厚煤層小煤柱沿空巷道圍巖控制技術(shù)應(yīng)用

張鵬飛

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

目前，我國煤炭資源回采率基本在60%以上，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，其中放頂煤工藝損失約為44%，區(qū)段煤柱損失約為33%。由此可見，減小區(qū)段煤柱寬度，進(jìn)行留小煤柱沿空掘巷是提高煤炭資源回采率的主要途徑[1-5]。但是，小煤柱留設(shè)寬度較小時，煤柱極易因采動影響而發(fā)生破壞，不能支撐覆巖壓力和維護(hù)巷道穩(wěn)定；小煤柱留設(shè)寬度過大，可能導(dǎo)致沿空巷道位于應(yīng)力增高區(qū)，使巷道維護(hù)成本增高，且會降低工作面回采率[6-8]。因此，確定合理的煤柱留設(shè)寬度，不僅能夠提高工作面回采率，還能優(yōu)化回采巷道布設(shè)位置[9]。針對黃陵二號煤礦以往留設(shè)35 m寬的區(qū)段煤柱時未能解決礦壓危害，造成煤炭浪費(fèi)上億元和不能徹底解決巷道維護(hù)的問題，提出采用留小煤柱沿空掘巷技術(shù)施工301運(yùn)輸巷，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究確定護(hù)巷小煤柱寬度，為巷道穩(wěn)定和工作面安全生產(chǎn)提供保障。

1 工程概況

黃陵二號煤礦位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)境內(nèi)，井田面積約351.94 km2，可采儲量6.4億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬t/a。301工作面位于2號煤層三盤區(qū)，南部為301工作面膠帶巷，北部為未開采區(qū)，西部為三盤區(qū)大巷。煤層埋深為490～690 m，平均埋深590 m；煤層厚度為2.75～5.75 m，平均厚度4.61 m；煤層傾角為2°～6°，平均傾角4°，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。301輔運(yùn)巷北部為實(shí)體煤，南部為301工作面膠帶巷，沿2號煤層頂板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)長度4 077 m，設(shè)計(jì)斷面為矩形，斷面尺寸為4 600 mm×3 800 mm(寬×高)。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 小煤柱寬度理論計(jì)算

2.1 極限塑性理論法煤柱寬度計(jì)算

上區(qū)段工作面的回采擾動破壞了巷道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在上區(qū)段工作面回采結(jié)束、圍巖應(yīng)力形成新的平衡后進(jìn)行沿空掘巷時，巷道圍巖受掘巷擾動發(fā)生二次破壞，導(dǎo)致煤柱兩側(cè)均形成一定范圍的塑性區(qū)，而煤柱穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)確保其內(nèi)部存在一定寬度的彈性核區(qū)[10-11]。此外，錨桿支護(hù)作用有效控制了實(shí)體煤側(cè)的塑性區(qū)。因此煤柱穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度、錨桿有效支護(hù)長度和彈性核區(qū)寬度三者之和[3，7]。煤柱寬度計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 煤柱寬度計(jì)算模型

根據(jù)煤巷兩幫煤體應(yīng)力和變形極限平衡理論，合理最小護(hù)巷寬度煤柱Bmin為[4，9]

Bmin=x1+x2+x3

(1)

(2)

式中，x2為上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；M為上區(qū)段平巷高度，取3.5 m；β為側(cè)壓系數(shù)，取0.28；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C0煤體粘聚力，取0.8 MPa；α煤層傾角，取7°；k為應(yīng)力集中系數(shù)，煤體抗壓強(qiáng)度小于25 MPa時，k=2.5；H為巷道埋藏深度，m；γ為巖層平均體積力，25 kN/m3；Px上區(qū)段平巷支架對下幫支護(hù)阻力，取0。代入式(2)計(jì)算得x2=2.1 m。x1為錨桿錨入煤柱的深度，取2.5 m；x3為安全余量，取0.5 m；代入式(1)計(jì)算，合理最小護(hù)巷寬度煤柱Bmin=5.1 m。

2.2 雙側(cè)塑性計(jì)算法

區(qū)段煤柱的完整性受塑性區(qū)寬度的干擾較大，塑性區(qū)寬度越長，煤柱體易破壞，因此在設(shè)計(jì)寬度時需要將塑性區(qū)的最大情況計(jì)算進(jìn)去，判定煤柱合理范圍寬度E[12]計(jì)算式為

E=k(xp+xs+xh)

(3)

(4)

(5)

xh=0.4(xp+xs)

(6)

式中，k為煤體采動影響因子，與頂板巖層完整性有關(guān)，取0.94；xp為巷道側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度，m；xs為采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣塑性區(qū)寬度，m；xh為區(qū)段煤柱核心承載寬度，m；帶入數(shù)據(jù)得xs=2.58 m，xp=2.61 m，xh=2.08 m，故煤柱合理范圍寬度E=6.83 m。

上述對301輔運(yùn)巷護(hù)巷小煤柱寬度的計(jì)算表明，按照極限塑性區(qū)計(jì)算法確定的煤柱寬度為5.1 m；雙側(cè)塑性計(jì)算法確定的煤柱寬度為6.83 m。由此可見301輔運(yùn)巷護(hù)巷小煤柱力學(xué)上合理寬度為5～7 m。

3 沿空掘巷護(hù)巷煤柱數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

3.1.1 幾何模型

以301輔運(yùn)巷為工程背景，采用MIDAS/GTS數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型，采用錨桿加錨索支護(hù)形式預(yù)留小煤柱進(jìn)行301輔運(yùn)巷模擬開挖。依據(jù)圣維南原理結(jié)合采場簡化選擇模型尺寸[13]，區(qū)段煤柱位于上區(qū)段工作面采空區(qū)邊緣位置，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況和模擬計(jì)算的要求，建立120 m×100 m×60 m(寬×長×高)的三維模型，所建立的幾何模型平面圖如圖2所示。

圖2 幾何模型平面

3.1.2 模型參數(shù)

模型底部限制垂直方向位移，其他各面限制水平方向位移，模型上部邊界載荷按500 m埋深均勻推算等效巖體自重壓力，巖石體平均容重25 kN/m3，并將自重應(yīng)力沿重力方向轉(zhuǎn)化為均布壓力以單元面壓力加載與模型頂部。模型采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則計(jì)算，3D網(wǎng)格組分割采取循環(huán)法進(jìn)行分割劃分，從巷道向四周發(fā)散，邊界處網(wǎng)格寬度最大，區(qū)段煤柱和巷道處網(wǎng)格寬度為1 m×1 m×1 m，邊界處網(wǎng)格寬度為2 m×2 m×2 m。模擬過程中，錨桿及錨索采用植入式桁架單元，煤層及其他巖層采用實(shí)體單元。數(shù)值模擬中煤巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖層基本物理力學(xué)參數(shù)

3.1.3 數(shù)值模擬步驟和內(nèi)容

首先開采上區(qū)段工作面，待上區(qū)段工作面回采結(jié)束上覆巖層穩(wěn)定后，分別留設(shè)5 m、10 m、15 m和20 m的區(qū)段煤柱，然后根據(jù)煤柱大小確定沿空巷道開挖位置。為確保計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際條件，在開挖巷道周圍位置附近加密計(jì)算網(wǎng)格的劃分，之后進(jìn)行巷道的開挖。由此模擬分析隨小煤柱寬度變化時的沿空巷道圍巖變形與破壞規(guī)律。

3.2 不同煤柱寬度下圍巖塑性區(qū)分布特征

上區(qū)段開采完畢，采空區(qū)冒落穩(wěn)定后，由于下區(qū)段巷道的挖掘又會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重置，對于區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布造成影響，導(dǎo)致煤柱兩側(cè)塑性區(qū)產(chǎn)生變化[14-16]。不同煤柱寬度下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征如圖3所示。

圖3 不同煤柱寬度下圍巖塑性區(qū)云圖

由圖3可知，煤柱寬度為5 m時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)出現(xiàn)重合，產(chǎn)生塑性區(qū)疊加現(xiàn)象，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)連通。煤柱寬度為10 m和15 m時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)有相接但未完全連通。煤柱寬度為20 m時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)相距較遠(yuǎn)。

3.3 不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力分布特征

3.3.1 不同煤柱寬度下圍巖水平應(yīng)力分布特征

不同煤柱寬度下掘巷直接頂30 m區(qū)域內(nèi)水平方向應(yīng)力分布變化曲線分別如圖4所示。由圖4可知，距巷道頂板5 m處水平應(yīng)力值最大，同一寬度下，水平應(yīng)力先增加后降低，再緩慢增加；煤柱寬度為20 m時水平應(yīng)力變化范圍較大，5 m、10 m和15 m處水平應(yīng)力變化范圍大致在8～30 MPa，平均應(yīng)力值在20～25 MPa時趨于穩(wěn)定，沿空側(cè)巷道受到采空區(qū)側(cè)邊緣應(yīng)力影響和區(qū)段煤柱側(cè)向水平擠壓作用，對巷幫支護(hù)阻力要求較大，預(yù)留煤柱寬度較小時，加快掘進(jìn)速率，大大降低了水平應(yīng)力的集中現(xiàn)象，對于頂板支護(hù)管理有顯著的作用。

圖4 不同煤柱寬度下巷道頂板水平應(yīng)力變化曲線

3.3.2 不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布特征

不同煤柱寬度下掘巷直接頂30 m區(qū)域內(nèi)垂直方向應(yīng)力分布變化曲線分別如圖5所示?？芍褐鶎挾葹?0 m時，由于上覆巖梁體的破壞導(dǎo)致拱形結(jié)構(gòu)變形，不能夠提供穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，上部垮落的巖體塊產(chǎn)生滑落下沉，對于垂直方向應(yīng)力過大，距頂板15～20 m垂直應(yīng)力增加速率降低，頂板上部開采煤層厚度為8 m左右，垂直應(yīng)力降低說明有效的支護(hù)形式和合理的煤柱寬度，對綜采放頂煤有一定的碎煤作用，觀察5 m、10 m、15 m豎向壓力范圍是10～30 MPa，距頂板20 m范圍外豎直壓力有所降低。

圖5 不同煤柱寬度下巷道頂板垂直應(yīng)力變化曲線

綜合分析可得，不同煤柱寬度導(dǎo)致應(yīng)力變化和重分布，對煤柱核心區(qū)域承載力呈現(xiàn)顯著的變化，煤柱寬度過長，導(dǎo)致承載能力降低，煤柱內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力疊加現(xiàn)象，導(dǎo)致煤巖體破壞，上覆巖層產(chǎn)生滑落變形，而且過寬的煤柱導(dǎo)致應(yīng)力集中對掘進(jìn)巷道側(cè)向擠壓變形，巷幫壓力增高，頂板下沉量劇烈，增加了人工成本，影響掘進(jìn)效率。從上述模擬結(jié)果可知煤柱寬度為5 m時，圍巖塑性區(qū)重疊和應(yīng)力場疊加，導(dǎo)致煤柱變形和巷道周邊破壞；煤柱寬度為10～20 m時，圍巖變形和應(yīng)力相對較小，位移變化和應(yīng)力值有所減小。因此確定煤柱合理寬度應(yīng)為10～20 m。

4 沿空巷道支護(hù)方案及支護(hù)效果分析

4.1 301運(yùn)輸巷支護(hù)方案

4.1.1 頂板支護(hù)

頂板采用錨桿錨索分離支護(hù)形式，頂板錨桿采用650 mm×800 mm的間排距配合鋼筋托梁支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ22 mm×3 500 mm螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用1節(jié)MSK2335型和2節(jié)MSZ2360型錨固劑進(jìn)行錨固，錨桿配合150 mm×150 mm×12 mm鋼托盤，鋼筋托梁采用φ16 mm圓鋼加工，長度4 100 mm，孔距650 mm，孔呈矩形70 mm×70 mm。錨索采用1 300 mm×800 mm的間排距以“一梁四索”的形式布置，錨索梁由T140鋼帶加工，梁長4 100 mm，錨索規(guī)格φ21.8 mm×10 300 mm 19芯防腐錨索，每根錨索采用1節(jié)MSK2850型和3節(jié)MSZ2850型錨固劑進(jìn)行錨固，錨索配合80 mm×80 mm×10 mm鋼板。頂部采用鐵絲菱形網(wǎng)，橫向鋪設(shè)，規(guī)格為1 000 mm×5 000 mm。

4.1.2 巷幫支護(hù)

兩幫部錨桿以800 mm的間距布置于T100鋼帶上，鋼帶由1根2 600 mm和1根1 000 mm鋼帶組成，2 600 mm鋼帶從上至下第3根錨桿孔，錨桿必須施工在最下端一個孔內(nèi)，鋼帶壓茬200 mm，支護(hù)后鋼帶整體長3 400 mm，鋼帶排距為800 mm。錨桿均為金屬錨桿，規(guī)格為φ22 mm×3 500 mm，每根錨桿采用1節(jié)MSK2335型和1節(jié)MSZ2360型錨固劑進(jìn)行錨固，每根錨桿配合一個80 mm×80 mm×10 mm鋼板。采面?zhèn)葞筒捎脧?fù)合網(wǎng)，規(guī)格為1 200 mm×3 600 mm。煤柱側(cè)幫部采用φ6.5 mm冷拔鋼筋網(wǎng)片，規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm。

4.2 21904運(yùn)輸巷圍巖控制效果分析

綜合分析煤柱寬度理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合黃陵二號煤礦實(shí)際開采地質(zhì)情況，301運(yùn)輸巷護(hù)巷小煤柱寬度為17.5 m。為評估301運(yùn)輸巷留17.5 m寬小煤柱掘巷期間巷道圍巖變形情況，在巷道內(nèi)布置2個表面位移測站，測站間距為50 m，采用“十字布點(diǎn)法”對巷道表面變形情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果和掘巷效果分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，在0～8 d時，巷道表面相對移近量隨觀測時間而快速增大；在8～30 d時，巷道表面相對移近量隨觀測時間無顯著變化，表明在0～8 d范圍內(nèi)，受掘巷影響，圍巖應(yīng)力快速釋放，巷道表面變形較大；在8～30 d范圍內(nèi)，隨掘進(jìn)迎頭向前推進(jìn)，測站處巷道圍巖應(yīng)力新的平衡狀態(tài)逐漸形成，巷道表面逐漸減小。由圖6還可看出，巷道頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾禐?9.01 mm，兩幫相對移近量最大值為36.76 mm。由圖7可知，301運(yùn)輸巷在掘巷期間，無網(wǎng)兜、片幫和底鼓現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，留設(shè)17.5 m寬的護(hù)巷小煤柱時，301運(yùn)輸巷沿空掘巷圍巖變形控制效果顯著。

圖6 巷道圍巖表面變形量

圖7 掘巷效果

5 結(jié)論

(1)基于301輔運(yùn)巷實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用極限塑性理論法和雙側(cè)塑性計(jì)算法確定了護(hù)巷小煤柱力學(xué)上的合理寬度為5～7 m。

(2)采用MIDAS/GTS數(shù)值模擬對區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為5 m、10 m、15 m和20 m時，掘進(jìn)期間巷道圍巖塑性區(qū)及應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬研究，結(jié)合煤柱穩(wěn)定性、承載能力、工作面回采率和工作面實(shí)際條件，確定煤柱最佳寬度為17.5 m。

(3)結(jié)合黃陵二號煤礦實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)條件，提出采用“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)方案并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬σ平孔畲笾捣謩e為29.01 mm、36.76 mm，且在掘巷期間無網(wǎng)兜、片幫和底鼓現(xiàn)象發(fā)生，巷道圍巖變形控制效果顯著，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。