近距離煤層采動影響下巷道支護設(shè)計研究

劉福平,李泳臻

(1.山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦, 山西 古交市 030205;2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院, 北京 100083)

1 工程概況

山西省某煤礦現(xiàn)開采的2#煤層位于02#煤層下方約7 m處,屬于典型的近距離煤層[1]。02#煤層、2#煤層的平均厚度約為2 m,屬于近水平煤層,兩煤層間多為泥巖和細砂巖,02#煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、2#煤層底板為粉砂巖。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

該礦井屬于高瓦斯礦井[2],因此,礦山計劃在上組煤(02#煤層)開采前,于下組煤(2#煤層)布置瓦斯底抽巷。該瓦斯底抽巷既要為上組煤提供瓦斯抽采服務(wù),也要在開采下組煤時作為回采巷道使用,因此,該巷道具有功能多、任務(wù)重、服務(wù)周期長的特點,其安全穩(wěn)定性對礦山生產(chǎn)十分重要。

________________表1 煤層頂?shù)装鍘r性________________

如圖1所示,該瓦斯底抽巷內(nèi)錯于下方采煤工作面20 m布置,相比于一般的回采巷道,該巷道在服務(wù)期限內(nèi)要經(jīng)歷上方7 m處的煤層回采環(huán)節(jié),上組煤回采引起的超前支承壓力將嚴重影響下組煤既有巷道的穩(wěn)定性。

圖1 瓦斯底抽巷的布置

以往的開采經(jīng)驗表明,該巷道若在上組煤開采過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞而整體報廢,則下組煤回采前將需要重新布置回采巷道,受已掘進的瓦斯底抽巷的應(yīng)力影響,新巷道距離煤柱的內(nèi)錯距將進一步增大,這一方面增加了重新采掘一條巷道的時間和經(jīng)濟成本,另一方面也會增加下組煤的煤柱寬度,造成資源浪費。

近些年,國內(nèi)支護技術(shù)有了長足的進展[3],通過支護的手段為該瓦斯底抽巷設(shè)計合理的支護方案,對于巷道穩(wěn)定性、采區(qū)圍巖穩(wěn)定性、節(jié)約時間和經(jīng)濟成本以及采區(qū)資源的合理利用均具有重要的作用。

2 數(shù)值模型的建立與支護設(shè)計

2.1 數(shù)值模型的建立

為研究影響巷道穩(wěn)定性的主要因素,確定巷道支護方案的合理性,本文中通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件[4-5]對無支護和支護方案下的巷道應(yīng)力、應(yīng)變及塑性區(qū)場進行了分析與對比,為支護方案的可行性提供依據(jù)。

數(shù)值模型尺寸為x×y×z=40 m×40 m×50 m,模型各巖層按照現(xiàn)場實際情況進行布置,根據(jù)地應(yīng)力測試數(shù)據(jù),在模型上界面施加10 MPa的豎向均布荷載,在模型各側(cè)面施加8 MPa的水平均布荷載。模型底板固定,側(cè)向限制水平位移,但不限制豎向位移。圍巖各巖層的力學參數(shù)見表2,模型及初始應(yīng)力平衡狀態(tài)見圖2。

表2 巖層力學參數(shù)

圖2 數(shù)值模型及應(yīng)力平衡

近距離煤層下組煤巷道穩(wěn)定性研究的數(shù)值模型共計38 640個單元,42 441個節(jié)點。施加初始應(yīng)力后,圍巖整體的應(yīng)力分布較為均勻,2#煤層處垂直應(yīng)力約為10 MPa,與現(xiàn)場實際情況較為吻合,為后續(xù)的數(shù)值模擬研究提供了保障。

2.2 巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境分析

巷道支護方案的設(shè)計一般以巷道圍巖受力環(huán)境為依據(jù),在巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)加強支護強度,在低應(yīng)力區(qū)合理布置支護,避免支護材料過度使用而造成浪費。

因此,在支護方案設(shè)計前,針對巷道掘進期間、回采期間的應(yīng)力環(huán)境進行分析,并通過對圍巖應(yīng)力環(huán)境的研究,提出針對性的支護方案,保證巷道的穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬中,對2#煤層巷道位置處進行了開挖,巷道掘進期間的圍巖應(yīng)力場如圖3所示。

圖3 掘進期間的巷道圍巖應(yīng)力分布

如圖3(a)所示,在沒有支護的條件下,巷道掘進后,巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了垂直應(yīng)力卸壓區(qū),垂直應(yīng)力的主要集中區(qū)在巷道幫部1～2 m的范圍內(nèi),最大垂直應(yīng)力達到17.04 MPa,垂直應(yīng)力集中系數(shù)達到1.7左右;同樣,因為巷道的采掘,巷道頂?shù)装逄幱休^為明顯的水平應(yīng)力集中區(qū),位于頂?shù)装?～4 m的范圍,最大水平應(yīng)力達到12.79 MPa,水平應(yīng)力集中系數(shù)達1.6左右。

由此可以看出,巷道圍巖的支護重點應(yīng)圍繞巷道圍巖的應(yīng)力集中區(qū),即巷道的幫部及頂板。但此次研究的近距離煤層巷道區(qū)別于一般的回采巷道,巷道受到了上組煤的采動影響,因此,研究采動對巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的影響十分重要。

上組煤開采過程中,由于應(yīng)力卸載的原因,工作面后方的下組煤巷道多處于垂直應(yīng)力卸載區(qū),圍巖應(yīng)力集中程度較小。而工作面前方的下組煤巷道受到超前支承壓力的影響,時常出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的情況,因此,研究中截取了上組煤采動影響下工作面前方某截面處的下組煤巷道應(yīng)力分布情況,如圖4所示。

圖4 上組煤回采期間巷道圍巖應(yīng)力分布

如圖4所示,采動影響下由于工作面超前支承壓力的影響,巷道淺部圍巖各處應(yīng)力均有所提升,巷道穩(wěn)定性勢必會受到一定的影響。如圖4(a)所示,在采動影響下,巷道幫部圍巖的最大垂直應(yīng)力提升至24.07 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)達到了2.41;巷道圍巖的水平應(yīng)力最大達到12.21 MPa。這表明在回采影響下,工作面前方的下組煤巷道圍巖水平應(yīng)力變化并不大,但垂直應(yīng)力會有明顯提升,回采前后巷道圍巖的主要應(yīng)力集中區(qū)在巷道頂?shù)装搴蛢蓭汀?/p>

2.3 支護設(shè)計

巷道斷面為矩形,尺寸為巷寬4000 mm×巷高2600 mm。根據(jù)巷道斷面尺寸、現(xiàn)場材料和礦壓情況,設(shè)計的支護方案如圖5所示。巷道頂板采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排5根對稱布置于頂板,錨桿間排距為900 mm×1000 mm;兩幫采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排2根,間排距為1000 mm×1000 mm,每根錨桿配以2支錨固劑,并配以鋼帶托盤固定。錨索采用Φ 17.8 mm×5200 mm的錨索,每兩排布置2根,間排距為1800 mm×2000 mm。固定托盤前在巷道表面鋪設(shè)了鋼帶和鋼筋網(wǎng)。

圖5 巷道支護方案(單位:mm)

3 掘進期間巷道穩(wěn)定性分析

巷道圍巖變形以及塑性破壞情況是支護效果最直接的表現(xiàn),因此提取了無支護與有支護條件下掘進期間的巷道變形情況與塑性區(qū)分布情況,以分析支護效果,如圖6至圖8所示。

圖6 巷道圍巖豎向位移

圖8 巷道圍巖塑性區(qū)分布

由圖6可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道頂板變形為19.72 mm,支護條件下巷道頂板變形為19.35 mm,巷道整體變形量較小。從圖7中可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道兩幫收斂量為43.30 mm,支護條件下巷道兩幫收斂量為39.82 mm,變形量降低了8.03%。由圖8可以看出,在支護條件下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)較無支護條件時得到了明顯改善,塑性區(qū)范圍也明顯縮小,這表明該支護方案在掘進區(qū)間對頂?shù)装逅苄宰冃纹鸬搅艘欢ǖ目刂啤?/p>

圖7 巷道圍巖水平位移

綜上所述,設(shè)計方案對掘進期間巷道的變形和塑性區(qū)控制具有一定的作用,可有效地控制巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷淖冃问諗俊?/p>

4 回采期間巷道穩(wěn)定性分析

該巷道受到采動影響,巷道變形最嚴重的時期并非掘進期間,能否控制巷道在采動影響下的變形破壞才是支護的關(guān)鍵所在。因此,提取巷道回采期間,工作面前方某截面在無支護與有支護條件下的巷道變形情況與塑性區(qū)分布情況,如圖9至圖11所示。

由圖9可以看出,回采期間無支護情況下的巷道頂板變形為52.74 mm,有支護條件下的巷道頂板變形為52.48 mm,可見上組煤回采對下位巷道的影響較大。由圖10可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道兩幫收斂量為75.54 mm,有支護條件下的巷道兩幫收斂量為72.03 mm,變形降低4.65%。由圖11可以看出,回采影響下巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)展迅速,有支護條件下的巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)較無支護時有明顯縮小,這表明該支護方案有效地控制了巷道在上組煤回采過程中的圍巖塑性破壞。

圖9 回采后巷道圍巖豎向位移

圖10 回采后巷道圍巖水平位移

圖11 回采后巷道圍巖塑性區(qū)分布

綜上可以看出,上組煤的回采對下組煤中的既有巷道的變形破壞影響極大,支護措施可以有效地改善巷道變形和塑性破壞。

5 結(jié)論

調(diào)查發(fā)現(xiàn)山西省某礦瓦斯底抽巷在近距離煤層開采過程中,上組煤的回采會對下組煤中的既有巷道造成嚴重的塑性破壞,從而出現(xiàn)巷道圍巖破碎、變形加劇的現(xiàn)象。

本文通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了近距離煤層下組煤瓦斯底抽巷在掘進期間、上組煤回采期間巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境及回采對巷道應(yīng)力環(huán)境的影響,以此為依據(jù)設(shè)計了合理的巷道支護方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明,實施支護措施后,在巷道掘進期間、上組煤回采期間,巷道的豎向位移、水平位移均有明顯減小,巷道淺部圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況也得到了明顯改善。