余吾煤礦過(guò)向斜構(gòu)造區(qū)煤巷穩(wěn)定性研究

楊 博

(山西能源學(xué)院 繼續(xù)教育部,山西 晉中 030600)

0 引言

隨著我國(guó)煤炭資源開采力度的增強(qiáng),原有的淺部資源儲(chǔ)存形成枯竭的狀態(tài),深部開采成為當(dāng)前趨勢(shì)[1],深部開采的過(guò)程中多構(gòu)造地層成為常態(tài)。一方面由于(煤)巖體在深埋條件下呈現(xiàn)出應(yīng)力強(qiáng)度大、圍巖變形高且承載能力弱的特性[2];另一方面由于多構(gòu)造地層會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)力集中情況[3],因此,在深埋與構(gòu)造雙重影響下,會(huì)使巷道圍巖產(chǎn)生嚴(yán)重的形變,最終導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。

針對(duì)這些情況,蘆慶和等[4]通過(guò)使用數(shù)值模擬研究了向斜構(gòu)造地質(zhì)條件,研究得出對(duì)煤體進(jìn)行鉆孔卸壓可以降低底鼓的影響;郭延華等[5]利用數(shù)值模擬軟件發(fā)現(xiàn)向斜地層存在應(yīng)力集中于軸部;魏大勇[6]針對(duì)向斜構(gòu)造應(yīng)力集中破壞嚴(yán)重的情況,提出注漿改造巖性的圍巖維護(hù)方案,施工取得良好結(jié)果;張科學(xué)等[7]以河南某礦區(qū)向斜地層下開采為背景,建立了向斜作用下開采巷道圍巖力學(xué)模型,并使用CDEM軟件模擬得出,在向斜作用下,巷道底鼓嚴(yán)重巷道圍巖破壞加劇;康紅普等[8]以甘肅華亭礦區(qū)為研究背景,通過(guò)對(duì)向斜構(gòu)造下實(shí)測(cè)地應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析,得出了向斜作用下,軸部應(yīng)力要大于翼部應(yīng)力,垂直應(yīng)力明顯小于水平應(yīng)力;宋佩德等[9]通過(guò)對(duì)不同構(gòu)造作用下應(yīng)力的分布情況進(jìn)行力學(xué)建模,研究得出構(gòu)造應(yīng)力主要影響巷道的應(yīng)力于能量場(chǎng),高構(gòu)造應(yīng)力是向斜地層巷道破壞加劇的最主要原因;陳國(guó)祥等[10-11]對(duì)多構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行分析,得出了其對(duì)巷道地壓沖擊的作用原理;王存文等[12]從構(gòu)造的形成進(jìn)行分析,將構(gòu)造的作用分為5個(gè)區(qū)。以上學(xué)者通過(guò)對(duì)向斜作用下的應(yīng)力分布情況做出了理論性的分析,為研究向斜構(gòu)造下的支護(hù)提供理論上的支撐。

基于此,對(duì)于常規(guī)深埋巷道的支護(hù)理念也可以被借鑒。馬冰等[13]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)深部巷道圍巖具有易碎性,采用巷道圍巖注漿的方式有利于圍巖膠接為整體,這一方案能較好地增加巷道圍巖穩(wěn)定性;張汀先等[14]對(duì)巷道圍巖破壞進(jìn)行力學(xué)分析,得到巷道圍巖的破壞是流性與塑性區(qū)域破壞而導(dǎo)致的,由此提出了短錨桿加長(zhǎng)錨索聯(lián)合錨固的支護(hù)方法,從而增強(qiáng)了圍巖整體的穩(wěn)定性;候朝炯等[15]通過(guò)對(duì)深部巷道圍巖進(jìn)行力學(xué)分析,提出了“對(duì)頂卸壓+對(duì)底切破+對(duì)幫鉆孔”的圍巖穩(wěn)定性控制工藝;高建成等[16]通過(guò)對(duì)深埋軟巖巷道變形的內(nèi)外原因分析研究,提出超長(zhǎng)數(shù)值錨桿加固頂?shù)装宓姆桨?并通過(guò)工程實(shí)測(cè),取得良好結(jié)果;王文才等[17]通過(guò)使用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合,在了解深部軟巖巷道的變形特點(diǎn)后,提出“強(qiáng)弱分區(qū)”聯(lián)合支護(hù)的巷道支護(hù)方案。

上述學(xué)者在理論與支護(hù)技術(shù)上提供了支持,但工程實(shí)際要求我們需對(duì)不同的地質(zhì)開采條件設(shè)計(jì)不同的支護(hù)方式[18]。因此,以眾多學(xué)者的方案為基礎(chǔ)開展研究[19-21],并以余吾煤礦S5203膠帶順槽為研究背景,在分析深部過(guò)向斜煤巷的破壞特征,以及塑性破壞區(qū)域后,最終提出了長(zhǎng)短聯(lián)合分級(jí)支護(hù)的支護(hù)方案,同時(shí)研究得出最佳巷道布置位置。將數(shù)值模擬進(jìn)行初次反演,并結(jié)合工程實(shí)際情況相互驗(yàn)證,最終確定設(shè)計(jì)方案的可行性,以期為相似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

余吾煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留區(qū),為沁水煤田,屬潞安礦區(qū)。3號(hào)煤層厚度平均為6 m,埋深540 m,地層具有多構(gòu)造,S5203膠帶順槽設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)為2 125.3 m,該膠帶順槽處于構(gòu)造的向斜位置,設(shè)計(jì)巷道的寬度為5.6 m,高度為3.85 m。斷面設(shè)計(jì)為矩形。

1.2 巷道圍巖分析

該膠帶順槽的頂?shù)装鍑鷰r性質(zhì)如圖1所示,巷道的直接頂為砂質(zhì)泥巖,基本頂主要為粉砂巖,底板為底煤,直接底為細(xì)砂巖。砂質(zhì)泥屬于軟巖,易吸水膨脹從而具有強(qiáng)破壞性,巷道以煤壁作為兩幫,由于質(zhì)地較軟,因此巷道在掘進(jìn)后易發(fā)生變形破壞。

圖1 工作面頂?shù)装鍘r性柱狀Fig.1 Lithology histogram of roof and floor of the working face

另外,由于巷道處于向斜構(gòu)造中,且處于深埋地層,巷道圍巖應(yīng)力超過(guò)常規(guī)的地層條件,因此在該地質(zhì)條件下,巷道圍巖更容易發(fā)生失穩(wěn),巷道圍巖穩(wěn)定性控制難度加劇。

1.3 過(guò)向斜情況

如圖2所示,S5203膠帶順槽受到向斜軸部的影響作用,導(dǎo)致這部分巷道圍巖較為破碎,因此在設(shè)計(jì)之初,需要對(duì)這一部分進(jìn)行特殊性研究,分析其塑性破壞范圍,并找尋合理巷道掘進(jìn)位置,同時(shí)設(shè)計(jì)出滿足安全生產(chǎn)需求的支護(hù)方案。

圖2 工作面過(guò)向斜情況Fig.2 Conditions of working face through syncline

2 向斜作用下巷道穩(wěn)定性控制

2.1 巷道塑性范圍計(jì)算

初掘期間,應(yīng)變軟化、碎脹擴(kuò)容導(dǎo)致的圍巖塑性范圍不斷擴(kuò)展。國(guó)內(nèi)外對(duì)于深部巷道圍巖變形破壞特征的模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬結(jié)果表明,深部典型回采巷道淺部圍巖處于拉應(yīng)變破壞失穩(wěn)狀態(tài),其破壞的先后順序?yàn)?巷幫圍巖首先破裂,壓力傳遞至底角使得底角圍巖產(chǎn)生破裂,最終頂板產(chǎn)生明顯離層,巷道圍巖整體失穩(wěn)。因此在巷道設(shè)計(jì)之前對(duì)塑性破壞范圍進(jìn)行計(jì)算非常有必要。

首先對(duì)于矩形巷道,常選用等效半徑折算的方法將其等效為圓形巷道[22]

R0=kz(s/π)1/2

(1)

式中,R0為等效圓形巷道半徑,m;kz為原巷道修正參數(shù),取1.2;s為巷道斷面面積,m2。

因此根據(jù)余吾煤礦的巷道尺寸5.6 m×3.85 m代入公式(1)中計(jì)算可知R0約為3.14 m。其次以彈塑性變形理論為基礎(chǔ),地下空間中所處同一位置的巷道,其垂直方向應(yīng)力一致,水平方向應(yīng)力也一致,因此,可得巷道的塑性半徑Rp[23]

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知:原巖應(yīng)力為14.5 MPa,支護(hù)反力取1 MPa,內(nèi)聚力為1.5 MPa,內(nèi)摩擦角為33°,彈性模量為3.0×102MPa,泊松比為0.25。

代入公式(2)～(5)計(jì)算可知,巷道塑性區(qū)半徑為2.16 m,塑性區(qū)應(yīng)力為6.87 MPa,巷道表面位移為217.6 mm。

2.2 巷道掘進(jìn)及支護(hù)布置形式

根據(jù)上面計(jì)算的結(jié)果,塑性半徑范圍為2.16 m,因此需要設(shè)計(jì)錨桿的尺寸大于2 m,以此可以對(duì)巷道的塑性區(qū)域進(jìn)行固定。另外,由于巷道處于向斜地層中,巷道的圍巖承壓嚴(yán)重,因此需要加長(zhǎng)錨索,同時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固,以此提出“長(zhǎng)短聯(lián)合分級(jí)支護(hù)”。根據(jù)S5203膠帶順槽的地質(zhì)條件及采用的支護(hù)形式,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的考察和理論性的分析,設(shè)計(jì)3種巷道布置及支護(hù)方案。

方案1:巷道位于向斜軸部沿煤層頂板掘進(jìn)。此時(shí)巷道處于應(yīng)力最為集中的區(qū)域,因此需要對(duì)錨桿以及錨索的尺寸進(jìn)行合理的選擇,對(duì)巷道的頂板布置6根錨桿,其中4根為注漿錨桿,2根為左旋螺紋鋼錨桿,尺寸為φ22 mm×2 500 mm,間排距為800 mm×700 mm;錨索布置3根,尺寸為φ17.8 mm×7 200 mm,間排距為1 500 mm×2 000 mm,其中頂角位置距離巷道幫部1 500 mm;巷道兩幫各布置3根注漿錨桿,尺寸為φ22 mm×2 500 mm,間排距為900 mm×700 mm,頂角位置入錨角度選取15°;除此之外選擇φ5 mm的錨網(wǎng)以及5 300 mm×275 mm×3 mm的W型鋼帶進(jìn)行護(hù)幫處理。支護(hù)布置形式如圖3所示。

圖3 支護(hù)平面布置Fig.3 Plane layout of support

方案2:巷道位于向斜軸部沿煤層底板掘進(jìn)。沿著巷道底板掘進(jìn)時(shí),頂板為煤層,由于向斜軸部應(yīng)力集中,因此在掘巷初期會(huì)使頂板發(fā)生煤爆現(xiàn)象,錨桿索布置形式與方案1一致。

方案3:巷道位于向斜左翼距軸部5 m,沿煤層頂板掘進(jìn),巷道位于向斜翼部時(shí),應(yīng)力集中程度小于軸部,因此巷道變形過(guò)程相較于方案1、2更小,錨桿索布置形式與方案1一致。

3 FLAC3D模擬支護(hù)分析

3.1 構(gòu)建模型

根據(jù)上述研究,以余吾煤礦S5203膠帶順槽綜合柱狀圖為基礎(chǔ),通過(guò)使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)深埋向斜構(gòu)造地層下巷道的布置位置,以及支護(hù)形式進(jìn)行初步的效果檢驗(yàn)。構(gòu)建模型尺寸為X×Y×Z(50 m×50 m×40 m),劃分網(wǎng)格尺寸為0.5 m,頂板施加13.25 MPa的應(yīng)力以模擬埋深500 m處的地應(yīng)力,使用Moore-Coulombcriterion。設(shè)計(jì)巷道的3種開挖方案,在向斜的軸部時(shí),巷道布置在煤層的頂板或巷道布置在煤層的底板;在向斜的翼部時(shí),巷道布置在煤層的頂板,如圖4所示。各巖性參數(shù)見表1。

表1 巖性參數(shù)

圖4 煤巖層模擬Fig.4 Simulation of coal and rock strata

3.2 模擬支護(hù)效果分析

當(dāng)巷道布置在煤層頂板時(shí),模擬巷道開挖50 m,開挖后模型求解至平衡,分析條件1狀態(tài)下巷道圍巖應(yīng)力、應(yīng)變情況,如圖5所示。支護(hù)后垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出“蓮花狀”,巷道兩幫最大應(yīng)力為20.5 MPa,巷道的頂?shù)装逄幾畲髴?yīng)力為0.5 MPa;水平應(yīng)力為27.2 MPa大于垂直應(yīng)力;巷道的頂板最大下沉量為43 mm,底鼓量為76 mm,兩幫偏移量為56 mm。說(shuō)明該巷道布置與支護(hù)情況下,巷道的穩(wěn)定性可以滿足,但是由于巷道的底板為煤層,所以巷道會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的底鼓。

圖5 巷道布置在軸部頂板Fig.5 Roadway layout on the roof of the axis

當(dāng)巷道布置在煤層底板時(shí),由圖6可知,底板掘進(jìn)時(shí),巷道兩幫垂直應(yīng)力的分布較為集中,最大應(yīng)力為19.2 MPa,最大水平應(yīng)力為24.8 MPa,相比較巷道布置在頂板時(shí),圍巖應(yīng)力有所降低,但是由于巷道的頂板為煤層所以導(dǎo)致頂板下沉量增加至126 mm,增加率為65.9%,同時(shí)還可能伴隨著頂板煤爆現(xiàn)象。因此在實(shí)際工程中,不考慮將巷道布置在煤層的底板位置。

圖6 巷道布置在軸部底板Fig.6 Roadway layout on the floor of the axis

當(dāng)巷道布置在向斜的翼部時(shí),由于翼部應(yīng)力集中程度低于軸部位置,如圖7所示,垂直應(yīng)力在巷道外部呈現(xiàn)出“類蝶型”;靠近巷道內(nèi)部應(yīng)力分布為“橢圓形”應(yīng)力有偏轉(zhuǎn)發(fā)生,靠近翼端應(yīng)力集中程度小于靠近軸部的應(yīng)力,最大應(yīng)力為15.3 MPa。巷道頂板的最大下沉量為27 mm,底鼓量為32 mm,相較巷道布置在軸部頂板時(shí)降低60%;巷幫最大位移量為38 mm,相較巷道布置在軸部頂板時(shí)降低33.3%。

圖7 巷道布置在翼部頂板Fig.7 Roadway layout on the roof of the wing

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3種巷道布置形式的分析,結(jié)果表明,向斜地層條件下,最佳巷道位置應(yīng)該選擇在向斜的翼部,同時(shí)巷道應(yīng)該沿著煤層的頂板進(jìn)行掘進(jìn),這樣可以有效地避免應(yīng)力集中情況。

如果巷道無(wú)法避免的需要布置在向斜的軸部時(shí),此時(shí)應(yīng)該沿著煤層的頂板進(jìn)行掘進(jìn)巷道,這樣可以避免由于應(yīng)力集中而帶來(lái)的煤爆情況。但是這種情況下,需要注意巷道底鼓的情況,對(duì)底鼓進(jìn)行及時(shí)的鏟底,必要時(shí)需要對(duì)底板進(jìn)行支護(hù)處理。

4 工程應(yīng)用

通過(guò)理論分析以及數(shù)值模擬的結(jié)果,選取巷道布置在向斜翼部的頂板位置,巷道掘進(jìn)后對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)處理,并在巷道的圍巖頂板以及兩幫布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),用以對(duì)巷道的頂板、兩幫的下沉以及偏移量進(jìn)行檢測(cè)記錄,通過(guò)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)做出巷道圍巖的變形規(guī)律,如圖8、圖9所示。

圖8 巷道頂板下沉值Fig.8 Subsidence value of the roadway roof

圖9 巷道兩幫偏移值Fig.9 Offset values on both sides of the roadway

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以看出,在支護(hù)初期,巷道圍巖的收縮量呈現(xiàn)急劇增加的趨勢(shì),增加的時(shí)間大約在40 d左右;當(dāng)支護(hù)45 d之后,巷道的頂板下沉量以及兩幫偏移量趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后,巷道的頂板最大下沉值為49.5 mm,兩幫最大偏移值為83 mm,說(shuō)明設(shè)計(jì)的巷道布置形式以及支護(hù)形式能夠較好地解決向斜地層下巷道的圍巖穩(wěn)定性控制。

為了對(duì)支護(hù)穩(wěn)定后的巷道圍巖破壞情況進(jìn)行更深入的觀測(cè),對(duì)巷道的頂?shù)装逡约皟蓭瓦M(jìn)行鉆孔窺視,鉆孔深度為3 m。觀察鉆孔內(nèi)壁情況可知,鉆孔內(nèi)壁光滑且完整,說(shuō)明在向斜的翼部沿著煤層頂板掘進(jìn),同時(shí)選用“長(zhǎng)短聯(lián)合分級(jí)支護(hù)”后,巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了極大的提高。

5 結(jié)論

(1)余吾煤礦S5203膠帶順槽埋深580 m,且局部存在過(guò)向斜構(gòu)造情況,巷道屬于經(jīng)典的煤巖巷道,巷道在雙重影響下變形較大,破碎情況較嚴(yán)重。

(2)為有效解決巷道大變形問題,通過(guò)理論分析計(jì)算得出該條件下塑性破壞深度為2.16 m,因此提出“長(zhǎng)短聯(lián)合分級(jí)支護(hù)”的支護(hù)方案。

(3)使用數(shù)值模擬軟件并結(jié)合工程實(shí)測(cè),確定最佳巷道布置形式為向斜翼端沿煤層頂板掘進(jìn),且得知支護(hù)后的巷道頂板最大下沉值為49.5 mm,兩幫最大偏移量為83 mm,進(jìn)一步驗(yàn)證了“長(zhǎng)短聯(lián)合分級(jí)支護(hù)”的支護(hù)方案的可行性,可為其他相似工程提供借鑒。