急傾斜綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其控制研究

趙平赪

摘 要：本文以西坡煤業(yè)2502工作面為工程背景，針對急傾斜煤層巷道圍巖變形大的難題，研究采用強(qiáng)力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結(jié)構(gòu)非對稱耦合支護(hù)方案，并利用數(shù)值模擬軟件對支護(hù)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，通過現(xiàn)場支護(hù)效果的分析發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形得到有效控制，保證礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：圍巖應(yīng)力;急傾斜煤層;圍巖急傾斜煤層;非對稱耦合支護(hù)

0 引言

隨著礦井采掘深度的不斷延伸和開采強(qiáng)度的加大，易開采的煤層已逐步采掘完畢，礦井的開采正向賦存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。對于煤層傾角>45°的急傾斜煤層由于煤層頂?shù)装寮皟蓭蛶r體的巖性特殊，所以巷道的圍巖變形及礦壓顯現(xiàn)情況也復(fù)雜。急傾斜煤層巷道應(yīng)力及變形呈現(xiàn)出非對稱的狀態(tài)且由于煤層傾角較大，極易引起巖層的滑移。本文過急傾斜煤層巷道圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井實(shí)際提出針對性的支護(hù)技術(shù)措施，并采用數(shù)值模擬軟件對巷道支護(hù)方案進(jìn)行安全驗(yàn)證。同時(shí)，也為礦井地質(zhì)條件相類似的工作面巷道圍巖控制提供參考與借鑒。

1 巷道變形破壞機(jī)理研究

基于巷道圍巖松動(dòng)圈理論可知，圍巖的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出非對稱的形態(tài)，所以急傾斜巷道的圍巖變形呈現(xiàn)非對的形態(tài)。急傾斜煤層巷道的礦壓顯現(xiàn)情況與緩傾斜及傾斜煤層大致相同，但在開采急傾斜時(shí)，由于煤層傾角較大，所以巖石的重力與巖石層理夾角減小，所以在層理方向上重力的作用效果明顯增大，易導(dǎo)致巷道頂板冒頂落。

特別是急傾斜煤層巷道煤巖在受到重力作用影響下沉，且在傾斜面上會(huì)有下滑的趨勢。所以巷道的頂板及兩幫會(huì)朝著掘進(jìn)方向發(fā)生變形。隨著圍巖的松動(dòng)破壞向著巖體深部擴(kuò)展，頂板上部應(yīng)力拱會(huì)朝著巷道的上角移動(dòng)，使得巷道的應(yīng)力環(huán)境重新分布。巷道兩幫由于支撐力的不均勻性，造成巷道左幫的水平及垂直壓力升高，圍巖變形嚴(yán)重，發(fā)生煤巖的破壞。同時(shí)由于應(yīng)力分布的不對稱性，巷道圍巖的破壞及變形在同斷面內(nèi)也存在明顯的不對稱性，且在靠近頂板的位置圍巖變形大，所以頂板的冒頂多出現(xiàn)在這一側(cè)。對巖石的重力進(jìn)行分解，分解為垂直層面的分力及沿著層面的分力，隨著煤層的傾角增大，重力在層理方向的作用逐步增大，當(dāng)重力的分力大小超過巖層間的內(nèi)聚力時(shí)，巖層發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)。當(dāng)煤層巷道的頂板巖層較為堅(jiān)硬且煤層與相接巖層的巖性較為松軟時(shí)，滑動(dòng)現(xiàn)象極為明顯，從而引起頂板的上覆巖層下沉，當(dāng)巷道的底板為煤層時(shí)，底板會(huì)出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

采用非封閉式支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)方案，鑒于巷道的底板支護(hù)，會(huì)受到圍巖應(yīng)力傳遞影響，巷道的底板中部靠近下幫的位置出現(xiàn)裂縫，底板受到兩側(cè)的擠壓形成彎曲狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到新的平衡時(shí)，導(dǎo)致巷道底鼓的發(fā)生。

2 非對稱耦合支護(hù)技術(shù)可行性研究

在原有錨網(wǎng)索耦合支護(hù)的基礎(chǔ)上采用底板錨桿、注漿錨索等結(jié)構(gòu)對底板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為了使支護(hù)效果達(dá)到最大化，對支護(hù)體及支護(hù)巖層進(jìn)行變形協(xié)調(diào)，達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定性的目的。經(jīng)過分析最終確定強(qiáng)力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結(jié)構(gòu)非對稱耦合支護(hù)方案。利用數(shù)值模擬軟件來驗(yàn)證支護(hù)方案的可行性。

本文選取西坡煤業(yè)的2502工作面為研究對象。煤層的平均厚度為3.2m，煤層的傾角為53°，開采的2#煤層與4#煤層間存在夾矸層。老頂為細(xì)砂巖及粉砂巖組成。直接頂為1.6m的泥質(zhì)砂巖。直接頂為1.5m的泥質(zhì)粉砂巖。老頂為中厚泥質(zhì)粉砂巖1.3m。首先進(jìn)行模型的建立，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對模擬結(jié)果的精確性要求不高，所以適當(dāng)?shù)臏p小網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)。完成網(wǎng)格劃分后對模型約束進(jìn)行設(shè)置，支護(hù)方案選擇錨網(wǎng)索+底角錨桿相非對稱支護(hù)。完成建模過程后進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

由上圖可知，巷道圍巖的應(yīng)力呈現(xiàn)出非對稱形態(tài)，巷道附近圍巖應(yīng)力釋放明顯，且在巷道的表面圍巖應(yīng)力值接近于零，在靠近巷道底板的位置低應(yīng)力范圍向著巖層的深部進(jìn)行延伸。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在煤層的直接頂與老頂?shù)慕佑|面上，最大應(yīng)力值為25MPa，且影響范圍較大。觀察圖1（b）發(fā)現(xiàn)，巷道的左側(cè)變形明顯大于右側(cè)變形，且兩側(cè)的變形呈現(xiàn)出非對稱分別的狀態(tài)。從圖中可以看出巷道的左幫和底板的變形量較大，最大的變形位置出現(xiàn)在巷道的底板位置，底板的最大位移量達(dá)到了300mm左右，在巷道的左幫偏上的位置出現(xiàn)巖層的大幅度移動(dòng)，導(dǎo)致巷道嚴(yán)重變形。

從圖2可以看出，對巷道進(jìn)行非對稱錨網(wǎng)索支護(hù)后，圍巖的應(yīng)力分布情況明顯有了大幅度改善，圍巖的主應(yīng)力分布出現(xiàn)均勻化的趨勢，高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布逐步向著地應(yīng)力區(qū)開始轉(zhuǎn)化，但在巷道的直接頂和老頂?shù)慕佑|位置出現(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值從25MPa降低至了20MPa。觀察支護(hù)后的圍巖圍巖分布云圖發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過錨網(wǎng)索支護(hù)后，圍巖的變形量有了大幅度的減小，巷道的最大位移變形區(qū)出現(xiàn)在巷道的左側(cè)底板，最大位移量僅為100mm，同時(shí)巷道兩幫的變形量均小于50mm，可以看出支護(hù)后的巷道圍巖變形得到了較好的改善。圍巖整體應(yīng)力及位移均大幅度減小。

通過數(shù)值模擬的分析可以看出，支護(hù)后的巷道圍巖變形得到了有效的改善。將支護(hù)方案用于西坡煤業(yè)2#煤層巷道。監(jiān)測支護(hù)后的位移變形情況。巷道圍巖變形隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。

由圖可知隨著時(shí)間變化，巷道的圍巖變形呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，但增長的速度隨著時(shí)間的增長呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟吭?9天時(shí)區(qū)域基本穩(wěn)定，頂?shù)装宓南鄬σ平繛?36mm，巷道的兩幫移近量為115mm。頂?shù)装宓南鄬σ平吭谇?9天時(shí)的平均速度為7.9mm/d，且最大的變形速度為11.3mm/d。隨著時(shí)間的增加，頂板及底板的移近量呈現(xiàn)出減小的趨勢，19天以后的平均速度降低至1.7mm/d。巷道的兩幫的相對移近量在前19天時(shí)的平均速度為3.5mm/d，且最大的變形速度為7mm/d。隨著時(shí)間的增加，兩幫的移近量出現(xiàn)減小的趨勢，19天以后的平均速度降低至0.9mm/d。在掘巷支護(hù)的前期，由于掘進(jìn)的影響，巷道的變形較大，隨著掘進(jìn)時(shí)間的增加，支護(hù)體與巷道的圍巖相互耦合，此時(shí)的巷道變形量趨于穩(wěn)定，采用該支護(hù)方案有效控制巷道圍巖形變。

3 結(jié)論

為控制急傾斜煤層巷道圍巖變形大的難題，西坡煤業(yè)研究出強(qiáng)力錨桿、注漿錨索、W型鋼帶、鋼筋網(wǎng)及噴砼的多結(jié)構(gòu)非對稱耦合支護(hù)技術(shù)。并采用數(shù)值模擬對支護(hù)前后的圍巖應(yīng)力場及位移場進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的最大應(yīng)力值降低5 MPa，巷道圍巖兩幫的移近量降低至100mm。現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，巷道頂板及底板的移近量未236mm，最高移近速度為11.3mm/d，兩幫的最大移近量為115mm，最大移近速度為7mm/d，支護(hù)效果良好，保證礦井的安全生產(chǎn)。