紅廟礦護巷煤柱合理留設(shè)寬度及支護結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

宋 洋 張向東 祝百茹 于國旺

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新123000)

我國的主要能源中煤炭占首要位置，煤炭在國民經(jīng)濟建設(shè)中有著非常重要的戰(zhàn)略意義。在中國所有煤礦內(nèi)巷道長度總和已超過3萬km，而且絕大部分巷道受到采動破壞的影響。一般情況下都采用留設(shè)煤柱的方法對受采動影響的巷道進行護巷，但是隨著社會的發(fā)展，人類對煤炭需求量的增加，煤礦開采越來越深部化，巷道的原巖應(yīng)力也隨之增加，護巷難度也越來越大。護巷煤柱的要求也越來越高［1-4］。彭文慶［5］認為要得到合理的護巷煤柱寬度必須從煤柱的屈服寬度入手，而利用彈塑性極限平衡理論可以得到煤柱的屈服寬度。王其芳［6］經(jīng)過對斷層的研究，得到在保護煤柱留設(shè)方法中巖層的移動角對煤柱的留設(shè)具有極其重要的意義。陳金國［7］運用統(tǒng)計分析的方法，對巷道處于圍巖不穩(wěn)定條件下進行研究，得到煤柱尺寸的計算方法。胡炳南［8］認為要得到煤柱的合理留設(shè)尺寸，必須考慮到煤柱的強度，經(jīng)過大量實驗研究，推導(dǎo)出了在煤柱裂隙面計算剪力強度安全系數(shù)的公式。目前的研究中怎樣確定煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的標準。

本研究通過試驗測試煤層及周圍巖體的力學(xué)基本參數(shù)，利用有限差分軟件建立井下采場模型，分析留設(shè)不同煤柱寬度時，煤柱內(nèi)塑性破壞區(qū)分布，最終確定煤柱合理的護巷寬度。對采用最佳煤柱寬度支護前后的巷道穩(wěn)定性進行對比分析，并采用強力約束小煤柱的支護方案，提升巷道支護水平，為相關(guān)工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

赤峰市元寶山紅廟礦，2621工作面東西部為地表采煤沉陷區(qū)，工作面地表地形起伏變化較大，井下位置位于南翼采區(qū)。該工作面由北向南，二層煤分岔為二1層煤與二3層煤。二1層煤0.46～1.77 m，平均0.9 m，由北向南呈變薄趨勢，本工作面開采二3層煤。工作面煤層分叉合并線以北煤層及夾矸情況:自上而下第一層夾矸0.3～1.24 m，平均0.7 m，由東向西、由北向南是厚度逐漸增加;巖性由北向南，由松軟的炭質(zhì)泥巖變?yōu)橄鄬^厚且較硬的灰黑色粉砂巖;第一層夾矸上煤厚1.09～3.14 m，平均2.2 m，由北向南呈變薄趨勢。夾矸下煤較穩(wěn)定，12.12～19.97 m，平均16.83 m。工作面煤層合并線以南煤層及夾矸情況:自上而下第一層夾矸由北向南增厚，0.4～2.3 m，平均1.0 m，由北向南增厚，夾矸上煤厚0.2～0.9 m，平均0.4 m，由北向南厚度變小，夾矸下煤厚14.28～17.15 m，平均15.85 m。工作面底部一般有二層夾矸，夾矸厚度和巖性都變化較大，不穩(wěn)定。北段:第一層夾矸厚度0.41～2.98 m，平均1.8 m;夾矸下煤厚1.15～1.28 m，平均1.23 m;第二層夾矸厚度0～1.96 m，平均0.65 m，夾矸層巖性為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。夾矸下煤厚0～1.25 m，不穩(wěn)定，平均0.42 m。南段:第一層夾矸厚度0.3～1.74 m，平均0.98 m，夾矸下煤厚1.93～2.79 m，平均2.29 m;第二層夾矸厚度0～0.59 m，平均0.2 m，夾矸下煤厚0～1.52 m，平均0.5 m。

2 煤體力學(xué)性能試驗

為保證研究的實施，需要進行煤的物理力學(xué)性質(zhì)的測定，分別為抗壓強度、抗拉強度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量、泊松比。在煤礦的第四和第五分層不同地點取多塊煤樣。用切片機切成不同大小的長方體試樣，用取芯機鉆取50 mm×100 mm的圓柱體試件，再用磨石機把試樣兩端磨平。分別進行煤的單軸抗壓試驗、抗拉試驗、剪切試驗和變形試驗，獲取煤體的各種力學(xué)參數(shù)，具體如表1所示。

表1 試件力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of samples

3 煤柱理論計算

根據(jù)巷道圍巖的塑性區(qū)寬度建立理論公式，計算煤柱彈性區(qū)域，以保持煤柱的穩(wěn)定性。在煤柱中部設(shè)置寬度為2M的范圍作為彈性區(qū)。所以，護巷煤柱保持穩(wěn)定性寬度B為

式中，x1為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m;x2為巷道側(cè)塑性區(qū)寬度，m;2M為煤柱中部彈性區(qū)寬度，m。

運用巖體的極限平衡理論按下式計算煤柱采空區(qū)一側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度x1，即

式中，m為煤層采高，3.7 m;λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1－μ)，μ為泊松比;為煤體內(nèi)摩擦角;Co為煤體黏聚力，1 520 kPa;k為應(yīng)力集中系數(shù)，當煤抗壓強度低于25 MPa時，k取值為2.5;H為巷道埋藏深度，300 m;γ為巖層平均體積力，25 kN/m3;Po為支護阻力，一般取Po=0.1 MPa;d為開采擾動系數(shù)，d=1.5～3，取3;A=0.3/(1－0.3)。

根據(jù)松動圈理論，巷道開挖后圍巖平衡狀態(tài)被破壞，鄰近周邊的圍巖首先破碎，并逐漸向深部發(fā)展，直到一定深度重新達到平衡為止，圍巖中產(chǎn)生非彈性部分即為塑性區(qū)。把矩形巷道等效圓形巷道，則塑性區(qū)寬度x2為

式中，Ro為巷道等效圓半徑，2.35 m;PY為原巖應(yīng)力，PY=25×300×103=7.5 MPa;CY為圍巖黏結(jié)力，1.52 MPa;φ 為圍巖內(nèi)摩擦角，33°。

所以煤柱的寬度為B=9.05+2×3.7+3.83=20.28 m，通過理論計算，煤柱寬度應(yīng)至少為20.28 m。

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立

煤層一旦開采，四周圍巖的原始應(yīng)力都會發(fā)生改變，出現(xiàn)變形和位移，如果變形過大的話就會出現(xiàn)破壞，影響的范圍一般很大。正常情況頂板的變形遠大于底板的變形，所以本次模擬主要反映頂板的破壞情況，模擬的范圍也以頂板巖層為主。但為了考慮煤層的整體性，模型的確定必須包括底板。模型的大小為長度100 m、高度40 m、厚度10 m。荷載σz按式(4)得到，模型底部邊界設(shè)定為全約束，上部邊界設(shè)定為自由邊界條件，前后左右邊界條件設(shè)定為，x，y方向固定，z方向自由。

式中，γ為上覆巖層的體積力，kN/m3;H為模型頂界距地表的深度，m。水平方向上加上側(cè)向應(yīng)力，側(cè)向應(yīng)力由自重應(yīng)力所產(chǎn)生，由下式確定:

式中，σz為豎向應(yīng)力，MPa。

本次模擬的煤層及周圍巖體的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖材料參數(shù)Table 2 Material parameters of surrounding rock

4.2 結(jié)果分析

(1)由圖1可知，煤柱寬度15 m時(圖1(a))，巷道側(cè)塑性區(qū)與采空區(qū)塑性區(qū)貫通，無彈性區(qū)，煤柱不穩(wěn)定巷道被壓壞。煤柱寬度20 m時(圖1(b))，巷道側(cè)塑性區(qū)6 m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)11 m，塑性區(qū)之間有彈性區(qū)，但是彈性區(qū)只有3 m，小于2倍的巷道采高，即小于7.4 m，受到采動壓力影響，煤柱中央將不存在穩(wěn)定的彈性區(qū)，整個煤柱將全部處于塑性區(qū)范圍，煤柱與巷道的安全性較低。煤柱寬度25 m時(圖1(c))，巷道側(cè)塑性區(qū)5 m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)10 m，塑性區(qū)之間彈性區(qū)10 m，大于兩倍的采高，即大于7.4 m，煤柱穩(wěn)定，巷道安全。煤柱寬度30 m時(圖1(d))，巷道側(cè)塑性區(qū)4 m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)10 m，塑性區(qū)之間彈性區(qū)16 m，大于2倍的采高，煤柱穩(wěn)定，巷道安全。由此可知:保護煤柱寬度越大，巷道與采空區(qū)塑性區(qū)范圍越小，巷道越穩(wěn)定。煤柱寬度25 m以下巷道穩(wěn)定性受影響較大，25～30 m較為合理。

(2)由圖2與圖3可知，頂?shù)装遄畲笠平繛?9.79 cm(煤柱寬度為 15 m時)，最小移近量為6.184 cm(煤柱寬度為30 m時)。左右?guī)妥畲笫諗苛繛?5.968 cm(煤柱寬度為15 m時)，最小移近量為11.058 cm(煤柱寬度為30 m時)。由此可得，煤柱寬度15～25 m時頂?shù)装?、左右?guī)褪諗苛壳€變化幅度大，移近量數(shù)值大，說明巷道位移變化不穩(wěn)定，煤柱被壓壞。而25～30 m之間曲線比較接近且平緩，說明巷道位移變化較穩(wěn)定，煤柱沒有被壓壞，巷道安全。煤柱寬度25～30 m較為合理。

圖1 不同煤柱寬度的巷道塑性區(qū)Fig.1 Plastic zone of roadway in different coal pillar's width

圖2 巷道頂、底板位移圖Fig.2 Displacement of roadway roof and floor

圖3 巷道兩幫收斂值Fig.3 Convergence value of two sides of roadway

5 加固治理

紅廟礦巷道采用強力約束小煤柱的方法進行加固，即錨索+大鋼板+注漿+噴射混凝土的聯(lián)合加固方法，通過高預(yù)緊力錨索和大鋼板對煤柱施加圍壓，并通過注漿使煤柱內(nèi)破碎巖體和穩(wěn)定巖體黏合在一起，使煤柱更加完整，改善了其自撐能力。

左幫(靠煤柱側(cè))通過錨索+大鋼板+注漿的強力約束方法進行支護，預(yù)應(yīng)力錨索與鋼板可以有效加固煤柱，注漿既可以把錨索與煤體之間的間隙填滿增加錨索的可靠性，又能進一步擴散到周邊松散的煤體，把已破碎的巖塊黏結(jié)到一起，提高煤柱的整體性和承載能力，從而改善巷道支護效果。與只用錨索支護的結(jié)構(gòu)相比，錨索加注漿不但加固了周圍煤巖，而且加強了錨索的著力基礎(chǔ)，是一種有別于金屬鋼架被動支護的主動支護形式。它具有初期支撐強、增阻能力好、承載能力高的特性，能夠比較好地解決應(yīng)力較高地區(qū)、采動影響巷道、斷層帶附近以及軟巖地層圍巖松動與大變形造成的錨固力急劇衰減的難題。并且通過注漿，可有效堵塞煤柱的孔隙，防止瓦斯及水的滲入。

錨索選用17.8 mm鋼絞線錨索，采用樹脂錨固劑來實現(xiàn)端頭錨固，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，托盤采用400 mm×400 mm×20 mm鋼板托盤，通過大鋼板增加對左幫的封閉面積，從而提高對圍巖的約束，增加支護強度。錨桿采用20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼，托盤采用150 mm×150 mm×10 mm鋼板托盤。本次設(shè)計采用 CK2370樹脂錨固劑，一根CK2370錨固劑的錨固長度為600 mm。支護參數(shù)見表3，斷面支護結(jié)構(gòu)如圖4所示。按設(shè)計進行支護后結(jié)果如圖5與圖6所示，巷道頂?shù)装逡平繙p少50.3%，左右?guī)褪諗苛繙p少81.0%，說明本次支護設(shè)計較好的控制了圍巖變形，達到了設(shè)計目標。

表3 2621運輸順槽支護參數(shù)Table 3 Support parameters of 2621 transport gateway

圖4 2621斷面支護結(jié)構(gòu)Fig.4 Supporting structure of 2621 section

◆—支護前;■—支護后

圖6 支護前后巷道左右?guī)褪諗苛縁ig.6 Convergence value of two sides of roadway before and after supporting

6 結(jié)論

(1)保護煤柱寬度越大，巷道與采空區(qū)塑性區(qū)范圍與位移量越小，巷道越穩(wěn)定，最終確定煤柱留設(shè)寬度為25 m。

(2)2621運輸順槽巷道采用強力約束小煤柱的方法進行加固，即錨索+大鋼板+注漿+噴射混凝土的聯(lián)合加固方法，使得頂?shù)装逡平繙p少約為50.3%，左右?guī)褪諗苛繙p少約為81.0%，說明設(shè)計方案可有效控制巷道變形。

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