黃陵二礦無煤柱自成巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

高文博

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦傳統(tǒng)回采方式,通常需要掘進2條巷道并留設(shè)保護煤柱,該方法煤炭回采效率低,巷道掘進率過高[1-3]。近些年,隨著煤礦支護技術(shù)的逐漸提升,沿空留巷技術(shù)逐漸發(fā)展[4-5],其中,何滿潮、朱珍等[6-7]提出無煤柱自成巷技術(shù),利用頂板切縫、恒阻大變形錨索(NPR)支護技術(shù)等對沿空巷道進行設(shè)計。華心祝等[8]建立煤體與錨索支護作用下沿空巷道力學模型,對支護機理進行了系統(tǒng)研究?？导t普、張鎮(zhèn)等[9-10]采用數(shù)值模擬方法對圍巖變形規(guī)律和控制技術(shù)進行研究,提出了沿空留巷支護原則。陳勇、柏建彪等[11-12]對巷旁支護體承載特性進行了研究,得到巷旁支護體作用機制。以上學者多為針對沿空巷道的理論研究,針對無煤柱自成巷技術(shù)現(xiàn)場礦壓分析研究尚不充分。為此,以黃陵二礦北二巷工作面為例,分析巷道圍巖與支護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系,探究巷道圍巖與頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 無煤柱自成巷圍巖—支護系統(tǒng)模型

無煤柱自成巷技術(shù)在使用的過程中,巷道圍巖、支護結(jié)構(gòu)以及上覆巖層將會形成支護系統(tǒng),其中包括:巷道圍巖自身的力學承載機制、恒阻大變形錨索(NPR)的支護強度、巷道內(nèi)部其余支護體的支護強度(切頂護幫支架)、采空區(qū)矸石堆與頂板的力學結(jié)構(gòu)。因此,上覆巖層的運動狀態(tài)和巷道圍巖的變形特征受制于巷道圍巖的力學性質(zhì),巷道支護結(jié)構(gòu)的支護阻力,以及采空區(qū)矸石堆與頂板的結(jié)構(gòu)力學特性。根據(jù)無煤柱自成巷的結(jié)構(gòu)特點,建立無煤柱自成巷技術(shù)下巷道圍巖—支護系統(tǒng)力學模型,如圖1所示。其中力學單元模型包括:由基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體;恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結(jié)構(gòu)組成的圣維南體;采空區(qū)矸石堆和頂板組成的開爾文體。

圖1 無煤柱自成巷技術(shù)下巷道圍巖—支護系統(tǒng)力學模型Fig.1 Mechanical model of roadway surrounding rock-support system under self-formed roadway technology without coal pillar

對于由基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體可以理解為包含損傷在內(nèi)的彈塑性力學模型,其變形特征為彈性段與塑性段的相加,可以很好地表征煤巖結(jié)構(gòu)的力學特性。對于由恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結(jié)構(gòu)(切頂護幫支架)組成的圣維南體可理解為理想的彈塑性模型,其中彈性階段表明了巷道圍巖的前期彈性變形,塑性階段表征了在恒定受力情況下,巷道支護單元承受大變形而不發(fā)生失穩(wěn)的能力,對于恒阻大變形錨索的描述較為準確。對于由采空區(qū)矸石堆和頂板組成的開爾文體,表示為隨著應(yīng)力在時間長度上不發(fā)生變化,但變形量會逐漸增加,可以很好地闡釋頂板逐漸壓實在采空區(qū)矸石堆上的變形過程,其具體的變形過程由開爾文元件中的粘性單元控制。不同元件模型代表不同區(qū)域圍巖與支護系統(tǒng)的變形特性,其中深部煤體表現(xiàn)為彈性變形特性,對巷道圍巖無直接影響。巷道與支護系統(tǒng)表現(xiàn)為理想彈塑性變形特性,容易發(fā)生頂板的破斷與垮落變形。采空區(qū)與上方頂板表現(xiàn)為粘彈性變形特性,代表頂板垮落后逐漸壓實在矸石堆的變化過程。

2 無煤柱自成巷圍巖變形規(guī)律

無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用過程中,隨著頂板切落的動態(tài)變化,巷道變形共分為3個階段。第1個階段為工作面進行回采對巷道頂板產(chǎn)生擾動應(yīng)力影響,由于采空區(qū)上方頂板尚未斷裂,因此,表現(xiàn)為采動的支承壓力壓縮煤體和巷道自護系統(tǒng),覆巖發(fā)生大量變形;第2階段為頂板彎矩與撓度達到極限,滿足頂板破斷的閾值點,此時巷道頂板發(fā)生破斷與垮落,因為頂板的垮落過程與覆巖結(jié)構(gòu)密切相關(guān),所以在垮落的過程中會受到巖塊之間的水平擠壓力以及剪切摩擦力,覆巖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圍巖變形第2階段覆巖結(jié)構(gòu)Fig.2 Overburden structure of the 2nd stage of surrounding rock deformation

巷道變形的第2階段,頂板沿切頂線發(fā)生垮落,根據(jù)砌體梁結(jié)構(gòu)理論對鉸接點的力學狀態(tài)進行分析。巷道上方頂板巖塊A與采空區(qū)上方頂板巖塊B的接觸面抗滑力fk見式(1)。

fk=(Tcosθ-Rsinθ)tanφ

(1)

式中,θ為切縫角度,(°);T為水平擠壓力,MPa;R為接觸面剪切力,MPa;φ為摩擦角,(°)。

當巖塊之間的鉸接結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn),采空區(qū)上方頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)變形,需要滿足巖塊B向下滑動力fh>fk,其中巖塊B向下滑動力fh見式(2)。

fh=Rcosθ+Tsinθ

(2)

根據(jù)極限平衡狀態(tài)分析,即fh=fk,可推導式(3)

(3)

綜上分析,采空區(qū)上方頂板巖塊在垮落過程中,需要克服下滑的摩擦力,下滑的摩擦力與巖塊的厚度、切縫角度等參數(shù)有關(guān),巖塊越厚擠壓力面積越大,所受摩擦力也隨之增加,切縫角度同時決定了摩擦角度的大小。為使巷道頂板所受動壓最小,要保證切縫參數(shù)的合理設(shè)計,以及保障巷道內(nèi)部的支護系統(tǒng)具有有效的自護能力,其中,恒阻大變形錨索可以在此階段起到主要的支護作用,可以充分適應(yīng)頂板的沖擊來壓以及持續(xù)大變形。

第3個變形階段為頂板破斷以后,逐漸壓實在垮落矸石堆上的持續(xù)變形過程,巷道圍巖的主要變形狀態(tài)為巷道上方頂板受采空區(qū)上方頂板發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉或者整體發(fā)生沉降的過程。此時沿空巷道的結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于穩(wěn)定,承載力主要由采空區(qū)矸石以及上覆巖層提供,巷道與圍巖的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 圍巖變形第3階段覆巖結(jié)構(gòu)Fig.3 Overburden structure of the 3rd stage of surrounding rock deformation

在巷道穩(wěn)定階段,可推導直接頂垮落高度計算式見式(4)。

(4)

式中,MS為直接頂垮落高度,m;H為煤層厚度,m;KA為碎脹系數(shù);SS為基本頂下沉高度,m。

根據(jù)公式分析可知,矸石的碎脹系數(shù)與基本頂垮落高度有直接關(guān)系,基本頂?shù)南鲁粮叨扰c直接頂?shù)母叨群晚肥乃槊浵禂?shù)有密切聯(lián)系。通過設(shè)計切頂高度可對頂板的垮落形態(tài)進行控制。根據(jù)關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)與巷道寬度,可得關(guān)鍵塊下沉量與巷道頂板下沉量關(guān)系見式(5)。

LS/l=SS/S

(5)

式中,LS為關(guān)鍵塊長度,m;l為巷道長度,m;S為巷道頂板下沉量,m。

根據(jù)關(guān)鍵塊與基本頂碎脹關(guān)系可推導巷道頂板旋轉(zhuǎn)下沉量見式(6)。

(6)

對公式進行分析,分析不同參數(shù)對于巷道頂板旋轉(zhuǎn)下沉量的作用關(guān)系。當煤層厚度增加時,巷道控頂高度將會增加,頂板下沉量將會增加;當頂板垮落高度增加時,垮落的矸石堆將會更高,對于采空區(qū)上方頂板的支撐效果更好,頂板下沉量將會降低;當巖石碎脹系數(shù)增加時,矸石堆對于采空區(qū)上方頂板的支撐效果更好,頂板下沉量將會降低。當關(guān)鍵塊的長度越小時,采空區(qū)上方頂板的懸臂長度將會越小,頂板的下沉量將會降低。

3 巷道礦山壓力工程監(jiān)測

以黃陵二礦北二巷無煤柱自成巷工作面為例,進行礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的監(jiān)測,用以部分驗證巷道3階段變形規(guī)律。北二巷工作面主采4號煤層,工作面煤層平均傾角5°,煤層賦存狀態(tài)較穩(wěn)定,平均厚度4.5 m,頂板以粉砂巖、細砂巖為主,底板以泥巖、粉砂巖為主。在工作面開切眼方向布置2個監(jiān)測測站,分別距離開切眼20 m和40 m。對巷道頂板變形量以及切頂護幫支架壓力進行監(jiān)測。

巷道頂?shù)装逡平颗c工作面推進距離關(guān)系如圖4所示。

圖4 巷道頂?shù)装逡平颗c工作面推進距離關(guān)系Fig.4 Relations of roadway roof and floor movement and advancing distance of working face

1號測站與2號測站頂?shù)装逡平康难莼厔萁葡嗤?但數(shù)值略有差異,其中1號測站頂板的最大移近量約為46 mm,2號測站的頂?shù)装遄畲笠平考s為115 mm?？傮w而言,頂?shù)装宓囊平抗脖憩F(xiàn)出3階段的演化趨勢,其中第1階段為工作面推進距離測點0～30 m,即監(jiān)測的第0～15 d,此時巷道頂?shù)装逡平繜o明顯變化,移近量較小,頂?shù)装迮c圍巖的完整程度較高,屬于初始穩(wěn)定階段。隨著工作面的逐漸推進,由30 m推進至150 m附近時,即監(jiān)測的第15～60 d,巷道的動壓異常明顯,頂板發(fā)生動態(tài)破壞,由采空區(qū)上方頂板斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉作用導致巷道頂?shù)装逡平垦杆僭黾?在工程現(xiàn)場,實體煤壁側(cè)發(fā)生一定的片幫,當切縫效果較好時,片幫層度較低。此階段可稱為劇烈變形階段。當工作面繼續(xù)推進,推進至150 m,即工作面推進的第60～150 d后,頂板的動態(tài)運動基本停止,移近量處于緩慢增加的過程,即采空區(qū)上方頂板斷裂巖塊逐漸壓實在采空區(qū)矸石堆上,并逐漸達到受力平衡狀態(tài),此階段可稱為穩(wěn)定壓實階段。

在黃陵二礦無煤柱自成巷留巷期間對支架支護強度進行監(jiān)測,繪制切頂護幫支架支護強度與工作面推進距離關(guān)系如圖5所示。

圖5 切頂護幫支架支護強度與工作面推進距離關(guān)系Fig.5 Relationship between support strength of roof cutting and advancing distance of working face

根據(jù)支架的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,兩支架的演化趨勢大體相同,2號測站支架的最大支護強度為37 MPa,高于1號測站支架的最大支護強度29 MPa。在工作面推進的0～30 m,即監(jiān)測的第0～15 d過程中,支架的支護強度無明顯變化,基本保持在初始支撐力,進一步驗證了此時頂板在此階段數(shù)據(jù)穩(wěn)定階段。當工作面繼續(xù)推進,推進至30～150 m,即監(jiān)測的第15～60 d時,支架的支護強度開始快速攀升,即表明采空區(qū)上方頂板巖塊發(fā)生動態(tài)失穩(wěn)破斷,在鉸接點傳遞力學的作用下,巷道上方頂板受到劇烈影響,進入快速變形與支承壓力升高階段,直至破斷巖塊逐漸接觸并壓實到采空區(qū)矸石堆上。隨之進入穩(wěn)定壓實階段,即工作面推進到150 m,工作面推進的第60～150 d后,此時支架的支護強度已經(jīng)發(fā)生明顯的降低,矸石堆被逐漸壓實,頂板受到矸石堆的支撐力也逐漸增加,當矸石堆、頂板巖層、巷道圍巖、支護系統(tǒng)形成穩(wěn)定整體以后,無煤柱自成巷達到相對穩(wěn)定狀態(tài),巷道圍巖無明顯的大變形,支護系統(tǒng)的工作阻力也逐漸區(qū)域穩(wěn)定。綜上所述,通過對頂?shù)装逡平恳约扒许斪o幫支架的支護強度進行監(jiān)測,驗證了無煤柱自成巷技術(shù)實施過程中,巷道圍巖存在3個變形階段,分別為初始穩(wěn)定階段、劇烈變形階段以及穩(wěn)定壓實階段。

4 結(jié)論

(1)無煤柱自成巷技術(shù)在使用過程中,巷道圍巖、支護結(jié)構(gòu)以及上覆巖層將會形成支護系統(tǒng),其中包括:巷道圍巖自身的力學承載機制、恒阻大變形錨索(NPR)的支護強度、巷道內(nèi)部其余支護體的支護強度、采空區(qū)矸石堆與頂板的力學結(jié)構(gòu)。力學結(jié)構(gòu)中基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體。恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結(jié)構(gòu)組成的圣維南體。采空區(qū)矸石堆和頂板組成的開爾文體。

(2)頂板切落的動態(tài)變化,巷道變形共分為3個階段。第1階段為工作面回采對巷道頂板產(chǎn)生擾動應(yīng)力影響,第2階段為頂板破斷垮落的動態(tài)變化階段,第3階段為頂板壓實在采空區(qū)的穩(wěn)定過程。當煤層厚度較低、頂板垮落高度較高、巖石碎脹系數(shù)較高、關(guān)鍵塊長度越小時,頂板的下沉量將會降低。

(3)通過對黃陵二礦的礦壓規(guī)律進行監(jiān)測,驗證了巷道存在3階段變形特征,其中工作面推進0～30 m為第1階段,30～150 m為第2階段,150 m之后為第3階段,歸結(jié)為初始穩(wěn)定階段、劇烈變形階段以及穩(wěn)定壓實階段。