近距離煤層采動(dòng)影響下巷道支護(hù)設(shè)計(jì)研究

劉福平,李泳臻

(1.山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦, 山西 古交市 030205;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 100083)

1 工程概況

山西省某煤礦現(xiàn)開采的2#煤層位于02#煤層下方約7 m處,屬于典型的近距離煤層[1]。02#煤層、2#煤層的平均厚度約為2 m,屬于近水平煤層,兩煤層間多為泥巖和細(xì)砂巖,02#煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、2#煤層底板為粉砂巖。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

該礦井屬于高瓦斯礦井[2],因此,礦山計(jì)劃在上組煤(02#煤層)開采前,于下組煤(2#煤層)布置瓦斯底抽巷。該瓦斯底抽巷既要為上組煤提供瓦斯抽采服務(wù),也要在開采下組煤時(shí)作為回采巷道使用,因此,該巷道具有功能多、任務(wù)重、服務(wù)周期長的特點(diǎn),其安全穩(wěn)定性對(duì)礦山生產(chǎn)十分重要。

________________表1 煤層頂?shù)装鍘r性________________

如圖1所示,該瓦斯底抽巷內(nèi)錯(cuò)于下方采煤工作面20 m布置,相比于一般的回采巷道,該巷道在服務(wù)期限內(nèi)要經(jīng)歷上方7 m處的煤層回采環(huán)節(jié),上組煤回采引起的超前支承壓力將嚴(yán)重影響下組煤既有巷道的穩(wěn)定性。

圖1 瓦斯底抽巷的布置

以往的開采經(jīng)驗(yàn)表明,該巷道若在上組煤開采過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞而整體報(bào)廢,則下組煤回采前將需要重新布置回采巷道,受已掘進(jìn)的瓦斯底抽巷的應(yīng)力影響,新巷道距離煤柱的內(nèi)錯(cuò)距將進(jìn)一步增大,這一方面增加了重新采掘一條巷道的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,另一方面也會(huì)增加下組煤的煤柱寬度,造成資源浪費(fèi)。

近些年,國內(nèi)支護(hù)技術(shù)有了長足的進(jìn)展[3],通過支護(hù)的手段為該瓦斯底抽巷設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案,對(duì)于巷道穩(wěn)定性、采區(qū)圍巖穩(wěn)定性、節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本以及采區(qū)資源的合理利用均具有重要的作用。

2 數(shù)值模型的建立與支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型的建立

為研究影響巷道穩(wěn)定性的主要因素,確定巷道支護(hù)方案的合理性,本文中通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件[4-5]對(duì)無支護(hù)和支護(hù)方案下的巷道應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)場(chǎng)進(jìn)行了分析與對(duì)比,為支護(hù)方案的可行性提供依據(jù)。

數(shù)值模型尺寸為x×y×z=40 m×40 m×50 m,模型各巖層按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行布置,根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù),在模型上界面施加10 MPa的豎向均布荷載,在模型各側(cè)面施加8 MPa的水平均布荷載。模型底板固定,側(cè)向限制水平位移,但不限制豎向位移。圍巖各巖層的力學(xué)參數(shù)見表2,模型及初始應(yīng)力平衡狀態(tài)見圖2。

表2 巖層力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型及應(yīng)力平衡

近距離煤層下組煤巷道穩(wěn)定性研究的數(shù)值模型共計(jì)38 640個(gè)單元,42 441個(gè)節(jié)點(diǎn)。施加初始應(yīng)力后,圍巖整體的應(yīng)力分布較為均勻,2#煤層處垂直應(yīng)力約為10 MPa,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為吻合,為后續(xù)的數(shù)值模擬研究提供了保障。

2.2 巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境分析

巷道支護(hù)方案的設(shè)計(jì)一般以巷道圍巖受力環(huán)境為依據(jù),在巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度,在低應(yīng)力區(qū)合理布置支護(hù),避免支護(hù)材料過度使用而造成浪費(fèi)。

因此,在支護(hù)方案設(shè)計(jì)前,針對(duì)巷道掘進(jìn)期間、回采期間的應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行分析,并通過對(duì)圍巖應(yīng)力環(huán)境的研究,提出針對(duì)性的支護(hù)方案,保證巷道的穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬中,對(duì)2#煤層巷道位置處進(jìn)行了開挖,巷道掘進(jìn)期間的圍巖應(yīng)力場(chǎng)如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)期間的巷道圍巖應(yīng)力分布

如圖3(a)所示,在沒有支護(hù)的條件下,巷道掘進(jìn)后,巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了垂直應(yīng)力卸壓區(qū),垂直應(yīng)力的主要集中區(qū)在巷道幫部1～2 m的范圍內(nèi),最大垂直應(yīng)力達(dá)到17.04 MPa,垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.7左右;同樣,因?yàn)橄锏赖牟删?巷道頂?shù)装逄幱休^為明顯的水平應(yīng)力集中區(qū),位于頂?shù)装?～4 m的范圍,最大水平應(yīng)力達(dá)到12.79 MPa,水平應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)1.6左右。

由此可以看出,巷道圍巖的支護(hù)重點(diǎn)應(yīng)圍繞巷道圍巖的應(yīng)力集中區(qū),即巷道的幫部及頂板。但此次研究的近距離煤層巷道區(qū)別于一般的回采巷道,巷道受到了上組煤的采動(dòng)影響,因此,研究采動(dòng)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的影響十分重要。

上組煤開采過程中,由于應(yīng)力卸載的原因,工作面后方的下組煤巷道多處于垂直應(yīng)力卸載區(qū),圍巖應(yīng)力集中程度較小。而工作面前方的下組煤巷道受到超前支承壓力的影響,時(shí)常出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的情況,因此,研究中截取了上組煤采動(dòng)影響下工作面前方某截面處的下組煤巷道應(yīng)力分布情況,如圖4所示。

圖4 上組煤回采期間巷道圍巖應(yīng)力分布

如圖4所示,采動(dòng)影響下由于工作面超前支承壓力的影響,巷道淺部圍巖各處應(yīng)力均有所提升,巷道穩(wěn)定性勢(shì)必會(huì)受到一定的影響。如圖4(a)所示,在采動(dòng)影響下,巷道幫部圍巖的最大垂直應(yīng)力提升至24.07 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到了2.41;巷道圍巖的水平應(yīng)力最大達(dá)到12.21 MPa。這表明在回采影響下,工作面前方的下組煤巷道圍巖水平應(yīng)力變化并不大,但垂直應(yīng)力會(huì)有明顯提升,回采前后巷道圍巖的主要應(yīng)力集中區(qū)在巷道頂?shù)装搴蛢蓭汀?/p>

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

巷道斷面為矩形,尺寸為巷寬4000 mm×巷高2600 mm。根據(jù)巷道斷面尺寸、現(xiàn)場(chǎng)材料和礦壓情況,設(shè)計(jì)的支護(hù)方案如圖5所示。巷道頂板采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排5根對(duì)稱布置于頂板,錨桿間排距為900 mm×1000 mm;兩幫采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排2根,間排距為1000 mm×1000 mm,每根錨桿配以2支錨固劑,并配以鋼帶托盤固定。錨索采用Φ 17.8 mm×5200 mm的錨索,每兩排布置2根,間排距為1800 mm×2000 mm。固定托盤前在巷道表面鋪設(shè)了鋼帶和鋼筋網(wǎng)。

圖5 巷道支護(hù)方案(單位:mm)

3 掘進(jìn)期間巷道穩(wěn)定性分析

巷道圍巖變形以及塑性破壞情況是支護(hù)效果最直接的表現(xiàn),因此提取了無支護(hù)與有支護(hù)條件下掘進(jìn)期間的巷道變形情況與塑性區(qū)分布情況,以分析支護(hù)效果,如圖6至圖8所示。

圖6 巷道圍巖豎向位移

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖6可以看出,巷道掘進(jìn)期間無支護(hù)情況下巷道頂板變形為19.72 mm,支護(hù)條件下巷道頂板變形為19.35 mm,巷道整體變形量較小。從圖7中可以看出,巷道掘進(jìn)期間無支護(hù)情況下巷道兩幫收斂量為43.30 mm,支護(hù)條件下巷道兩幫收斂量為39.82 mm,變形量降低了8.03%。由圖8可以看出,在支護(hù)條件下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)較無支護(hù)條件時(shí)得到了明顯改善,塑性區(qū)范圍也明顯縮小,這表明該支護(hù)方案在掘進(jìn)區(qū)間對(duì)頂?shù)装逅苄宰冃纹鸬搅艘欢ǖ目刂啤?/p>

圖7 巷道圍巖水平位移

綜上所述,設(shè)計(jì)方案對(duì)掘進(jìn)期間巷道的變形和塑性區(qū)控制具有一定的作用,可有效地控制巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃问諗俊?/p>

4 回采期間巷道穩(wěn)定性分析

該巷道受到采動(dòng)影響,巷道變形最嚴(yán)重的時(shí)期并非掘進(jìn)期間,能否控制巷道在采動(dòng)影響下的變形破壞才是支護(hù)的關(guān)鍵所在。因此,提取巷道回采期間,工作面前方某截面在無支護(hù)與有支護(hù)條件下的巷道變形情況與塑性區(qū)分布情況,如圖9至圖11所示。

由圖9可以看出,回采期間無支護(hù)情況下的巷道頂板變形為52.74 mm,有支護(hù)條件下的巷道頂板變形為52.48 mm,可見上組煤回采對(duì)下位巷道的影響較大。由圖10可以看出,巷道掘進(jìn)期間無支護(hù)情況下巷道兩幫收斂量為75.54 mm,有支護(hù)條件下的巷道兩幫收斂量為72.03 mm,變形降低4.65%。由圖11可以看出,回采影響下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展迅速,有支護(hù)條件下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)較無支護(hù)時(shí)有明顯縮小,這表明該支護(hù)方案有效地控制了巷道在上組煤回采過程中的圍巖塑性破壞。

圖9 回采后巷道圍巖豎向位移

圖10 回采后巷道圍巖水平位移

圖11 回采后巷道圍巖塑性區(qū)分布

綜上可以看出,上組煤的回采對(duì)下組煤中的既有巷道的變形破壞影響極大,支護(hù)措施可以有效地改善巷道變形和塑性破壞。

5 結(jié)論

調(diào)查發(fā)現(xiàn)山西省某礦瓦斯底抽巷在近距離煤層開采過程中,上組煤的回采會(huì)對(duì)下組煤中的既有巷道造成嚴(yán)重的塑性破壞,從而出現(xiàn)巷道圍巖破碎、變形加劇的現(xiàn)象。

本文通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了近距離煤層下組煤瓦斯底抽巷在掘進(jìn)期間、上組煤回采期間巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境及回采對(duì)巷道應(yīng)力環(huán)境的影響,以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了合理的巷道支護(hù)方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明,實(shí)施支護(hù)措施后,在巷道掘進(jìn)期間、上組煤回采期間,巷道的豎向位移、水平位移均有明顯減小,巷道淺部圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況也得到了明顯改善。