綜采工作面回撤通道圍巖支護穩(wěn)定性分析

宋振鐸，遲煥磊，劉思程，侯慧錦，劉佳金

(1.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011； 2.中煤華晉集團有限公司王家?guī)X分公司，山西 河津 043300)

煤炭作為一種重要的能源，對于經(jīng)濟發(fā)展、生產(chǎn)生活具有重要作用，煤炭在開采過程中，其開采效率受到多種因素的影響[1]。我國煤炭在開采過程中，如果巖體穩(wěn)定性較差，強度變化較大，則會對開采生產(chǎn)的順利進行造成影響[2]。綜采工作面回撤通道是煤礦生產(chǎn)過程中重要部分，工作面的接替、綜采工作面的搬家、倒面是煤礦生產(chǎn)過程中的重要工作內容[3]，因此，回撤通道是實現(xiàn)設備回撤的主要通道，其對于生產(chǎn)的效率和產(chǎn)量存在直接關聯(lián)。由于煤層的埋藏條件存在一定差異，當工作面不斷接近停采線時，回撤通道圍巖支護在工作面超前支承壓力的影響下[4]，容易發(fā)生巷道頂板的位移和變形，甚至發(fā)生斷裂，進而引發(fā)巷道圍巖變形，對于設備的正?；爻吩斐蓸O大影響，甚至發(fā)生回撤安全問題[5]。因此，回撤通道圍巖支護的穩(wěn)定性對于回撤工作的正常和安全進行均具有重要意義。

目前相關領域學者針對圍巖穩(wěn)定性進行了研究。關于巷道圍巖方面，采用錨固力學效應，分析巷道圍巖穩(wěn)定性[6]。針對隧道圍巖方面，利用臨界穩(wěn)定斷面，分析隧道圍巖穩(wěn)定性[7]?；谏鲜龇治?，本文為全面分析綜采工作面回撤通道圍巖支護穩(wěn)定性，以某地區(qū)的典型淺埋煤層為研究對象，采用三維有限差分程序對開采末期回撤通道的圍巖支護穩(wěn)定性展開分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質特征

研究區(qū)的地質情況為褶皺構造，并且伴生一級的小斷裂，煤層主要分為偽頂層、直接頂層、基本頂層、底板層，各層的地質情況如下。

(1)煤層的偽頂。主要由粉砂巖和炭質泥巖組成，整體巖性呈現(xiàn)灰黑色、呈薄層狀態(tài)，并且存在植物化石等，泥質膠結，其厚度為0～0.67 m，平均厚0.32 m。

(2)直接頂。主要由細砂巖組成，整體巖性呈現(xiàn)深、淺灰色，呈中厚層狀態(tài)，并且存在石英、長石以及暗色的礦物質[8]；此外，該層中夾有較薄的中細粒砂巖、粉砂巖以及煤線、植物化石等，其厚度0.936～1.165 m，平均厚1.020 m，屬于Ⅰ類頂板，穩(wěn)定性不理想，強度較差。

(3)基本頂。主要包含粉砂巖，整體巖性呈現(xiàn)深、淺灰色，呈厚層狀態(tài)。其中夾有中細粒砂巖[9]、植物化石等，其厚度為0.671～3.012 m，平均厚1.842 m，該層具備較好的穩(wěn)定性，較為堅硬，為Ⅱ級頂板。

(4)底板。由砂質和炭質2種泥巖、根土巖組成，其厚度為1.147～3.066 m，平均厚2.005 m，其遇水后容易發(fā)生膨脹。

1.2 工作面概況

綜采工作面高位的平均煤厚5.22 m，走向長2.21 km，傾向長300 m，平均埋深136 m，煤層傾角為0°～3.2°?，F(xiàn)場測量得出綜采工作面底板巖層的抗壓、抗拉強度分別為21.4 MPa和0.95 MPa；頂板巖層抗壓、抗拉強度分別為16.31 MPa和0.87 MPa。因此，開采過程中頂板穩(wěn)定性較差[10]，對于頂板的控制難度較大，對于設備回撤以及工作面的開采效率造成較大影響[11]。各層的力學參數(shù)見表1。

表1 各層位置的力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of each layer

綜采工作面地層結構如圖1所示。

圖1 綜采工作面地層結構示意Fig.1 Schematic of stratum structure of fully-mechanized mining face

準備綜采工作前，在終采線附近掘出2條主、輔回撤通道，起到快速回撤、維護設備安全的作用，如圖2所示。

在綜采結束階段，受開采活動的影響，礦井壓力逐漸增大，易產(chǎn)生塌陷、片幫等現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)冒頂事故。所以，在特殊情況下，可以將回撤通道作為保留巷道。

圖2 回撤通道布置Fig.2 Layout of withdrawal passage

綜采工作面長度為300 m，根據(jù)經(jīng)驗判斷，在回采過程中，因巷道存在著嚴重的頂板損壞現(xiàn)象，需要對其進行翻修，降低了采場的回撤速率。頂板破壞照片如圖3所示。

圖3 頂板破壞照片F(xiàn)ig.3 Photo of roof damage

將預掘雙回撤通道技術應用于綜采工作面中，主、輔回撤巷道截面尺寸分別為5.4 m×2.6 m和5.2 m×2.4 m，留25 m寬的保護煤柱于兩側回撤通道之間。采用錨網(wǎng)索對兩側回撤通道聯(lián)合支護。

1.3 圍巖支護結構

對綜采工作面的地質特征以及工作面的實際情況分析后得出，該工作面在開采末期[12]，會出現(xiàn)頂板大范圍冒落、發(fā)生失穩(wěn)。因此，結合實際情況和設備回撤需求[13]，確定采用錨網(wǎng)索支護結構完成回撤通道圍巖的支護。支護采用鋼絞線為主，其尺寸為φ15.2 mm×7 300 mm，在每一排均設置2個錨索，并對錨桿加固后形成組合梁[14]，采用懸吊的方式將其置于巖層中，頂部采用錨桿和錨索—金屬網(wǎng)絡支護，正幫以及負幫分別采用玻璃鋼錨桿和螺紋鋼錨桿、錨固詳情見表2。

表2 回撤通道煤壁支護的錨桿、錨固詳情Tab.2 Bolts and anchoring details of coal wall support in withdrawal passage

2 回撤通道圍巖支護穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定性分析方法

2.1.1 模擬分析原理

采用三維有限差分程序(Fast Lagrangian Analysis of Continua，F(xiàn)LAC)完成回撤通道圍巖支護結構的穩(wěn)定性分析，F(xiàn)LAC支持交互的輸入方式[15]，能夠依據(jù)輸入的指令完成命令文件的讀寫，應用簡單、便捷。FLAC數(shù)值模擬模型如圖4所示。

圖4 FLAC數(shù)值模擬模型Fig.4 FLAC numerical simulation model

FLAC能夠完成地質、巖石等受力特性的模擬和分析[16]，在分析過程中，采用擬合的方式完成三維網(wǎng)格中的多面體單元的處理，使模擬結果與實際結果一致，模擬分析原理如圖5所示。

圖5 三維有限差分程序模擬分析原理Fig.5 Analysis principle of 3D finite difference program simulation

FLAC在模擬分析時，采用線性或者非線性完成單元材料模型構建。構建模型通過網(wǎng)絡的移動和變形[17]，模擬出材料在受到外力影響下發(fā)生的變形結果；模擬計算時，場的控制微分方程采用有限差分格完成求解，獲取材料的彈塑性[18]、變形等分析。FLAC在模擬計算時，速度和位移的計算通過運動方程完成，在此基礎上得出應變率，獲取新的應力，設定每一個步驟時，即為回線的一個循環(huán)過程，可靠獲取巖層、接觸面、錨桿等對象的模擬結果，并且可得出應力場、位移場的結果。FLAC在模擬計算時，能夠依據(jù)模擬對象的實際情況，完成位移和載荷邊界的設定[19]；并且自動完成網(wǎng)格劃分。模擬計算結果可采用多種方式呈現(xiàn)，例如應力云圖、位移直線云圖和分布圖、矢量圖等。

2.1.2 模擬計算巖土力學參數(shù)

采用FLAC模擬綜采工作面回撤通道時，需對煤層整個的開采過程中實行模擬，獲取工作面圍巖的應力和位移場的分布特征等[20]，以此獲取每一個單元的應力和應變結果。模擬計算時所需的巖體物理力學參數(shù)見表3。

表3 模擬計算的巖體力學參數(shù)Tab.3 Simulated mechanical parameters of rock mass

2.2 回撤通道應力分布分析

記錄綜采工作面與主回撤通道距離每相差5 m情況，分析回撤通道周圍應力分布情況。不同回撤通道與工作面距離時的通道應力分布如圖6所示。

圖6 不同回撤通道與工作面距離時的通道應力分布Fig.6 Channel stress distribution of passage with different distances between withdrawal passage and working face

由圖6可知，當綜采工作面與主回撤通道相差20 m時，主回撤通道受采動壓力和集中應力的雙重影響，呈“非對稱雙峰值”狀態(tài)，隨著壓力的增強變?yōu)椤皩ΨQ單峰”態(tài)，但輔回撤通道區(qū)域狀態(tài)不會隨著應力場數(shù)值增加而改變。回撤通道圍巖應力云圖如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，區(qū)域應力“非對稱雙峰值”分布隨綜采工作面推進逐步增加，回撤通道在應力環(huán)境下，易造成圍巖失穩(wěn)，需要對回撤通道頂板及幫部加強支護。

圖7 回撤通道圍巖應力云圖Fig.7 Nephogram of surrounding rock stress of withdrawal passage

2.3 回撤通道的圍巖變形結果分析

獲取綜合開采面正常開采過程中，回撤通道頂板、底板和側面發(fā)生的變形結果，見表4。

表4 回撤通道頂板、底板和側面發(fā)生的變形結果Tab.4 Deformation results of the roof，floor plate and side of withdrawal passage

分析表4結果可知，隨著回撤通道與工作面距離的逐漸增加，回撤通道圍巖的變形結果逐漸下降，其中頂板的變形結果最明顯，最高變形達到52.2 mm；底板的變形結果最小?；爻吠ǖ绹鷰r變形云圖如圖8所示。根據(jù)表4、圖8可知，隨著開采工作面的推進，回撤通道圍巖發(fā)生動態(tài)性的變化。因此，為保證回撤通道的正常使用，提升開采效率，需設置圍巖支護結構。

2.4 礦壓結果分析

獲取圍巖支護結構安裝前、后，錨索梁絞頂在施工前、后2個階段中，頂板發(fā)生位移的結果見表5。

圖8 回撤通道圍巖變形云圖Fig.8 Nephogram of surrounding rock deformation of withdrawal passage

表5 施工前、后錨索梁絞頂頂板位移的結果Tab.5 Displacement results of stranded roof of anchor cable beam before and after construction

分析表5結果可知，圍巖支護結構施工前，頂板的淺層高度值和深度高度值發(fā)生一定上升，表示此時頂板發(fā)生明顯位移，淺層高度和深層高度最大位移量分別為5.4、15.6 mm；完成圍巖支護施工后，位移結果的變化較小，呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。表示完成回撤通道圍巖支護施工后，頂板發(fā)生的位移極小。因此，采用錨網(wǎng)索支護結構完成回撤通道圍巖的支護，具備良好的效果，能夠有效提升頂板的支護效果。

2.5 液壓支架工作阻力分析

主回撤通道支護采用四柱掩護液壓支架，設置額定工作阻力95 MN、活柱縮量2.05 m，工作面距主回撤通道聚類同支架工作阻力的波動效果見表6。

表6 支架工作阻力波動情況Tab.6 Fluctuation of support working resistance

分析表6可得，當主回撤通道同工作面間的距離大約是8.5 m前，支架工作阻力值不變。隨著支架工作阻力存在加大的波動幅度，快速提升到最高值，并且在最高值附近保持平穩(wěn)。說明，當開采工作面和主回撤通道間的距離是8.5 m，主回撤巷道圍巖應力提升，巷道支架承載的壓力提高。

2.6 主回撤通道支護效果數(shù)值分析

回撤通道原始支護形式如1.3小節(jié)所述，巷道開挖后改進支護加固技術，采用馬麗散加固頂板，支撐頂板采用的支架是液壓支架。在實施工作面開采，巷道受動壓干擾情況下，巷道頂?shù)装逡约皟蓭偷淖冃瘟咳鐖D9所示。

主回撤通道的原支護形式是頂板錨網(wǎng)索支護和負幫錨網(wǎng)支護，由圖9可知，改進后的現(xiàn)支護方案，可降低巷道頂?shù)装宓囊平恳约皟蓭鸵平?。說明改進的支護加固方案，使得巷道主動支護強度以及巷道圍巖承載性能增強，可有效的實現(xiàn)回撤通道圍巖穩(wěn)定控制。

3 結論

回撤通道是綜采工作面接替的關鍵環(huán)節(jié)，其直接影響煤礦生產(chǎn)的效率和安全。但是，回撤通道在圍巖發(fā)生位移和變形后，影響回撤通道的正常使用。因此，為保證回撤通道的正常、安全使用，需完成圍巖支護施工。圍巖支護的穩(wěn)定性則尤為重要，本文以某煤礦為研究對象，采用FLAC方法完成回撤通道模擬，計算分析圍巖支護結構的穩(wěn)定性。

(1)通過FLAC對地質、巖石等受力特性進行模擬和分析，得出應力場、位移場的結果，使本文方法具有可靠性，在實際應用過程中可以提高煤礦生產(chǎn)效率。

(2)回撤通道易受應力的影響造成圍巖失穩(wěn)，導致頂板變形、位移。采用改進的支護加固方案，可提高巷道圍巖的穩(wěn)定性和巷道主動支護強度。

(3)圍巖支護結構的施工，需結合綜采工作面和實際使用需求完成，本文方法能夠完成回撤通道圍巖支護結構的模擬，并且可靠計算出其穩(wěn)定性的變化結果，為綜采生產(chǎn)提供可靠依據(jù)。