布爾臺(tái)礦綜采工作面主運(yùn)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

范東林，陳蘇社，王慶雄，王 巍，曹 軍，崔立軍，王彥龍

(1.國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315；2.內(nèi)蒙古煤炭科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

神東礦區(qū)是我國(guó)最大的井工煤礦開采地，絕大部分煤礦的開采區(qū)域集中于埋深100 m以內(nèi)的淺部區(qū)域。隨著煤機(jī)裝備制造水平、機(jī)械化、集約化和自動(dòng)化的不斷發(fā)展，煤礦的開采效率和強(qiáng)度日益激增，尤其以神東特大型煤炭基地為典型代表[1]。但隨著淺部資源的開挖，開采深度的不斷加大，神東礦區(qū)的某些煤礦的開采深度已經(jīng)在400 m左右。因此，必須研究神東礦區(qū)大開采強(qiáng)度下較深埋深條件下開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。李圣軍[2]以神東礦區(qū)哈拉溝煤礦為工程背景，研究了高強(qiáng)度開采下覆巖移動(dòng)變形與地表破壞特征的規(guī)律；楊俊哲等[3，4]以上灣煤礦8.8 m超大采高工作面為工程背景，建立了該條件下工作面開采的力學(xué)模型，研究了超大采高工作面上覆巖層運(yùn)移、破斷規(guī)律及礦壓分布規(guī)律；邸帥[5]等以上灣煤礦12401工作面為背景，采用工程類比、理論分析、相似材料模擬方法分析其頂板運(yùn)移礦壓規(guī)律；李西蒙[6]以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、統(tǒng)計(jì)分析、理論研究、數(shù)值模擬和相似模擬等方法，對(duì)西部礦區(qū)淺埋煤層長(zhǎng)壁綜采工作面快速推進(jìn)條件下覆巖失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)時(shí)空規(guī)律進(jìn)行了研究和探索，總結(jié)了西部淺埋煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀，建立了快速推進(jìn)條件下采場(chǎng)覆巖失穩(wěn)時(shí)空運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型，揭示了推進(jìn)速度對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。何祥[7]用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，建立了神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采覆巖-地表聯(lián)動(dòng)破壞模型，揭示了覆巖破斷和地表裂縫形成機(jī)理，分析了開采參數(shù)和巖層結(jié)構(gòu)對(duì)覆巖-地表聯(lián)動(dòng)破壞的影響機(jī)制；馬茂盛[8]以神東礦區(qū)埋深淺、基巖薄、上覆厚松散沙的典型賦存特征為工程背景，利用相似模擬試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究淺埋煤層頂板破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律與結(jié)構(gòu)形態(tài)，分析了頂板結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性影響因素，并對(duì)礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。目前對(duì)于特大型礦井淺埋深條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究較多[9-15]，但對(duì)于較深埋深條件下大強(qiáng)度開采的主運(yùn)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究較少。本文以布爾臺(tái)煤礦22209綜采工作面為工程背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，研究較深埋深條件下厚煤層開采的主運(yùn)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以期為神東礦區(qū)安全高效礦井礦壓事故監(jiān)測(cè)預(yù)警提供借鑒參考。

1 工程概況

布爾臺(tái)煤礦22209綜采工作面位于2-2煤二盤區(qū)，工作面長(zhǎng)282.5 m，平均煤厚3.62 m，直接頂和老頂均為砂質(zhì)泥巖，厚度分別為1～13 m和5～20 m。工作面沿走向布置，沿煤層傾向推進(jìn)，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的自動(dòng)化采煤法進(jìn)行回采作業(yè)。

22209工作面采用三巷布置，后退式開采，22209主運(yùn)巷道用于工作面的煤炭運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)，呈矩形斷面，巷道斷面凈寬6000 mm，凈高3200 mm，凈斷面積19.2 m2，采用“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+鋼帶”支護(hù)，22209運(yùn)輸巷道支護(hù)方式如圖1所示。工作面采用全部垮落法管理頂板，頂板隨支架前移自行垮落充填采空區(qū)，工作面中部支架選用ZY12000/20/40D，過(guò)渡支架ZYG12000/20/40D，端頭支架ZYT12000/20/40D。

圖1 22209運(yùn)輸巷道支護(hù)方式(mm)Fig. 1 22209 transport roadway support

2 圍巖移動(dòng)變形觀測(cè)

2.1 巷道圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在主運(yùn)巷道共布置5組測(cè)站，測(cè)站初始觀測(cè)距開切眼的距離分別為30、80、130、180、230 m，如圖2所示。觀測(cè)起點(diǎn)距離工作面切眼1719 m，觀測(cè)停止點(diǎn)距離工作面1946 m，累計(jì)觀測(cè)距離不小于200 m。每組測(cè)站布置1個(gè)表面位移變形監(jiān)測(cè)面、1個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)布置10個(gè)圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)站距工作面30 m內(nèi)觀測(cè)頻率為1次/d，30 m以外的觀測(cè)頻率為1次/2d。

圖2 工作面推進(jìn)情況及測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2 Working face advancement and measurement point layout

2.2 巷道圍巖表面位移

采用十字布點(diǎn)法，觀測(cè)巷道圍巖表面變形，并記錄圍巖宏觀特征。自2023年6月22日至2023年7月17日，工作面共推進(jìn)227 m，期間輔運(yùn)巷道及主運(yùn)巷道頂板未發(fā)生明顯下沉；累計(jì)頂板下沉量0 mm，底鼓量0 mm，累計(jì)幫鼓量0 mm。

2.3 頂板離層量

采用頂板離層儀監(jiān)測(cè)直接頂與老頂、錨索錨固范圍內(nèi)的頂板離層情況。根據(jù)22209工作面主運(yùn)巷道測(cè)站1、測(cè)站2、測(cè)站3、測(cè)站4、測(cè)站5的頂板離層觀測(cè)結(jié)果可知，自6月22日至7月17日累計(jì)頂板深部下沉量0 mm，淺部下沉量0 mm。

3 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)

采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)工作面運(yùn)輸巷道兩側(cè)煤壁應(yīng)力變化，掌握巷道兩側(cè)煤壁應(yīng)力分布規(guī)律。在運(yùn)輸巷道超前工作面70 m左右(距工作面開切眼1816 m)位置處，布置5組測(cè)站，如圖3所示，每組測(cè)站包括正幫鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)和副幫鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)布置10個(gè)煤壁鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，孔深2.5 m。觀測(cè)開始日期為7月2日，結(jié)束日期為7月9日。測(cè)站距工作面30 m內(nèi)觀測(cè)頻率為1次/d，30 m以外的觀測(cè)頻率為1次/2d。

圖3 兩幫鉆孔應(yīng)力分布規(guī)律監(jiān)測(cè)站布置Fig. 3 Layout of monitoring stations for stress distribution in two boreholes

兩幫鉆孔應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)1-1、2-1、1-2、2-2、1-4、2-4鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況分析，在距離煤壁50 m左右的位置開始進(jìn)入超前應(yīng)力影響區(qū)域；在距離煤壁10 m左右位置，應(yīng)力增幅明顯增大，推測(cè)進(jìn)出超前壓力峰值區(qū)域，煤壁可能會(huì)出現(xiàn)幫鼓、片幫，甚至存在炸幫的可能性。因此必須嚴(yán)格執(zhí)行超前錨桿索防護(hù)。

圖4 兩幫鉆孔應(yīng)力觀測(cè)曲線Fig. 4 Stress observation curves of two boreholes

4 超前支護(hù)數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

22209工作面模型的尺寸為100 m(長(zhǎng))× 106 m(寬)×83.6m(高)。模型上方豎直向下的壓力為336 m×0.025 MN/m3=8.4 MPa，加載于模型頂部，模擬未建覆巖重量。模型底部約束橫向和縱向位移，前后左右約束橫向位移，左右兩側(cè)預(yù)留了50 m左右的距離，以相處邊界效應(yīng)的影響。數(shù)值模擬中選用Mohr-Coulomb模型。

模型中巖體的物理參數(shù)、泊松比與實(shí)驗(yàn)室測(cè)得巖塊的參數(shù)一致，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，巖體的力學(xué)參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行折算，如巖體的彈性模量為0.469倍巖塊的彈性模量，巖體的單軸抗拉強(qiáng)度為0.5倍巖塊的單軸抗拉強(qiáng)度，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度為0.284倍巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.2.1 未支護(hù)時(shí)的模擬結(jié)果

1)巷道開挖后，受到采動(dòng)的影響，圍巖應(yīng)力平衡被打破而趨向新的平衡狀態(tài)。在巷道四周形成因巷道開挖形成的應(yīng)力場(chǎng)，如圖5(a)所示，即兩幫出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)，頂?shù)装宄霈F(xiàn)低應(yīng)力區(qū)。同時(shí)，圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，由于是煤巷，煤體的強(qiáng)度較頂?shù)装遢^低，因此兩幫塑性區(qū)范圍較大，且以剪切破壞為主，且沿煤壁向上發(fā)育一定深度的剪切破壞，如圖5(b)所示。由于巷道頂板為頂煤，頂?shù)装鍨閺?qiáng)度較大的巖體，因此，頂煤處全部處于塑性狀態(tài)。巷道圍巖塑性區(qū)整體呈現(xiàn)蝶形，但蝶形受控于巖層尤其是煤層的性質(zhì)和厚度等參數(shù)。

圖5 巷道垂直應(yīng)力和塑性區(qū)發(fā)育情況Fig. 5 Development of vertical stress and plastic zone in tunnels

2)巷道圍巖位移情況如圖6(a)所示，由圖可見，巷道頂?shù)装宓闹胁孔冃巫畲?，兩幫變形較小，因此控制頂?shù)装遄冃螢閲鷰r控制的重點(diǎn)。巷道主應(yīng)力分布情況如圖6(b)所示，由圖可見，主應(yīng)力分別在頂?shù)装逍纬扇枪靶巍ｍ敯宓墓绊斁嘞锏谰嚯x約2.6 m，底板的拱底距巷道約為2.1 m。

圖6 巷道圍巖位移及主應(yīng)力分布情況Fig. 6 Distribution of displacement and principal stress in the surrounding rock of the tunnel

3)巷道最大剪應(yīng)力分布情況如圖7所示，由圖可以看出，巷道幫部和頂?shù)捉鞘茏畲蠹魬?yīng)力影響較大，頂?shù)装迨芗魬?yīng)力影響較小。因此，防止頂板受自重下墜是控頂?shù)年P(guān)鍵。錨桿和錨索的作用必須要求做到能夠?qū)㈨敯邋^固住，其次能夠具有一定的抗剪強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的有效控制。

圖7 最大剪應(yīng)力分布情況(Pa)Fig. 7 Distribution of maximum shear stress

4.2.2 支護(hù)后模擬結(jié)果

為了更好地揭示錨桿錨索的支護(hù)機(jī)理，對(duì)巷道超前段支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。支護(hù)后巷道豎直應(yīng)力情況如圖8所示，由圖8可見，巷道開挖支護(hù)后的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)與圍巖應(yīng)力場(chǎng)疊加后，隨著工作面的推進(jìn)，較之未支護(hù)的情況，高應(yīng)力區(qū)在圍巖內(nèi)部的分布深度減小。這表明，支護(hù)導(dǎo)致圍巖破壞區(qū)減小，圍巖有效支撐范圍擴(kuò)大，提供支護(hù)力增加，因此高應(yīng)力范圍向淺部轉(zhuǎn)移。

圖8 支護(hù)后巷道豎直應(yīng)力(Pa)Fig. 8 Vertical stress in roadway after support

以巷道主應(yīng)力和剪切應(yīng)力情況如圖9所示，由圖9可知，較無(wú)支護(hù)情況而言，巷道支護(hù)后主應(yīng)力和剪切應(yīng)力均不同程度縮小了范圍，可見支護(hù)情況下圍巖完整性得到有效提升。

圖9 支護(hù)后巷道主應(yīng)力和剪切應(yīng)力情況(Pa)Fig. 9 Main stress and shear stress of the roadway after support

巷道支護(hù)后塑性區(qū)發(fā)育情況如圖10所示，由圖10可見，支護(hù)后頂板塑性區(qū)塊的數(shù)量下降，巷道兩幫塑性區(qū)范圍相對(duì)較小，且以剪切破壞為主；巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍也相對(duì)較小，以拉伸破壞為主。綜上可見，目前巷道超前支護(hù)效果較好。

圖10 支護(hù)后塑性區(qū)發(fā)育情況Fig. 10 Development of plastic zone after support

5 結(jié) 論

1)巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)顯示，觀測(cè)期間主運(yùn)巷道頂板未發(fā)生明顯下沉，底板未發(fā)生明顯底鼓，兩幫未發(fā)生明顯幫鼓和片幫，巷道圍巖變形可控。

2)根據(jù)煤壁鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值變化情況分析，在距離煤壁45 m左右的位置開始進(jìn)入超前應(yīng)力影響區(qū)域，應(yīng)力值增幅開始明顯；在距離煤壁10 m左右位置，應(yīng)力增幅明顯增大，煤壁可能會(huì)出現(xiàn)幫鼓、片幫，甚至存在炸幫的可能性，推測(cè)此段處于超前支承壓力峰值區(qū)域，因此必須采取超前錨桿錨索防護(hù)。

3)在錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)下，巷道主應(yīng)力和剪切應(yīng)力均不同程度縮小了范圍，圍巖的完整性得到提升；頂板塑性區(qū)塊的數(shù)量下降，以拉伸破壞為主；巷道兩幫塑性區(qū)范圍變小，且以剪切破壞為主?？梢姡锏赖闹ёo(hù)方案是合理有效的。