm左右。結(jié)合實(shí)際礦井檢測(cè)，如圖15所示，窄煤柱幫大變形得到控制，煤幫呈整體位移狀態(tài)，無(wú)片幫冒頂現(xiàn)象發(fā)生，支護(hù)體支護(hù)效果良好，巷道穩(wěn)定性較好，可以滿足工作面的正?；夭?。

圖14 巷道圍巖變形量

圖15 巷道圍巖控制效果

7 結(jié) 論

1)分層開(kāi)采中下分層首采面巷道圍巖破壞主要由應(yīng)力集中引起；接續(xù)工作面回采巷道失穩(wěn)主要由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成，煤柱由于受到多次回采擾動(dòng)的影響，煤柱塑性破壞嚴(yán)重，是造成圍巖失穩(wěn)的內(nèi)在因素。

2)采動(dòng)應(yīng)力疊加、支承應(yīng)力增大以及覆巖結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，煤柱偏載作用顯著，局部受載增大，巷道圍巖變形呈現(xiàn)非對(duì)稱性，窄煤柱及頂板局部變形顯著，是巷道圍巖控制的重點(diǎn)。

3)基于巷道失穩(wěn)機(jī)理，提出“封閉煤柱、區(qū)別對(duì)待”的支護(hù)思路，即對(duì)塑性發(fā)育的煤柱表面噴漿、內(nèi)部注漿，提高煤柱強(qiáng)度，增加錨桿錨索錨固效果，在巷道頂板采用木支柱或單體液壓支柱加強(qiáng)支承力，煤柱幫通過(guò)錨索補(bǔ)強(qiáng)加固。

4)窄煤柱巷道在服務(wù)期間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，采用“封閉煤柱、區(qū)別對(duì)待”的控制思路后，巷道圍巖變形得到了有效控制，穩(wěn)定性較好，滿足回采需求。