近距離煤層過(guò)空巷底板破壞機(jī)制及支護(hù)對(duì)策

史占東 ,趙鐵林

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司,山西 大同 037001; 2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司,北京 100013)

“十四五”末期全國(guó)煤礦數(shù)量預(yù)計(jì)控制在4 000處以內(nèi)[1]。伴隨著大量礦井資源整合完成,開(kāi)采過(guò)程中將面臨許多原有小煤礦開(kāi)采遺留的廢棄空巷,這些空巷賦存條件復(fù)雜,且空巷周邊仍有大量煤炭資源,通過(guò)回收空巷周邊的煤炭資源可提高礦井服務(wù)年限[2-3]。然而,空巷由于遺留時(shí)間較長(zhǎng)、經(jīng)歷采動(dòng)影響坍塌或破壞、部分空巷還存在水、瓦斯等問(wèn)題,在采掘工作面過(guò)空巷時(shí)容易出現(xiàn)大面積礦壓?jiǎn)栴},導(dǎo)致空巷片幫、冒頂和壓架等安全事故;特別是當(dāng)煤層傾角較小,加之整合前老窯采空區(qū)分布雜亂,形狀不規(guī)則,難以做到精確勘測(cè),井田工作面布置和安全回采存在較大安全隱患[4-9]。

前期國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)工作面跨空巷回采方面進(jìn)行了探索性研究,并取得不同程度的實(shí)踐效果,目前研究多集中于支承壓力分布、圍巖變形破壞特征及空巷加強(qiáng)支護(hù)措施等方面[10-16]。部分近距離煤層整合礦井(層間距0～9 m)跨空巷回采礦壓顯現(xiàn)更加強(qiáng)烈,底板變形破壞問(wèn)題更加顯著,目前關(guān)于近距離煤層過(guò)空巷技術(shù)方面研究較少,對(duì)能否安全通過(guò)下方空巷區(qū)域沒(méi)有十足把握。因此極有必要針對(duì)近距離煤層工作面回采過(guò)空巷期間底板變形破壞機(jī)制及支護(hù)對(duì)策展開(kāi)系列研究,保證工作面安全高效回采。

1 工程概況

某礦18201工作面現(xiàn)主采8號(hào)上煤,地面標(biāo)高+960～+1 066 m,煤層底板標(biāo)高+899～+917 m,上覆基巖和表土層厚度為43～167 m,18201工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為2 188 m,工作面凈寬213 m,可采面積為466 044 m2。煤層厚度為3.2～4.0 m,平均厚度為3.65 m,容重為1.64 t/m3,地質(zhì)儲(chǔ)量為279萬(wàn)t,可采儲(chǔ)量為273萬(wàn)t。工作面煤層頂板一般為泥巖,偽頂為厚度0.2～0.4 m的泥巖,局部發(fā)育,厚度不穩(wěn)定,開(kāi)采時(shí)隨煤層一起脫層垮落;直接頂與直接底均為較堅(jiān)硬的砂質(zhì)泥巖,厚度分別為10.5～18.3 m、1.5～5.5 m。

工作面下方有多條空巷,為原小煤窯開(kāi)采所留,空巷沿煤層底板掘進(jìn)。上下兩層煤間夾矸為中等堅(jiān)硬巖層。工作面開(kāi)采以前對(duì)空巷所在區(qū)域位置進(jìn)行地質(zhì)勘探,探測(cè)的空巷分布位置如圖1所示。

圖1 工作面下部煤層空巷所在位置Fig.1 Location of coal seam goaf roadway in lower part of working face

圖1中,2號(hào)空巷(圖1中黃線標(biāo)注)與工作面傾向平行,長(zhǎng)度為42 m,下文以2號(hào)空巷為研究對(duì)象,采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法 對(duì)工作面過(guò)2號(hào)空巷時(shí)底板變形破壞機(jī)制及支護(hù)對(duì)策展開(kāi)研究。

2 工作面過(guò)空巷底板變形破壞穩(wěn)定性分析

2.1 工作面回采底板破壞深度分析

回采工作面移動(dòng)支承壓力將應(yīng)力集中在前方煤體和工作面底板深部,并在一定深度進(jìn)行重新分布[17],底板巖層形成塑性破壞區(qū),由主動(dòng)極限區(qū)域OAB、被動(dòng)極限區(qū)域OCD、過(guò)渡區(qū)域OBC構(gòu)成,如圖2所示。

圖2 極限狀態(tài)下底板巖體塑性破壞區(qū)剖面示意Fig.2 Schematic diagram of the plastic damage zone of the bottom slab in the limit state

支承壓力會(huì)對(duì)底板造成破壞,其影響因素包括開(kāi)采深度、工作面長(zhǎng)度等;底板巖層的力學(xué)性能及發(fā)育狀況等也對(duì)其有所影響,由于2層煤之間是泥巖,所以底板破壞深度按照斷裂力學(xué)和塑性力學(xué)分析。

按斷裂力學(xué)分析:

(1)

式中,γ為底板巖體容重,取25 kN/m3;H為煤層埋深,取100 m;L為上層工作面傾斜長(zhǎng)度,取213 m;Rc為底板巖石抗壓強(qiáng)度,取26.25 MPa。

計(jì)算得出,Dmax=0.75 m。按塑性力學(xué)分析:

(2)

式中,φ0為底板巖體內(nèi)摩擦角,取30°;H為煤層埋深,取100 m。

計(jì)算得出,Dmax=11 m。

由力學(xué)分析可知,工作面底板0.75 m范圍以內(nèi)發(fā)生脆性斷裂,底板0.75～11.00 m內(nèi)發(fā)生塑性破壞,巖層強(qiáng)度有所降低。

2.2 工作面過(guò)空巷時(shí)底板穩(wěn)定性分析

工作面通過(guò)空巷時(shí),主要影響空巷頂板穩(wěn)定性的為支架自身的重力及形成有效支撐時(shí)產(chǎn)生的阻力,即支架底座全部進(jìn)入空巷頂板區(qū)域時(shí),為工作面最危險(xiǎn)時(shí)刻[18]。將對(duì)空巷頂板的支撐力F視為整個(gè)空巷頂板寬度的平均負(fù)荷q,即跨度為6.0 m的兩端固支巖梁,如圖3所示。

圖3 空巷頂板固支梁力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of the solid supporting beam on the roof of the goaf roadway

由材料力學(xué)可知,固支梁兩端彎矩最大,固支梁兩端上方受到拉伸破壞,與工作面平行的兩條傾向空巷對(duì)工作面安全通過(guò)威脅相對(duì)較大。

(3)

(4)

3 工作面過(guò)空巷數(shù)值模擬

3.1 模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算采用FLAC3D軟件,所采用的工作面地質(zhì)資料和頂、底板的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,數(shù)值模型如圖4所示。數(shù)值模擬切合實(shí)際情況,模型尺寸為180 m×150 m×60 m;模型四周及底部邊界限制位移,頂部施加2.5 MPa均布載荷,對(duì)工作面開(kāi)采至2號(hào)空巷上方時(shí)進(jìn)行模擬,從而整體分析圍巖整體控制效果[19]。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters

圖4 數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical calculation model

其中木垛的體素模型由FLAC3D中的“體素生成器”工具創(chuàng)建,并定義木材的彈性模量、泊松比、密度等材料屬性。木垛支護(hù)使用“接觸”和“集成”2種結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬,使用“接觸”單元模擬木垛與地層之間的接觸行為,使用“集成”單元模擬木垛內(nèi)部的結(jié)構(gòu)行為。該結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)承載壓力未超過(guò)木垛抗壓強(qiáng)度。

3.2 工作面推進(jìn)至2號(hào)空巷時(shí)底板破壞情況

在工作面推進(jìn)至2號(hào)空巷上方時(shí),取工作面下方1、2、3、4 m處的底板破壞情況進(jìn)行模擬。通過(guò)數(shù)值模擬分析,得出工作面下方1、2、3、4 m處底板破壞、圍巖塑性區(qū)范圍,如圖5—圖8所示。

圖5 不支護(hù)時(shí)底板破壞情況Fig.5 Damage to the floor without supporting

圖6 支護(hù)時(shí)底板破壞情況Fig.6 Damage to the floor during supporting

圖7 不支護(hù)時(shí)底板應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution in the floor without supporting

圖8 支護(hù)時(shí)底板應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of floor during supporting

由圖5—圖8可知,當(dāng)工作面推進(jìn)至2號(hào)空巷時(shí),底板深度1 m范圍內(nèi),受工作面采動(dòng)影響明顯,底板破壞區(qū)域較大;底板深度2 m處受采動(dòng)影響產(chǎn)生的破壞已經(jīng)較小,底板深度3 m處僅在工作面與底空巷重疊的區(qū)域有破壞跡象。底板深度4 m處,上方工作面回采對(duì)底板破壞的影響已經(jīng)不明顯,空巷上方頂板的破壞主要是巷道的開(kāi)挖所引起的塑形變形。空巷采用木垛支護(hù)后,底板的破壞范圍和程度較未采用支護(hù)措施時(shí)有所降低,但木垛支護(hù)更大的意義在于避免使空巷頂板已經(jīng)發(fā)生的塑性破壞向垮斷冒落發(fā)展。

底板破壞如圖9所示,底板應(yīng)力分布如圖10所示。由圖9、圖10可知,空巷未采取加強(qiáng)支護(hù)時(shí),工作面推進(jìn)至2號(hào)空巷,底板破壞深度可達(dá)3 m左右,部分底板出現(xiàn)了完全破壞,從底板的垂直應(yīng)力分布來(lái)看,拉應(yīng)力上下貫通的情況在位移量較大的區(qū)域的兩側(cè)都出現(xiàn)了。

圖9 底板破壞Fig.9 Damage of floor

圖10 底板應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of floor

采取木垛支護(hù)后,工作面底板破壞深度降低至2 m以內(nèi),底板拉應(yīng)力區(qū)域降低,與未采取支護(hù)措施相比,應(yīng)力分布有明顯改善。

4 對(duì)底板空巷采用木垛支護(hù)設(shè)計(jì)

參考現(xiàn)有空巷主要頂板加固支護(hù)方式,對(duì)2號(hào)空巷采取了“#”形木垛支護(hù)措施[20]。不僅對(duì)運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭框架懸空區(qū)域,同時(shí)對(duì)機(jī)頭1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)支架進(jìn)行支護(hù),采用實(shí)心木垛,每層為5根柳木道木,規(guī)格150 mm×150 mm×1 200 mm,間距60 mm,在此之后,采用石子、木墩、混凝土等對(duì)空隙進(jìn)行填充,支護(hù)體距巷幫0.5～1.0 m,底板空巷剖面如圖11所示。

圖11 底板空巷剖面Fig.11 Section of the floor of goaf roadway

5 空巷頂板壓力與位移的監(jiān)測(cè)與分析

為及時(shí)了解空巷頂板壓力和沉降情況,在空巷內(nèi)安裝壓力計(jì)和頂板位移計(jì),在木垛上部?jī)蓪诱砟局g安裝壓力計(jì);位移計(jì)固定在壓力計(jì)附近兩個(gè)木垛之間的道木上。壓力計(jì)和位移計(jì)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器和分站接入環(huán)網(wǎng),并向地面?zhèn)鬏斝盘?hào),系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空巷頂板的位移情況和壓力情況,并將空巷頂板的變形破壞情況通過(guò)壓力和位移的變化反映出來(lái),以便及時(shí)采取相應(yīng)措施后再通過(guò)工作面。

1個(gè)壓力計(jì)對(duì)應(yīng)1個(gè)位移計(jì),2號(hào)空巷內(nèi)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為⑥、⑧、⑨。對(duì)空巷頂板的壓力和移位監(jiān)測(cè),可實(shí)現(xiàn)對(duì)空巷頂板的壓力和位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),各測(cè)點(diǎn)的壓力和移位在9月10日前沒(méi)有明顯變化,表明空巷頂板在通過(guò)空巷前始終保持穩(wěn)定。工作面通過(guò)2號(hào)空巷期間,監(jiān)測(cè)到的位移、壓力變化曲線如圖12、圖13所示。

圖12 2號(hào)空巷測(cè)站頂板位移曲線Fig.12 Displacement curve of floor of No.2 goaf roadway measuring station

圖13 2號(hào)空巷測(cè)站頂板壓力曲線Fig.13 Pressure curve of floor of No.2 goaf roadway measuring station

由圖12、圖13可知,工作面在過(guò)底板空巷期間,空巷的頂板位移或下沉量最大不超過(guò)4 cm,頂板最大壓力不超過(guò)5 kN,空巷頂板在工作面通過(guò)期間所受到的變形壓力和變形量均較小。

由2號(hào)空巷內(nèi)6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)測(cè)站的位移和壓力曲線可知,當(dāng)工作面支架通過(guò)2號(hào)平行空巷正上方時(shí),空巷頂板位移量和壓力值均達(dá)到最大,當(dāng)工作面完全通過(guò)平行空巷后,空巷頂板位移和壓力又逐漸減小到某一較小值,說(shuō)明空巷頂板巖梁的所產(chǎn)生的部分變形為彈性變形。在工作面通過(guò)空巷過(guò)程中,工作面頂板通過(guò)支架傳遞給工作面底板也即空巷頂板以一定的作用力[15],該作用力導(dǎo)致空巷頂板局部發(fā)生塑形破壞,并可能伴隨有微小裂隙發(fā)生,但裂隙沒(méi)有貫穿整個(gè)頂板厚度,空巷頂板的完整性仍保持較好,沒(méi)有被完全破壞,因此可以確保工作面從其上方安全通過(guò)。

6 結(jié)論

(1)采用斷裂力學(xué)與塑性力學(xué)方法理論分析了工作面底板破壞深度,通過(guò)建立固支梁力學(xué)模型分析了工作面過(guò)2號(hào)空巷時(shí)底板穩(wěn)定性,計(jì)算得到空巷支護(hù)與未支護(hù)條件下所能承受支架工作阻力。

(2)對(duì)是否采取支護(hù)進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬,分析圍巖塑性區(qū)及垂直應(yīng)力變化規(guī)律,采取木垛支護(hù)后,工作面底板破壞深度與拉應(yīng)力區(qū)域均減小,應(yīng)力分布較未采取支護(hù)有明顯改善。

(3)18201工作面開(kāi)采過(guò)程中對(duì)2號(hào)空巷采用“#”字型空心木垛加強(qiáng)支護(hù),過(guò)空巷期間對(duì)頂板壓力與變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果表明回采期間空巷頂板整體性較好,能使工作面在有木垛支護(hù)的情況下安全通過(guò),可為類似近距離煤層回采過(guò)空巷底板變形破壞控制提供參考和依據(jù)。