深厚極松散煤層沿空巷道變形控制技術(shù)研究

經(jīng)來(lái)旺，張開放，經(jīng) 緯，張 浩

(1.安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001，3.淮北礦業(yè)股份有限公司蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000)

目前，隨著煤炭開采深度的不斷增加，深埋巷道圍巖出現(xiàn)了不同于淺埋巷道圍巖的失穩(wěn)特征[1-3]。傳統(tǒng)的支護(hù)理論和支護(hù)方案已經(jīng)無(wú)法滿足深埋極松散煤層巷道圍巖變形控制的需求[4-6]。

為此，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，如文獻(xiàn)[7]針對(duì)深部急傾斜煤層巷道的嚴(yán)重冒頂、底臌等現(xiàn)象提出了可伸縮性U型棚架全斷面封閉支護(hù)和非對(duì)稱性預(yù)應(yīng)力錨桿(索)復(fù)合支護(hù)技術(shù)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)大斷面巷道底臌問題，提出了在加固巷道幫角和頂板的同時(shí)安裝底板錨桿。文獻(xiàn)[9]通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同工作面回采階段沿空留巷圍巖、充填墻體及煤柱中的應(yīng)力、變形分布特征，并提出了合理的支護(hù)對(duì)策。

盡管巷道穩(wěn)定性控制理論和技術(shù)方面的研究成果已經(jīng)頗為豐富[10-12]， 但一個(gè)嚴(yán)重的問題依然存在，即超前支護(hù)系統(tǒng)僅能滿足平頂煤巷的使用。由于極松散深厚煤層巷道目前最佳的支護(hù)結(jié)構(gòu)是直墻半圓拱形U鋼棚架，而各種超前支護(hù)系統(tǒng)卻難以應(yīng)用在這樣的巷道中[13-15]。 為了有效地解決這一問題， 本文以淮北某煤礦Ⅲ811工作面沿空巷道為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)， 研發(fā)了一種“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”新型支護(hù)技術(shù)， 以期為同類型巷道的穩(wěn)定性控制提供參考。

1 工程概況

該煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)蘆嶺鎮(zhèn)，屬于兩淮礦區(qū)，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，所研究巷道為Ⅲ811工作面沿空巷道，巷道埋深750～850m，沿煤層底板掘進(jìn)。巷道一部分處于8煤層之中，一部分處于底板巖層之中，屬破底巷道，巷道底板寬5 409mm、高3 300mm、頂板寬3 664mm，如圖1所示。8煤層傾角為13°～37°，平均為25°；煤層厚度2.80～13.40m，平均為8.10m，屬特厚煤層；8煤層質(zhì)地松軟，普氏系數(shù)僅為0.3～0.45；8煤層上部巖層為粉砂巖夾泥巖，下部巖層為泥巖或粉砂巖，頂?shù)装迤帐舷禂?shù)均小于3.0，故巷道屬于典型的極松散煤層巷道。

圖1 巷道位置與尺寸示意圖(單位：mm)

2 圍巖變形控制機(jī)理

針對(duì)該煤礦Ⅲ811工作面沿空巷道的典型的極松散特性，為了保證工作面回采過(guò)程中超前支護(hù)段使用支護(hù)能力很強(qiáng)的超前支護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)研究決定使用平頂U(kuò)棚架作為支護(hù)主結(jié)構(gòu)。由于平頂U(kuò)型棚架的承載力不足，本研究又增設(shè)了錨梁輔助增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。由于該礦8煤屬極松散煤層，極易破碎成粉，為了防止漏煤卸壓導(dǎo)致U型棚架支護(hù)失效，研究又設(shè)置了網(wǎng)布及巷道頂端超前鉆注加固煤頂，從而形成了一種新型支護(hù)方式——“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”，具體介紹如下。

2.1 支護(hù)方案

該沿空巷道的支護(hù)方案為“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”，如圖2所示?！捌巾斉铩笔怯?9號(hào)U型鋼梁加工成的3節(jié)搭接棚，棚距600mm。“錨梁”是錨索+橫梁。巷道頂板所采用的錨索規(guī)格為YMSφ18mm×10 000mm-1 860， 間排距600mm ×1 200mm；兩幫錨桿參數(shù)：直徑25mm，長(zhǎng)2 500mm，間排距600mm×1 200mm；自鉆式注漿錨桿參數(shù)： 直徑25mm， 3 600mm自鉆式錨桿(每節(jié)1 200mm， 每孔需3節(jié))，共布置6根錨桿，頂板4根，兩幫靠近幫頂各1根，間排距1 000mm×1 200mm。“網(wǎng)布”是錨網(wǎng)與雙抗布，在巷道頂板和側(cè)幫使用。

圖2 支護(hù)方案圖

2.2 控制機(jī)理

該支護(hù)方案的核心思想是“防漏增阻、錨架互強(qiáng)、頂注防漏、增壓提穩(wěn)”，具體分析如下。

1)防漏增阻 使用金屬網(wǎng)與雙抗布作為支護(hù)材料，雙抗布是一種抗靜電、阻燃燒的特殊布料，其在支護(hù)中的主要功能是防止碎煤泄漏和圍煤卸壓，從而產(chǎn)生兩個(gè)重要效應(yīng)：①圍煤與錨桿索之間的摩擦力會(huì)大幅提高，彌補(bǔ)極松散煤體中無(wú)法使用錨固劑錨固的缺陷；②巷道幫部的破碎煤體因?yàn)槊軐?shí)度提高且被封閉，故自承載力會(huì)大幅提升。

2)錨架互強(qiáng) “錨架互強(qiáng)”指的是錨桿索與棚架具有相互增強(qiáng)的作用。產(chǎn)生的效應(yīng)表現(xiàn)為：①錨桿索與煤體之間的摩擦阻力增大，使得錨桿索的拉拔力大幅提升，錨桿索拉拔力的提升進(jìn)一步促使棚架整體承載力的提高；②棚架承載結(jié)構(gòu)承載力的提高約束了巷道圍巖的變形，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部壓力增大，而這又會(huì)增大錨桿索與圍煤之間的摩擦力。

3)頂注防漏 采用自鉆式注漿錨桿沿巷道頂部預(yù)先在尚未開挖的工作面前端實(shí)施頂部注漿。通過(guò)注漿預(yù)先將工作面前方上部煤體膠結(jié)加固，從而產(chǎn)生兩個(gè)作用：①防止巷道開拓過(guò)程中冒頂事故；②防止碎煤泄漏和上部煤體“離層”現(xiàn)象。

4)增壓提穩(wěn) “增壓提穩(wěn)”的主要機(jī)理與頂升用液壓缸的承載機(jī)理是一樣的，液壓缸之所以能夠承受巨大壓力的作用是因?yàn)橛透赘妆趯?duì)其內(nèi)的液壓油有很大的位移約束作用，二者相互結(jié)合所發(fā)揮的巨大承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了油缸本身承載力與液壓油本身承載力之和。本技術(shù)方案中的一系列措施都是為了提高巷道圍巖中破碎煤體內(nèi)邊緣的位移約束作用，從而使得其內(nèi)破碎煤體內(nèi)部可以產(chǎn)生很大的壓力，內(nèi)部產(chǎn)生的壓力越大，穩(wěn)定性就會(huì)越高。

3 數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，利用ABAQUS數(shù)值模擬仿真計(jì)算軟件通過(guò)3D Sweep建立整體，再劃分成塊建立巖體模型；建立單獨(dú)的錨桿索、棚架，組裝成支護(hù)模型，如圖3所示。

(a) 巖體模型 (b)支護(hù)模型圖圖3 數(shù)值模型圖

在模擬中，通過(guò)設(shè)置生死單元的方法模擬巷道開挖和支護(hù)的實(shí)施。通過(guò)軟化模量法模擬巷道在開挖后的應(yīng)力釋放；錨桿索全長(zhǎng)錨固通過(guò)相互作用中的嵌入實(shí)現(xiàn)；托盤與橫梁的接觸、橫梁與U型棚接觸、U型棚與巷道的接觸都通過(guò)相互作用中的綁定實(shí)現(xiàn)；超前注漿通過(guò)添加場(chǎng)變量實(shí)現(xiàn)；蠕變分析通過(guò)分析步中的Visco分析步實(shí)現(xiàn)。

3.2 基本模擬參數(shù)

模型上邊界施加的等效載荷等于上覆巖層的重量?h=17.5MPa，其中重力加速度取值g=10m/s2。模型計(jì)算采D-P準(zhǔn)則，A、m、n為巖石蠕變參數(shù)，巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石材料屬性

3.3 模擬結(jié)果

通過(guò)軟化模量法模擬采空區(qū)開采后所產(chǎn)生松散體范圍內(nèi)煤巖體的力學(xué)性質(zhì)變化，模擬采空區(qū)開采引起的周邊巖體力學(xué)行為變化，模擬結(jié)果如圖4所示。蠕變前后的數(shù)值分析云圖如圖5所示。

圖4 采空區(qū)開采后豎直向下的位移

(a)蠕變前水平位移圖 (b)蠕變后水平位移圖

在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，將現(xiàn)場(chǎng)所定監(jiān)測(cè)點(diǎn)(頂板中點(diǎn)、幫部中點(diǎn)、底板中點(diǎn))為模型中的參考點(diǎn)，并作出參考點(diǎn)的時(shí)間歷程曲線，如圖6所示。由圖6可得頂板下沉蠕變量為0.006 8m，左幫位移蠕變量為0.053 5m，底臌蠕變量為0.292 2m，右?guī)臀灰迫渥兞繛?.091 3m。巷道圍巖在支護(hù)后第40d進(jìn)入穩(wěn)定蠕變。

圖6 參考點(diǎn)時(shí)間歷程曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)在距切眼580m、600m、620m位置處(巷道長(zhǎng)度約800m)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別是頂板中點(diǎn)、底板中點(diǎn)、左幫中點(diǎn)、右?guī)椭悬c(diǎn)。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析

整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程不受工作面推進(jìn)動(dòng)壓影響，共計(jì)監(jiān)測(cè)180d。將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得巷道圍巖變形規(guī)律曲線如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移曲線

由圖7可得巷道圍巖在經(jīng)過(guò)180d的變形后，頂板下沉量為0.010 1m，左幫變形量為0.079 5m，底臌量為0.339 6m，右?guī)妥冃瘟繛?.124 4m。巷道圍巖大約在第40d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定蠕變狀態(tài)。模擬所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明支護(hù)方案合理，巷道服務(wù)期內(nèi)無(wú)需任何返修。

5 結(jié)論

本研究給出了一種全新的適用于深厚極松散煤層巷道的支護(hù)新技術(shù)：“平頂棚+錨梁+超前注+網(wǎng)布”技術(shù)；提出了有效控制深厚“三軟”煤層巷道穩(wěn)定性的“防漏增阻、錨架互強(qiáng)、頂注防漏、增壓提穩(wěn)”原理。數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明，該技術(shù)不僅控幫抑頂效果明顯，而且抑制底臌效果也十分理想。

但本文數(shù)值模擬中巷道圍巖劃分不夠細(xì)致，同時(shí)忽略了溫度和圍巖水對(duì)巷道圍巖蠕變的影響，在后續(xù)不斷的深入研究中，這些因素都應(yīng)得到重視。隨著新理論的探究及新技術(shù)的研發(fā)，計(jì)算模型會(huì)更加符合工程實(shí)際，所得結(jié)果更具有指導(dǎo)意義。