巷道群應(yīng)力場(chǎng)演化特征與支護(hù)技術(shù)研究

張 劍,王俊虎,劉愛卿,王國(guó)強(qiáng)

(1.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013; 4.西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 杜兒坪煤礦,山西 太原 030000; 5.霍州煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 霍州 031400)

煤層集中巷屬于典型巷道群布置方式,有關(guān)巷道群開挖相互擾動(dòng)影響因素研究已取得許多學(xué)術(shù)成果,如KAN J G等[1]研究了深井巷群鄰近巷道爆破和掘進(jìn)擾動(dòng)的影響因素,采用 FLAC3D模擬方法得到了巷道開挖方式和巷道群層位變化,以及是否采用錨桿支護(hù)3個(gè)因素對(duì)相鄰巷道擾動(dòng)效應(yīng)的影響規(guī)律;盧興利等[2]研究認(rèn)為巷道群開挖應(yīng)減少巷道相互間開挖擾動(dòng)影響,提出先開挖支護(hù)兩側(cè)巷道,后開挖支護(hù)中間巷道的觀點(diǎn);劉帥等[3]研究指出巷道群后掘巷道打破先掘巷道應(yīng)力平衡,導(dǎo)致先掘巷道圍巖變形劇烈;姜希印等[4]研究了大巷群兩側(cè)工作面回采對(duì)其穩(wěn)定性的影響,據(jù)此確定了大巷保護(hù)煤柱寬度;孫光中等[5]研究了大巷群與工作面平行布置條件下,不同保護(hù)煤柱尺寸對(duì)巷道群穩(wěn)定性的影響;鄭兵亮[6]研究得出窄煤柱巷道群處于應(yīng)力增高區(qū);張向陽(yáng)等[7]研究了巷道圍巖屬性對(duì)其穩(wěn)定有很大影響,得出強(qiáng)度高巖層變形小于強(qiáng)度低巖層變形。開挖方式和巷間煤柱尺寸也影響著巷道群應(yīng)力場(chǎng)分布特征和應(yīng)力集中強(qiáng)度,但相關(guān)研究相對(duì)較少。

巷道群開挖穩(wěn)定性的控制方法及技術(shù)也獲得不少相關(guān)研究成果,如孟慶彬等[8]針對(duì)淮南朱集西煤礦西翼開拓巷道群圍巖受擾動(dòng)變形破壞特點(diǎn),提出采用“錨網(wǎng)噴初次支護(hù)+預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)+注漿加固”的錨網(wǎng)索噴注分步聯(lián)合支護(hù)技術(shù);XIAO L G等[9]針對(duì)淮南地區(qū)某深部煤礦相鄰巷道在高地應(yīng)力條件下的開挖擾動(dòng)進(jìn)行了研究,指出相鄰巷道擾動(dòng)效應(yīng)具有時(shí)空特征,應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)安裝支護(hù)結(jié)構(gòu),并采取對(duì)相鄰巷道加固減少擾動(dòng)的措施;于洋等[10]針對(duì)棋盤井煤礦大巷群受到鄰近巷道和雙翼工作面多次采動(dòng)應(yīng)力影響出現(xiàn)劇烈破壞狀況,提出大巷群圍巖修復(fù)加固采用“淺孔注漿+高強(qiáng)讓壓錨桿”和“深孔注漿+高延伸率讓壓錨索”為一體的內(nèi)外圈加固技術(shù)。筆者以杜兒坪煤礦南九盤區(qū)巷道群開挖為研究對(duì)象,研究分步開挖方式下巷道群應(yīng)力場(chǎng)的演化特征,以及煤柱寬度對(duì)應(yīng)力集中強(qiáng)度的影響,在巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估的基礎(chǔ)上,針對(duì)性提出膠帶巷支護(hù)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好效果,可為類似巷道群開挖支護(hù)提供有益指導(dǎo)。

1 巷道群應(yīng)力場(chǎng)演化特征

1.1 巷道布置方式

杜兒坪煤礦南九盤區(qū)巷道群布置如圖1所示,其中軌道、膠帶及回風(fēng)3條巷道均為布置于2#煤層的半煤巖巷道,方位為N66°E,保護(hù)煤柱寬度由上到下依次為16、20、27 m,服務(wù)于南九和南十2個(gè)盤區(qū),預(yù)計(jì)使用年限至少15年。

圖1 杜兒坪煤礦南九盤區(qū)巷道群布置示意圖

1.2 構(gòu)建數(shù)值模型

巷道群開挖處于復(fù)雜圍巖環(huán)境,掌握其應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律,為巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。結(jié)合南九盤區(qū)圍巖條件,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法,構(gòu)建大小為120 m×50 m×50 m的數(shù)值模型,劃分300 000節(jié)單元,如圖2所示。采用直角坐標(biāo)系,xOy平面取為水平面,z軸取鉛直方向,并且規(guī)定向上為正,滿足右手螺旋法則。

圖2 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型圖

模型上部為自由邊界,四周和底部采用鉸支。根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果,z方向垂直應(yīng)力為13.63 MPa,x方向水平應(yīng)力為13.67 MPa,y方向水平應(yīng)力為6.94 MPa,采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,煤巖力學(xué)參數(shù)見表1[11]。井下按照軌道巷、膠帶巷及回風(fēng)巷依次掘進(jìn),模擬也按此分步開挖計(jì)算。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

軌道巷開挖完畢后,巷道群垂直應(yīng)力分布曲線見圖3(a)中巷道相對(duì)位置40～60 m區(qū)域?？梢钥闯?軌道巷兩側(cè)應(yīng)力增高,煤柱和實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值分別為21.5、20.9 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)應(yīng)為1.58和1.54,煤柱側(cè)應(yīng)力集中強(qiáng)度略高于實(shí)體煤側(cè);而應(yīng)力峰值位置與煤柱和實(shí)體煤側(cè)水平距離分別為3.20、2.00 m,應(yīng)力峰值煤柱側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)。16 m寬煤柱中央垂直應(yīng)力為16.8 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.24,明顯大于原巖應(yīng)力。

(a)軌道巷開挖后

依次再開挖膠帶巷后,垂直應(yīng)力分布曲線見圖3(b)中巷道相對(duì)位置60～80 m區(qū)域?？梢钥闯?膠帶巷也出現(xiàn)應(yīng)力增高現(xiàn)象,與煤柱側(cè)水平距離3.07 m位置垂直應(yīng)力集中強(qiáng)度達(dá)到峰值,應(yīng)力峰值及其應(yīng)力集中系數(shù)分別為21.0 MPa和1.54;與實(shí)體煤側(cè)水平距離2.14 m位置垂直應(yīng)力集中強(qiáng)度最大,應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)分別為20.8 MPa和1.53。20 m寬煤柱中央垂直應(yīng)力達(dá)到了16.3 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.20,大于原巖應(yīng)力。

最后完成回風(fēng)巷開挖,垂直應(yīng)力分布曲線見圖3(c)中巷道相對(duì)位置80～100 m區(qū)域?？梢钥闯?回風(fēng)巷同樣出現(xiàn)應(yīng)力增高現(xiàn)象,煤柱和實(shí)體煤側(cè)峰值應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù)分別為20.3、20.2 MPa和1.49、1.48,與巷幫水平距離分別為煤柱側(cè)2.17 m、實(shí)體煤側(cè)2.04 m。27 m寬煤柱中央垂直應(yīng)力為15.6 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.15,仍大于原巖應(yīng)力。

垂直應(yīng)力峰值、應(yīng)力集中系數(shù)及距巷幫水平距離與對(duì)應(yīng)寬度煤柱關(guān)系曲線如圖4所示。

(a)垂直應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)

由圖4(a)可知,巷道群采取依次分步開挖方式,因巷間保護(hù)煤柱寬度不同,巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力分布形態(tài)存在差異。隨巷間煤柱寬度增大,巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力峰值降低,煤柱寬度由16 m增大到20 m直至27 m,巷道煤柱側(cè)垂直應(yīng)力峰值由21.5 MPa下降到21.0 MPa,再降低到20.3 MPa,而巷道實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值也由20.9 MPa下降到20.8 MPa,再降低到約20.2 MPa;相應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)也隨煤柱寬度增大而減小,巷道兩側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)依次為1.58、1.54、1.49和1.54、1.53、1.48,煤柱寬度顯著影響巷道群應(yīng)力集中強(qiáng)度,增大護(hù)巷煤柱寬度有助于減弱應(yīng)力集中強(qiáng)度,減輕巷道間應(yīng)力相互干擾程度。

由圖4(b)可知,煤柱寬度不僅決定垂直應(yīng)力集中強(qiáng)度,而且也關(guān)系到應(yīng)力峰值位置距巷幫水平距離大小。16、20、27 m三種寬度煤柱,巷道煤柱側(cè)垂直應(yīng)力峰值位置與煤幫水平距離分別為3.20、3.07、2.17 m,隨煤柱寬度增大,水平距離呈減小趨勢(shì);而巷道實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值位置與煤幫水平距離分別為2.00、2.14、2.04 m,隨煤柱寬度增加呈先增大后減小特征。巷道群采用依次分步開挖方式,煤柱側(cè)垂直應(yīng)力峰值位置與巷幫水平距離大于實(shí)體煤側(cè),表明巷道煤柱側(cè)塑性區(qū)范圍大于實(shí)體煤側(cè)。

由圖4(c)可知,煤柱寬度分別為16、20、27 m時(shí),煤柱中央垂直應(yīng)力依次為16.8、16.3、15.6 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)應(yīng)為1.24、1.20、1.15,盡管加大煤柱寬度,煤柱中央垂直應(yīng)力及其應(yīng)力集中系數(shù)均減小,但始終大于原巖應(yīng)力,巷道開挖后始終處于高應(yīng)力狀態(tài),故支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠富裕系數(shù)。

2 巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)估

2.1 地應(yīng)力對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

地應(yīng)力是引起巷道圍巖變形破壞的根本驅(qū)動(dòng)力,獲取準(zhǔn)確的地應(yīng)力數(shù)據(jù)是進(jìn)行巷道支護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)的重要抓手。在南九盤區(qū)軌道巷采用水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法進(jìn)行了原位地應(yīng)力測(cè)量[12],結(jié)果表明最大水平應(yīng)力為13.67 MPa,測(cè)點(diǎn)埋深為497 m,垂直應(yīng)力為12.43 MPa,表明南九盤區(qū)為中等地應(yīng)力區(qū)[13],側(cè)壓系數(shù)為1.1,形成以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。控制兩幫穩(wěn)定是保持巷道圍巖穩(wěn)定之關(guān)鍵。

地應(yīng)力場(chǎng)類型也對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定具有重要影響[14]。進(jìn)行巷道布置時(shí),必須考慮巷道軸線與最大水平主應(yīng)力之間的夾角,對(duì)于σHV型地應(yīng)力場(chǎng),巷道最佳布置方位為巷道軸向與最大水平主應(yīng)力方向呈固定夾角,由下式確定:

(1)

式中:θ為巷道布置方位與最大水平主應(yīng)力方向的夾角,(°);σH為最大水平主應(yīng)力,MPa;σh為最小水平主應(yīng)力,MPa;σV為垂直主應(yīng)力,MPa。

南九盤區(qū)巷道布置方位為N66°E,由實(shí)測(cè)得到最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹9°E,二者夾角為57°,巷道最佳布置方位與最大水平主應(yīng)力夾角經(jīng)式(1)計(jì)算為65°,二者相差僅8°,見圖5。因此,巷道受到水平主應(yīng)力方向影響甚小,可見南九盤區(qū)巷道群開拓延伸處于理想方位。

圖5 巷道布置方位與地應(yīng)力方向關(guān)系

2.2 圍巖強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響

南九盤區(qū)圍巖綜合柱狀圖見圖6。2#煤層頂板為典型復(fù)合頂板,由厚1.85 m砂質(zhì)泥巖,厚0.55 m 2上煤層和厚1.20 m砂質(zhì)泥巖組成,砂質(zhì)泥巖中間夾雜薄煤線。

圖6 圍巖綜合柱狀圖

在井下巷道實(shí)地開展了圍巖結(jié)構(gòu)觀察和圍巖強(qiáng)度測(cè)量,巷道頂幫煤巖強(qiáng)度分布如圖7所示?？梢钥闯?0～0.9 m為砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度平均值為30.78 MPa;0.9～1.6 m為2上煤層,強(qiáng)度平均值為17.57 MPa;1.6～2.1 m又為砂質(zhì)泥巖,強(qiáng)度平均值為36.33 MPa,巷道圍巖結(jié)構(gòu)觀察證實(shí)2#煤層頂板確由砂質(zhì)泥巖及薄煤線組成的復(fù)合煤巖頂板,但砂質(zhì)泥巖和薄煤線厚度變化不定。綜合柱狀圖顯示復(fù)合煤巖頂板厚度為3.60 m,而圍巖結(jié)構(gòu)觀察卻為2.10 m,相差懸殊,時(shí)薄時(shí)厚,分布極不穩(wěn)定,而且發(fā)育眾多裂隙和破碎帶(見圖8),由此導(dǎo)致煤巖體強(qiáng)度大小劇烈波動(dòng),而且薄弱結(jié)構(gòu)大多位于薄煤線與砂質(zhì)泥巖結(jié)合部位。

圖7 頂幫煤巖強(qiáng)度分布

圖8 煤巖結(jié)構(gòu)發(fā)育特征

錨桿支護(hù)主要作用在于控制巷道淺部圍巖阻止其離層擴(kuò)容變形[15]。根據(jù)巷道煤巖復(fù)合頂板賦存特點(diǎn),錨桿桿體錨固范圍位于薄煤線與泥巖層組合部位。煤巖結(jié)合部位由2種不同煤巖介質(zhì)組成,又發(fā)育有裂隙等弱結(jié)構(gòu)面,不僅影響錨桿錨固特性[16],削弱錨桿控制巷道淺部圍巖效果,而且巷道淺部圍巖存在離層冒落風(fēng)險(xiǎn),故而控制巷道淺部復(fù)合煤巖頂板穩(wěn)定至關(guān)重要。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 基本地質(zhì)條件

南九盤區(qū)2#煤層3條集中巷沿頂破底掘進(jìn),2#煤層埋藏深度為497～592 m,平均深度為540 m,厚度為1.80～2.20 m,平均2.00 m,傾角2°～6°,平均傾角3°,為近水平煤層。

3.2 膠帶巷支護(hù)方案

選擇膠帶巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)試驗(yàn),設(shè)計(jì)其為矩形斷面,尺寸為4 600 mm×3 300 mm,采用全斷面預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合錨索支護(hù)技術(shù),膠帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)如圖9所示。鑒于膠帶巷頂板錨桿控制的淺部圍巖由砂質(zhì)泥巖和薄煤線組成,且層厚波動(dòng)大、煤巖不整合接觸面易離層,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,巷幫處于應(yīng)力增高區(qū),承受較大垂直應(yīng)力。因此,在頂板布置6根、兩幫各布置4根高強(qiáng)錨桿,其直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 400 mm,極限載荷為217 kN,延伸率不低于20%;為確保錨桿桿體與巷道圍巖錨固長(zhǎng)度和錨固效果,頂板采用1支MSCK2360和1支MSM2380錨固劑實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)錨固,而兩幫采用1支MSM2380錨固劑確保加長(zhǎng)錨固。為了確保錨桿控制巷道淺部煤巖形成有效的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)[17],采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù),錨桿預(yù)緊轉(zhuǎn)矩設(shè)置為400 N·m,可實(shí)現(xiàn)有效預(yù)應(yīng)力達(dá)到70 kN以上[18]。

圖9 膠帶巷支護(hù)設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)膠帶巷淺部圍巖形成的承載結(jié)構(gòu),采用錨索加固巷道較深部圍巖,與淺部圍巖形成雙承載結(jié)構(gòu)共同抵抗深部圍巖擴(kuò)容變形破壞,保證巷道圍巖整體穩(wěn)定,因此,在頂板布置2根、兩幫各布置2根、直徑21.6 mm錨索,其中頂板錨索長(zhǎng)度5 300 mm;依據(jù)數(shù)值計(jì)算所得結(jié)論,煤柱幫和實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力峰值位置分別超過3.0 m和2.0 m,故左幫錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)4 300 mm、右?guī)湾^索設(shè)計(jì)長(zhǎng)3 300 mm,其破斷載荷為520 kN。為確保錨桿錨索形成的雙承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,采用高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)[19],錨索預(yù)緊力設(shè)置為250 kN。錨桿配套規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm高強(qiáng)度拱形托板,其承載力超過300 kN;錨索配套300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度方形托板,其承載力超過700 kN,以及配套球墊和減摩墊片,有利于實(shí)現(xiàn)錨桿錨索高預(yù)應(yīng)力高效擴(kuò)散和有效傳遞到深部圍巖,保證巷道圍巖安全穩(wěn)定[20]。頂幫再采用厚度3 mm、寬度280 mm、長(zhǎng)度4 200 mm/400 mm高強(qiáng)度W鋼帶及鋼護(hù)板和鋼筋網(wǎng)護(hù)表。頂幫錨桿間排距為800 mm×1 000 m,頂錨索間排距為1 200 mm×2 000 mm,左右?guī)湾^索間排距為1 600 mm×2 000 mm。

3.3 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

膠帶巷掘進(jìn)期間進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè),巷道表面位移與掘進(jìn)距離變化關(guān)系曲線如圖10所示?？梢钥闯?隨掘進(jìn)工作面不斷向前推進(jìn),巷道變形量逐步增大,在30 m后圍巖變形趨于穩(wěn)定,最終頂?shù)装逦灰品€(wěn)定在87 mm,兩幫位移保持在81 mm,支護(hù)效果良好。后期使用期間始終保持穩(wěn)定,較好地服務(wù)于2個(gè)盤區(qū)煤炭開采,為煤礦巷道群開挖支護(hù)提供了有益的指導(dǎo)。

圖10 巷道表面位移變化曲線

4 結(jié)論

1)數(shù)值計(jì)算表明,煤柱側(cè)應(yīng)力集中強(qiáng)度高于實(shí)體煤側(cè),垂直應(yīng)力峰值位置與煤幫水平距離煤柱側(cè)大于實(shí)體煤側(cè);增大煤柱寬度,則應(yīng)力集中強(qiáng)度減弱,煤柱尺寸影響應(yīng)力集中程度,巷道開挖后仍處于高應(yīng)力狀態(tài),支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠富裕系數(shù)。

2)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果為中等水平,形成以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),巷道開拓方位趨向有利于最大水平主應(yīng)力方向延伸,地應(yīng)力大小及方向?qū)ο锏廊悍€(wěn)定影響較小。

3)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度測(cè)量證實(shí),巷道頂板是由砂質(zhì)泥巖和薄煤線組成的厚度變化不定的復(fù)合型頂板,因裂隙發(fā)育煤巖體強(qiáng)度波動(dòng)劇烈、穩(wěn)定性差,控制巷道淺部復(fù)合煤巖頂板穩(wěn)定性非常重要。

4)基于圍巖評(píng)估和數(shù)值模擬結(jié)果,膠帶巷采用預(yù)應(yīng)力錨桿聯(lián)合錨索支護(hù)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笪灰品謩e為87、81 mm,井下試驗(yàn)取得良好效果,為煤礦巷道群開挖支護(hù)提供了有益指導(dǎo)。