高海拔大傾角特厚煤層巷道斷面設計研究*

趙得福 ,羅勇 ,孔祥俊,任波,蔣祥卿,冶平,李啟發(fā),任帥

(1.青海省能源發(fā)展(集團)有限責任公司,青海 西寧 810000;2.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司,安徽 淮南市 232000;3.深部煤炭開采耦合災害防控國家礦山安全監(jiān)察局重點實驗室,安徽 淮南市 232000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計,我國煤炭儲量十分豐富,特別是近年來新疆內(nèi)蒙板塊整裝煤田的發(fā)現(xiàn),使得厚煤層儲量進一步增加。大部分厚煤層有著大傾角、高海拔的特點,因此如何合理開發(fā)厚煤層對我國煤炭行業(yè)的發(fā)展有著重要的影響[1-4]。特厚煤層開采時巷道斷面的選擇及布置方式對應力有重要影響,因此如何確定高海拔下大傾角特厚煤層巷道斷面的形狀是采礦行業(yè)亟須解決的問題[5-9]。

國內(nèi)外學者針對特厚煤層開采條件下煤柱寬度、頂板巷道支護技術和錨桿參數(shù)優(yōu)化開展了大量研究[10-11]。王金華等[12]結合塔山煤礦巨厚煤層頂板巷道5105回風巷,利用數(shù)值模擬方法分析了巷道取不同參數(shù)值時,頂煤厚度、巷道高寬比、地應力大小等圍巖變形特征。于永江等[13]結合數(shù)值模擬和鉆孔窺視方法,提出采用高強度、大剛度長錨桿和長錨索控制巨厚復合頂煤大巷的新思路。蔣志剛等[14]對厚頂煤大斷面開切眼支護技術進行了研究。張農(nóng)等[15]在應力強度因子、工程環(huán)境因素、頂板賦存結構等評價指標中運用層次分析法科學比較確定權重,以實現(xiàn)不同地質(zhì)條件下的巷道高效支護。肖同強等[16]采用相似模擬試驗,對錨索梁支護技術在厚頂煤巷道條件下的適用性進行了深入分析研究,并提出了依靠斜拉錨索提高兩幫承載能力的局部補強措施。

本文以魚卡一井1179工作面回風巷道為工程研究背景,通過理論計算、數(shù)值模擬等方式確定合適的斷面類型,從源頭提供合理支護策略,可為同等地質(zhì)條件下的巷道支護提供技術參考。

1 工程背景

1179工作面回風巷道位于魚卡一井一水平一采區(qū),巷道地面標高＋3180～＋3211 m。地面范圍內(nèi)總體地形較平坦,地勢南東高,北西低,南部及西部有低山丘陵。該巷道位于1#主副井筒保護煤柱以東,東以F4斷層為邊界,北為未開采區(qū),南部為正在回采的1177工作面。巷道標高＋2810 m,掘進總長度為2187 m,錨桿支護試驗長度不小于200 m。試驗區(qū)段位于1177工作面采前及采后各約100 m區(qū)域,1179工作面回風巷道寬5 m、高4 m,巷道設計沿著M7煤層底板掘進,距1177工作面運輸巷道平距20 m(1177工作面運輸巷道沿M7煤層頂板掘進),1179工作面回風巷道與1177工作面運輸巷道層位關系如圖1所示,1179工作面回風巷道煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示。

圖1 巷道層位關系

圖2 1179工作面回風巷道煤層頂?shù)装逯鶢顖D

2 巷道支護危險源分析及技術對策

2.1 巷道支護危險源分析

根據(jù)1179工作面回風巷道地質(zhì)條件分析,1179工作面回風巷道錨桿(索)支護危險源主要表現(xiàn)在以下5個方面。

(1)巷道逮頂煤沿M7煤層底板施工,頂煤存在高位漏冒風險。M7 煤層傾角為18°～34°,厚度為14～24 m,并含有4～5層夾矸。若巷道沿M7煤層底板掘進,巷道頂煤厚度平均超過10 m,而大傾角及煤層夾矸的存在不僅破壞了煤層的整體性,而且也極易在頂煤所形成的組合拱(梁)結構中產(chǎn)生離層現(xiàn)象。因此,控制巷道頂煤夾矸離層(特別是高位離層)及防止頂煤整體垮落是1179工作面回風巷道錨桿(索)支護的重點。

(2)巷道迎采面掘進,采動支承壓力和側(cè)向支承壓力相互疊加。1179工作面回風巷道與1177工作面回采相向進行,當巷道進入1177工作面超前支承壓力影響范圍時,巷道圍巖壓力逐漸增加;當工作面采過巷道迎頭后,巷道將會受到工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊?并且不利于頂煤控制。

(3)錨索生根于煤層,存在可錨性差、錨固力低的風險。根據(jù)M7煤層力學參數(shù)測試結果,M7煤層抗壓強度為6.78 MPa、抗拉強度為0.43 MPa,說明煤層的可錨性差、錨索存在錨固力低的風險。

(4)巷道與主應力方向不一致。從方位角來看,1179工作面回風巷道方位近似EW,根據(jù)地應力測試資料分析,整個礦區(qū)最大主應力方位角在37°～39°之間,在實測方位角(35.4°～50.4°)范圍內(nèi),說明最大水平應力方向與巷道走向有一定夾角,不利于頂板控制。

(5)巷道斷面大,頂幫穩(wěn)定性差。1179工作面回風巷道寬5 m、高4 m,頂幫均存在失穩(wěn)風險,煤幫尤其是煤柱幫高度達4 m,幫部穩(wěn)定性控制難度較大。

2.2 巷道支護技術對策

魚卡一井M7 煤采用放頂煤開采,回風巷道逮頂煤、沿M7煤底板掘進,而M7 煤不僅厚,而且煤層內(nèi)含有多層夾矸,為了提高巷道支護效果,防止頂板錨索因錨固低而產(chǎn)生高位離層現(xiàn)象,應采取以下技術對策。

(1)優(yōu)化巷道斷面形狀,避免應力集中。一般情況下工作面回采巷道常采用矩形或梯形斷面,而矩形、梯形斷面肩角處受力比較集中,其抗變形能力也大大降低。與圓弧拱形斷面相比,矩形巷道假想自由冒落拱巖體自重不僅增加了支護載荷,而且也制約了頂板錨桿、錨索向深部穩(wěn)定煤體錨固。此外,矩形斷面力的傳遞性能較圓弧拱形斷面差,而拱形斷面能很好地將頂部受力向兩幫分解,從而降低巷道的破壞作用,因此通過優(yōu)化巷道斷面形狀,有利于提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

(2)優(yōu)化巷道肩角及底角錨桿布置,重點易破壞區(qū)域采用錨索加固。理論分析及實驗室相似模擬結果表明,逮頂煤巷道易在頂板、兩幫中部受拉應力破壞,肩角、底角處易出現(xiàn)應力集中而受到壓剪應力破壞。因此,應通過優(yōu)化肩角、底角錨桿布置,并對重點易破壞區(qū)域采用錨索加固(如煤柱幫肩窩位置),保持易破壞區(qū)域圍巖穩(wěn)定,從而保證沿底掘進厚頂煤巷道圍巖整體穩(wěn)定。

(3)頂、幫錨桿整體組合支護。由于M7煤厚、夾矸多,且煤層傾角大,巷道沿底板掘進時,破壞了頂煤的層狀結構,導致頂煤存在離層漏冒風險。為此,在優(yōu)化巷道斷面形狀基礎上,同時將頂、幫錨桿通過拱頂鋼筋梯子梁和幫部鋼筋梯子梁搭接布置,形成一個整體結構,可提高頂板兩側(cè)肩窩處圍巖的穩(wěn)定性。

3 大傾角厚煤頂回采巷道斷面形狀確定

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)1179工作面回風巷道地質(zhì)資料,并考慮計算需要,確定了矩形、直墻微拱形和直墻圓拱形巷道斷面3種數(shù)值計算模型進行對比分析。模型均采用平面應變模型假設,設計尺寸為50 m×50 m,頂部施加壓力補償,兩側(cè)圍巖施加水平應力,側(cè)壓力系數(shù)取1.1。采用Mohr-Coulomb 本構模型,應變模式采用大應變變形模式,模型底部限制垂直移動,模型前后和側(cè)面限制水平移動,3種數(shù)值計算模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值計算模型建立

方案1:矩形斷面,巷道寬度為5 m,高度為3.5 m。

方案2:微拱形斷面,巷道寬度為5 m,高度為3.5 m,左右兩肩窩半徑為1 m。

方案3:直墻圓拱形斷面,巷道寬度為5 m,高度為4 m,圓拱半徑為2.5 m,直墻為1.5 m。

為避免不同斷面形狀對巷道支護參數(shù)的影響,真實反映各種斷面形狀對巷道圍巖應力分布及穩(wěn)定狀況影響規(guī)律,巷道均采取加固措施,通過對比各方案巷道圍巖變形規(guī)律、塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律、應力分布規(guī)律等差異,確定最優(yōu)巷道斷面。

相關物理力學參數(shù)見表1、表2。

表1 計算采用巖體力學參數(shù)

表2 計算采用節(jié)理參數(shù)

3.2 數(shù)值計算結果分析

3.2.1 巷道圍巖位移場分布規(guī)律

為對比分析不同巷道斷面方案巷道圍巖變形及應力分布規(guī)律,在巷道兩幫及頂?shù)装寰贾昧吮O(jiān)測線,監(jiān)測線深度距巷道表面10 m,如圖4所示。

圖4 巷道周邊監(jiān)測線布置

不同方案巷道圍巖表面位移見表3。

表3 不同方案巷道圍巖表面位移(監(jiān)測線值)

方案1:矩形巷道左幫變形量為116.5 mm,主要發(fā)生在3 m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?7 mm,主要發(fā)生在2.5 m 以淺;頂板下沉274.6 mm,底鼓量為238.3 mm,主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

(3)矩形和微拱形巷道正頂1 m 深度范圍內(nèi)巖層發(fā)生顯著位移,而直墻圓拱形巷道頂板巖層變形更為均勻,未發(fā)生顯著位移,表明曲線型巷道對圍巖穩(wěn)定更為有利。

3.2.2 巷道圍巖位移場分布規(guī)律

圖5為巷道兩幫垂直應力分布曲線。由圖5可知,矩形巷道與微拱形巷道應力值與分布規(guī)律總體上基本一致,在巷道右?guī)蛻Ψ逯党霈F(xiàn)在距巷道表面3 m 的深度,垂直應力值分別為18.26 MPa和17.88 MPa,應力集中系數(shù)分別達到了1.96 和1.92,應力集中程度明顯。在巷道左幫矩形巷道與微拱形巷道,垂直應力峰值分別出現(xiàn)在距巷幫3.5 m 和2.5 m 的深度,應力值分別為17.51 MPa和17.64 MPa,應力集中系數(shù)分別為1.88和1.89,說明微拱形巷道幫部穩(wěn)定性優(yōu)于矩形巷道。

圖5 不同斷面巷道兩幫應力分布曲線

直墻圓拱形巷道較前兩者應力分布規(guī)律有較大差異。巷道右?guī)痛怪睉Ψ逯党霈F(xiàn)在距巷幫3 m的深度,應力值為15.79 MPa,應力集中系數(shù)為1.69;巷道左幫垂直應力峰值出現(xiàn)在距巷幫3.5 m的位置,應力值為16.05 MPa,應力集中系數(shù)為1.72,應力集中程度較前兩種巷道斷面顯著降低,降低幅度約為14%,說明曲線型巷道斷面有利于巷道圍巖應力優(yōu)化。

方案2:微拱形巷道左幫變形量為102.4 mm,主要發(fā)生在3m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?3 mm,主要發(fā)生在2.5 m 以淺;頂板下沉242.3 mm,底鼓量為255 mm,且主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

方案3:直墻圓拱形巷道。監(jiān)測線處巷道左幫變形量為106.1 mm,且主要發(fā)生在3 m 以淺;右?guī)妥冃瘟繛?9.3 mm,主要發(fā)生在1.5 m 以淺;頂板下沉78 mm,底鼓量為163.2 mm,且主要發(fā)生在1.5 m 以淺的煤底。

總體來看,矩形巷道、微拱形巷道及直墻圓拱形巷道圍巖變形有如下規(guī)律:

(1)對比分析3種方案,巷道圍巖位移量由大到小依次為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道;

(2)巷道圍巖穩(wěn)定性分析表明,微拱形巷道優(yōu)于矩形巷道,直墻圓拱形巷道遠優(yōu)于前兩者;

圖6(a)至圖6(c)分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道周邊最大主應力分布云圖。由圖6可以看出,在巷道周邊均發(fā)生了一定范圍的應力擾動區(qū),表現(xiàn)為應力值的降低,整體上均呈“蝶形”分布,3種方案均在巷道幫部3～3.5 m 深度出現(xiàn)了應力集中區(qū)。

圖6 不同巷道斷面周邊最大主應力分布云圖

對比統(tǒng)計分析3種斷面應力擾動區(qū)范圍,見表4。巷道周邊擾動區(qū)范圍均以巷道為中心,形狀近似橢圓形或圓形。除底板擾動范圍相近外,頂板及左右兩幫擾動區(qū)范圍由大到小分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道。尤其在頂板,矩形巷道顯著大于后兩者。

表4 最大主應力場擾動區(qū)范圍

3.2.3 巷道塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律

圖7(a)至圖7(c)分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道周邊塑性區(qū)分布圖。由圖7可以看出,3種巷道斷面底板三角煤區(qū)域均發(fā)生塑性屈服,在頂板及兩幫均出現(xiàn)大范圍的應力屈服單元,其中矩形巷道及微直墻圓拱形巷道在頂板出現(xiàn)了大范圍的拉伸破壞單元,而微拱形巷道僅在左幫肩窩出現(xiàn)少量的塑性屈服單元。

圖7 不同巷道斷面周邊斷面周邊塑性區(qū)分布

從不同巷道斷面塑性區(qū)范圍發(fā)育情況來看,矩形巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍最大,微拱形巷道次之,直墻圓拱形巷道最小,不同巷道斷面塑性區(qū)范圍見表5。

表5 不同巷道斷面塑性區(qū)范圍

4 結論

(1)理論分析了巷道支護危險源,并提出了巷道支護技術對策,如優(yōu)化巷道斷面形狀、巷道肩角及底角錨桿布置、頂幫錨桿整體組合支護等策略。

(2)對比分析3種方案,巷道圍巖位移量由大到小依次為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道;巷道圍巖穩(wěn)定性分析表明,微拱形巷道較優(yōu)于矩形巷道,直墻圓拱形巷道遠優(yōu)于前兩者。

(3)巷道周邊擾動區(qū)范圍均以巷道為中心,形狀近似橢圓形或圓形。除底板擾動范圍相近外,頂板及左右兩幫擾動區(qū)范圍由大到小分別為矩形巷道、微拱形巷道和直墻圓拱形巷道。尤其在頂板,矩形巷道顯著大于后兩者。

(4)從不同巷道斷面塑性區(qū)范圍發(fā)育情況來看,矩形巷道塑性區(qū)發(fā)育范圍最大,微拱形巷道次之,直墻圓拱形巷道最小。研究表明,在高海拔大傾角特厚煤層開采條件下,直墻圓拱形巷道圍巖控制效果最好。