大采高煤層回采對鄰近巷道變形及控制研究

王 凱,薛興偉

(陜西陜煤韓城礦業有限公司 象山礦井,陜西 韓城 715400)

現階段,煤炭開采已經由淺部向深部推進。隨著煤層埋深的增加,受地質構造、采煤方法等因素的作用,煤炭在開采過程中引起的回采動壓對相鄰巷道的穩定性產生了很大的影響。國內許多學者對此做了大量研究。王恩等[1]研究了煤層采動對巷道的影響,發現采動影響下底板深部存在著呈八字形非對稱分布的高剪應力區。張天等[2-3]研究發現,多次采動影響下巷道的變形具有非對稱性,產生蝶形塑性且破壞范圍更廣。王成等[4]經研究提出大斷面動壓回采巷道在采掘應力作用下的變形破壞具有明顯的階段性特征。王濟宇等[5]探究了深井動壓下采空區頂板的斷裂模式。孫長春等[6]分析了工作面采動對相鄰巷道影響的主要原因。賈后省等[7-8]發現,采動作用下圍巖周邊的應力方向發生偏轉,導致巷道處于非等壓應力狀態。范明建等[9]對煤層地質、支護效果、應力等進行了研究,提出強動壓作用下留巷巷道堅硬頂板切頂卸壓技術。何富連等[10]提出在掘進期間和回采期間實施兩階段加固措施的方案。這些研究為煤礦安全開采提供了有效的理論依據,但目前關于大采高煤層回采過程中產生的回采動壓對鄰近巷道影響的研究較少。在此,本文以陜煤集團下屬紅柳林礦為研究對象,進行了大采高煤層回采過程中,采動壓力對鄰近巷道圍巖變形規律及應力傳遞路徑影響的研究。

1 工程概況

陜煤集團下屬紅柳林礦80311工作面,走向長1 329 m,傾向寬102 m,北部為80310工作面,隔水煤柱留設寬度20 m,東部緊鄰大巷保護煤柱。煤層厚度13.5 m,埋深約為600 m。工作面及巷道位置如圖1所示。

圖1 工作面及巷道位置圖Fig.1 Location of working face and roadways

原支護體系示意圖如圖2所示。錨桿采用Φ22 mm×2 200 mm高強樹脂錨桿,矩形布置,間排距幫部為850 mm×800 mm,頂部為800 mm×800 mm,

頂部錨桿與BHW-300-5.2型鋼帶聯合布置;沿巷道斷面布置的錨索為高強低松弛預應力鋼絞線,外徑為21.8 mm,長度為7 100 mm,與頂部鋼帶按矩形布置,間排距1 600 mm×2 500 mm,極限拉斷力504 kN。

圖2 原支護體系示意圖Fig.2 Original supporting system

80311工作面運輸順槽在掘進完成后受南部80310工作面回采動壓的影響,巷道部分區段出現嚴重冒頂事故,冒頂垮落巖石向未冒頂區域擠出,兩幫煤體向巷道內部擠壓,出現嚴重內移,底板隆起,破壞嚴重,破碎巖體堵塞巷道影響正常施工;頂板下沉量超過360 mm,頂板最大離層量為16.3～23.6 mm,兩幫移近量超過380 mm,嚴重影響正常施工。

2 多重采動影響的數值模擬

采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬,整體模型參數按照80311掘進地質說明及勘察報告進行設置。巷道寬×高為6.0 m×3.7 m,Y方向取模型長度為210 m,則所建立模型尺寸長×寬×高分別為210 m×146 m×66 m,共156 950個單元,166 056個節點。研究區段巖體物理力學參數見表1所示。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

模型邊界條件采用位移邊界條件,左右及前后邊界限制其水平位移,底部邊界限制其水平及豎向位移,頂部不限制其任何方向位移。將垂直應力施加于模型上表面,將水平應力施加于模型前后及左右4個面。模型布置見圖3。

圖3 三維模型圖Fig.3 3D model diagram

80311工作面位于80311運輸順槽南部,隔水煤柱留設寬度為20 m,工作面的采煤機截深0.8 m,推進度為0.8 m;采用兩采一放的回采工藝,放煤步距為1.6 m,回采高度14 m,其中采煤機割煤高度為3.5 m,放煤高度為10.5 m,采放比為1∶3。

3 結果分析

3.1 巷道頂板變形分析

巷道掘進完成后頂板變形情況如圖4(a)所示。由圖可知,巷道頂板上部不同位置處最大變形均發生在頂板中間區域,頂板上部1 m處變形量最大,頂板上部7 m處變形量最小,說明巷道在掘進過程中對上覆巖層的擾動范圍較小,主要集中在0～3 m處。工作面在回采過程中頂板垮落產生的應力逐漸轉移至兩側的煤柱上,使得煤柱承受的應力逐漸增大,并且向巷道附近轉移。圖4(b)為距80310工作面-60 m處的巷道頂板變形圖。從圖中可以看出,距采空區越遠,上覆巖層變形量越小,巷道頂板上方變形量受回采動壓影響,采空區側頂板變形量為377.1 mm,頂板中間變形量為338.4 mm,實體煤側頂板變形量為318.2 mm,由左至右呈下降趨勢。將圖4(a)與圖4(b)對比可知,與距80310工作面-60 m處頂板上部最大位置相比,掘進后巷道頂板上部最大變形位置由頂板中部轉移到了采空區側頂板位置;掘進后巷道頂板上部最大變形發生在其上部1 m處,距80310工作面-60 m處巷道頂板上部最大變形發生在其上部7 m處,說明回采動壓從巷道頂板上部區域開始向巷道頂板范圍轉移。

(a) 掘進完成后巷道頂板變形圖

(b) 距80310工作面-60 m處巷道頂板變形圖圖4 巷道頂板不同位置變形圖Fig.4 Roof deformation at different locations

3.2 巷道側幫變形分析

由圖5可知,巷道掘進完成后,最大變形量均發生在距離底板高度1.1 m處,采空區側為-99.3 mm,實體煤側為-93.8 mm。巷道掘進過程中對幫部圍巖的影響強度向兩側減少,以采空區側為例,測點距采空區側水平距離1 m處,變形量最大為-99.3 mm;測點距采空區側水平距離7 m處,變形量最大為-35.9 mm,減少了63.8%。由此可知,距幫部水平距離越近,圍巖變形速率越快,距幫部水平距離越遠,圍巖變形速率越慢。由圖6可知,巷道受回采動壓影響后兩幫變形量迅速增大,測點距采空區側水平距離1 m(距采空區19 m)處,變形量最大,達到-532.5 mm;測點距采空區側水平距離7 m(距采空區13 m)處,變形量最小,為-391.6 mm。測點距實體煤側水平距離1 m處,變形量最大,達到-360.3 mm,測點距實體煤側水平距離7 m處,變形量最小,為-262 mm。將圖5(a)與圖6(a)對比可知,巷道掘進完成后,最大變形量發生在距采空區側1 m處,受回采動壓影響后,采空區側變形量迅速增大,距巷道越近,變形量越大。其原因在于，回采工作面埋深較大,隔水煤柱20 m,采煤厚度達到10 m,則回采動壓由煤柱區域向巷道傳遞,對巷道幫部產生擠壓,使巷道采空區側1 m處變形量達到最大。

(a) 巷道掘進完成后采空區側變形圖

(b) 巷道掘進完成后實體煤側變形圖圖5 巷道掘進完成后兩幫變形圖Fig.5 Deformation of two sides after roadway excavation

(a) 距80310工作面-60 m處采空區側變形圖

(b) 距80310工作面-60 m處實體煤側變形圖圖6 回采動壓影響后巷道兩幫變形圖Fig.6 Deformation of two sides after mining dynamic pressure

3.3 巷道應力分析

圖7為監測點距回采工作面-60 m時回采動壓對鄰近巷道產生的應力分布特征圖。由圖可知,工作面回采過程中在采空區左右兩側部分區域產生應力集中現象。其中采空區右側應力集中區域接近運輸順槽,使運輸順槽采空區側及采空區側頂板受到較大的采動應力影響,且應力呈不規則橢圓斜向下分布。這是由于采空區與運輸順槽的空間位置關系(回采煤層厚度高達10 m,而運輸順槽高3.7 m,同時順槽底板與回采工作面底面高程相同)導致的；而實體煤側及實體煤側頂板距離采空區較遠，受到的采動應力影響較小。

圖7 應力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics

4 巷道圍巖控制技術

4.1 支護形式

通過上述分析可知,回采動壓導致煤礦巷道變形呈非對稱性分布,傳統的對稱性錨桿支護措施已無法有效控制回采動壓影響下的巷道變形,故提出“非對稱性錨桿+錨索”支護措施,如圖8所示。80311臨近采空區巷道頂板處增加5.3 m,單體加強短錨索(60°～70°)及7.2 m長錨索(15°),對角部錨桿角度調整至20°,同時在實體煤側頂板處增加1根長錨索,以加強頂板變形控制,采空區側位置錨桿間距由原來的0.85 m減少至0.60 m,底部增加鎖腳錨桿,以加強幫部位置變形控制。

圖8 “非對稱性錨桿+錨索”支護圖Fig.8 Asymmetric bolt and cable supporting diagram

4.2 礦壓觀測

為驗證80311巷道支護效果,在巷道中選取一段進行工業性實驗,并布置測點對巷道變形位移進行觀測,采動影響變形結果如圖9所示。從礦壓結果可知,采取“非對稱性錨桿+錨索”支護措施后,隨著回采工作面的推進,在-20 m后,巷道變形速率快速增大,最終兩幫最大收斂量為94 mm,頂板最大移近量為83 mm,未發生錨桿及錨索斷裂現象,巷道圍巖變形得到有效控制。

圖9 回采期間圍巖變形曲線Fig.9 Deformation curves of surrounding rock during the mining

5 結論

1)巷道掘進完成后未受回采動壓影響時,頂板最大變形量發生在其上部1 m處,為48.2 mm,位于頂板中間區域,監測點距離頂板越遠其變形量越小,總體呈減小趨勢;巷道受回采動壓影響后,頂板最大變形量發生在其上部7 m處,為377.1 mm,位于采空區側頂板處,監測點距離頂板越近其變形量越小,總體呈減小趨勢;巷道幫部變形量距回采工作面、臨空面越近受回采動壓影響越大,巷道總體變形呈非對稱分布。

2)特厚煤層回采過程中采動應力呈不規則橢圓斜向下分布,使得煤柱上部某區域應力達到最大并逐漸向巷道頂板傳遞。

3)基于大采高采動影響下巷道圍巖變形規律及應力傳播特性,提出的“非對稱性錨桿+錨索”支護措施有效解決了采動影響下巷道圍巖較大變形的難題,為類似巷道提供了理論及技術依據。