厚煤層內掘巷過小斷層構造期間頂煤控制研究

楊增強,劉 暢,白 洋,張 虎,李常浩

(1.江蘇建筑職業技術學院 交通工程學院,江蘇 徐州 221116;2.徐州礦務集團有限公司,江蘇 徐州 221018;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4.陜西陜煤曹家灘礦業有限公司,陜西 榆林 719000;5.山西潞安礦業集團有限責任公司 余吾煤業有限公司,山西 長治 046103)

我國地下煤炭資源賦存地質條件存在多樣性。目前隨著東部地區煤炭資源開采趨于枯竭,西北地區賦存穩定且儲量較大,成為目前開采的主要區域[1-2]。由于西北地區煤炭資源賦存厚度較大,因此當對其實施井工開采時,煤層巷道往往沿著煤層底板掘進,其上方不同程度地留有一定厚度的頂煤,同時為了滿足生產需求,其服務平巷往往橫斷面較大,這對煤巷頂板的支護提出了更高的要求。由于煤層內隱伏有諸多的斷層地質構造,尤其小斷層地質構造發育更加豐富,這導致沿煤層底板掘進的巷道在橫穿小斷層地質構造后,頂板內煤巖體更加破碎難以控制,同時服務平巷較大的橫斷面也進一步增加了頂板懸頂段的寬度,進而導致頂板內煤巖體極易發生較大變形甚至嚴重冒頂事故[3-5]。因而有必要針對頂板內煤巖體較為破碎的巷道圍巖控制進行深入研究,旨在能夠更好地服務于大斷面煤巷安全高效的掘進作業。

1 20322工作面工程概況

1.1 工程地質條件

曹家灘煤礦目前為年產能高達1 500萬噸的大型機械化作業礦井,其井田范圍內目前主要針對東翼盤區內的20322大采高工作面進行掘巷作業工作。由于203盤區內隱伏有諸多小斷層構造,這導致20322大采高工作面兩側的服務平巷(20322膠帶巷和20322回風巷)在掘進期間將會面臨橫穿小斷層構造的潛在風險。考慮到20322大采高工作面所開采的2號煤層平均厚度為7.3 m,而工作面兩側的服務平巷斷面尺寸為寬×高=5.6 m×4.3 m,可見當服務平巷掘出后,其上方頂板內存在厚度約為3.0 m的煤體。20322大采高工作面平面布置情況如圖1所示。

圖1 20322大采高工作面平面布置

由圖1可知,20322膠帶巷掘進至J7～J8地質測量點之間時,揭露出一小斷層構造F322-2,此斷層構造的傾角約為70°,垂直落差約為0.9 m,受此斷層構造對煤體的切割效應影響,20322膠帶巷掘進通過此斷層構造后頂板內煤體沿用原有錨桿索支護措施后頂板呈現出極度破碎的狀態,局部頂煤下沉變形破壞嚴重的區域甚至出現錨索拉斷裂失效而誘使頂煤大面積冒頂來壓事故的發生。關于20322膠帶巷受小斷層構造F322-2影響而現場頂板實際破壞情況如圖2所示。

圖2 小斷層構造F322-2影響區頂板現場破壞實例

1.2 冒頂事故調研分析

當20322膠帶巷受小斷層構造F322-2影響而發生嚴重冒頂事故后,基于礦方技術人員所提供的相關資料繪制出以J7地質測量點為參考點的監測方案。具體的監測方案布置平面情況如圖3所示。

圖3 監測方案布置平面示意(單位:m)

基于圖3所示的監測布置方案,采用手持式激光測距儀分別對L、1、2、…、13等14個測點位置處進行頂底板距離測定作業,同時依據J7地質測量點的標高數據并結合全站儀測量可以計算得到14個測點位置處的底板標高值,從而進一步繪制出20322膠帶巷掘進橫穿小斷層構造F322-2并發生冒頂來壓事故后的頂底板標高沿掘進方向變化曲線,如圖4所示。

圖4 冒頂來壓事故后頂底板標高變化曲線

由圖4可知,當20322膠帶巷掘進橫穿小斷層構造F322-2后,由于巷道底板標高基本控制在474 m左右,可視作底板標高為474 m;而關于巷道頂板在靠近小斷層構造F322-2結構面位置處冒頂高度最大,此處頂板標高為484.3 m.計算差值可知,此處頂底板高度差值為10.3 m,相較于巷道原有高度值4.3 m可知頂板冒頂高度值為6.0 m,即頂板冒頂高度最大位置處不僅頂煤全部發生了垮冒,甚至其上方一定厚度的穩定巖層也同步發生了垮冒;而關于巷道頂板在遠離小斷層構造F322-2結構面位置處冒頂高度最小,此處頂板標高為481.5 m.計算差值可知,此處頂底板高度差值為7.5 m,相較于巷道原有高度值4.3 m可知頂板冒頂高度值為3.2 m,即頂板冒頂高度最小位置處僅頂煤全部發生了垮冒,其上方巖層內部偽頂也同步發生了垮冒。關于冒頂范圍沿巷道掘進方向長約53.7 m,可見巷道掘進橫穿小斷層構造導致的冒頂來壓事故影響范圍較大,對于20322膠帶巷的正常掘進作業造成嚴重阻礙,甚至威脅到作業人員的安全,因而當巷道掘進橫穿小斷層構造作業前有必要針對性地采取防治措施,保障巷道能夠安全高效地掘進橫穿小斷層構造,杜絕頂板發生嚴重離層甚至冒頂來壓事故。

2 RFPA數值模擬分析

以20322膠帶巷掘進橫穿小斷層構造F322-2為工程背景,考慮到巷道頂板內煤巖體受斷層切割效應影響而較為破碎,因而在此采用RFPA數值模擬軟件(即巖石破裂過程分析系統)來對不同強度和剛度條件下的頂板煤巖體破壞情況進行數值模擬研究[6]。首先采用RFPA數值模擬軟件構建尺寸為寬×高=20 m×10 m的二維平面應變模型,并結合相關研究文獻對模型中各煤巖層進行賦值和本構模型的嵌入,在所構建的二維平面應變模型上表面施加等效均布載荷值7.9 MPa(相當于埋深為320 m),同時依據小斷層構造對掘進開挖后的巷道頂板內煤巖體影響情況,在此分別模擬頂板內煤巖體強度取值為5 MPa、15 MPa和30 MPa時,頂板內煤巖體剛度取值為50 MPa和200 MPa的條件下頂板內煤巖體破壞演化規律,如圖5所示。

圖5 不同強度、剛度條件下頂板內煤巖體破壞演化規律

煤巖體的強度旨在體現煤巖體在復雜地應力影響下其抵抗永久變形和破裂的能力,而煤巖體的剛度旨在體現煤巖體在復雜地應力影響下其抵抗彈性變形的能力[7-8]。根據圖5所示在不同強度和剛度組合條件下頂板內煤巖體破壞演化情況可知,在煤巖體的強度取值為5 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內軟弱巖層(如頂煤)與上位巖層由發生明顯離層進而整體性垮冒轉變為發生較大離層進而整體性垮冒,可見在較小的煤巖體強度條件下,單一的提升煤巖體的剛度值并不能很好地改善頂板內煤巖體的穩定性,如圖5(a)、(b)所示;在煤巖體的強度取值為15 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內軟弱巖層與上位巖層由發生較小離層進而大部分垮冒轉變為發生輕微離層進而小部分垮冒,如圖5(c)、(d)所示;在煤巖體的強度取值為30 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內軟弱巖層與上位巖層由發生微小離層進而局部垮冒轉變為未發生離層進而下位軟弱巖層發生輕微垮冒,如圖5(e)、(f)所示。

根據上述數值模擬關于不同強度、剛度條件下頂板內煤巖體破壞演化規律得知,當巷道頂板受小斷層構造影響而頂板內煤巖體較為破碎時,即此時頂板內煤巖體的強度和剛度值也較小,當巷道掘出后頂板內煤巖體極易發生明顯離層進而整體性垮冒,從而誘發嚴重冒頂來壓事故。可見,針對巷道掘進橫穿小斷層構造期間,需要提高頂板內煤巖體的強度和剛度值,進而保障巷道能夠安全高效地掘進橫穿小斷層構造而不發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故。

3 頂板內煤巖體支護優化分析

考慮到20322大采高工作面兩側的服務平巷寬度為5.6 m,其跨度值相對較大,且其上方頂板內存在厚度約為3.0 m的煤體,為了防止頂板內煤巖體發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故,在此針對頂板煤巖體內錨索受力情況進行計算分析,進而重新校核確定頂板煤巖體內錨索的參數值。首先將寬度為5.6 m的服務平巷頂板懸露段視作兩端固支的梁結構體,其中頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索將頂板內淺部煤巖體錨固至深部穩定的巖體中。頂板懸露段表面受力簡化情況如圖6所示。

圖6 頂板懸露段表面受力簡圖

根據圖6所示頂板懸露段表面受力情況,可以推導出其相應的受力平衡方程組,如公式(1)所示。

(1)

式中:ΔR1、ΔR2為頂板懸露段兩端位置處支承應力減小量,kN;F為頂板煤巖體內錨索預應力值,kN;b為頂板懸露段寬度值,取5.6 m;s為左側錨索與左幫的水平距離,取1.2 m.

基于公式(1)可以推導出頂板懸露段內不同區間的彎矩減小量,如公式(2)所示。

(2)

考慮到頂板煤巖體內錨索的預應力一般取值在250 kN左右,結合公式(2)進行計算可以繪制出頂板懸露段內不同區間的彎矩減小量變化曲線,如圖7所示。

圖7 頂板懸露段內不同區間的彎矩減小量變化曲線

由圖7可知,頂板懸露段中心線位置處彎矩減小量最大,為650 kN·m,而在兩側錨索錨固位置處彎矩減小量也較大,為450 kN·m.這表明對頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索進行錨固后,彎矩在1.2 m≤x≤4.4 m區域內減小量顯著,有效防止了頂板懸露段中部區域因彎曲變形過大而發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故。

在上述針對頂板懸露段彎矩減小量計算的基礎上,進一步通過調整頂板煤巖體內3根錨索的施工工藝,即將兩側錨索調整為與豎直方向呈15°夾角,同時將錨索孔外部留設的足夠長度錨索采用桁架連接器連接成一個整體,最終將形成錨索桁架支護系統[9],此系統能夠更好地發揮錨索對于頂板內煤巖體的控制功效。錨索桁架系統對于頂板內煤巖體的控制情況如圖8所示。

圖8 錨索桁架系統對頂板內煤巖體控制受力簡圖

從圖8可知,當將頂板內兩側錨索調整為錨索桁架系統后,將會對頂板內煤巖體中部區域形成預應力壓縮區,關于預應力壓縮強度則可以通過桁架連接器進行調整。可見,采用錨索桁架系統后所形成的預應力壓縮區內煤巖體將會被緊密地壓縮成一個整體,從而整體上提高了此區域內煤巖體的強度和剛度,同時頂板懸露段中心線位置處的錨索進一步限制了頂板內煤巖體因彎曲變形而形成較大的離層現象,最終實現對于頂板內煤巖體的良好控制,預防頂板內煤巖體發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故。

4 現場工業性應用

4.1 優化后的支護方案

由圖1可知,20322回風巷掘進期間也將會橫穿一小斷層構造F322-2,此斷層構造的傾角約為70°,垂直落差約為0.9 m.在此針對橫穿小斷層構造前后50 m范圍采用優化后的支護方案,其具體支護參數為:頂板懸露段中心線位置處選用型號為Φ21.6 mm×7 800 mm的單體錨索,采用型號為CK2335(1卷)和Z2360(2卷)的樹脂錨固劑進行端頭錨固;錨索桁架系統中選用型號為Φ17.8 mm×8 500 mm的單體錨索,其錨固段相應的配套樹脂錨固劑型號為CK2335(1卷)和Z2360(2卷)。關于20322回風巷在小斷層構造F322-2附近的具體支護方案如圖9所示。

圖9 20322回風巷橫穿小斷層構造

4.2 礦壓監測

當采取優化后的支護方案對20322回風巷橫穿小斷層構造F322-2前后50 m范圍進行支護后,后續在此優化支護巷道段內每間隔10 m布置1個測站對巷道頂底板變形情況進行監測,一共布置KD1～KD6共計6個測點,所監測到的巷道頂底板移近量變化曲線如圖10所示。

圖10 頂底板移近量變化曲線

由圖10中KD1～KD6的監測結果可知,采取優化后的支護方案對巷道圍巖進行控制后,其頂底板移近量在60 d左右時,最大值為158 mm,最小值為71 mm,平均值為132 mm.考慮到20322回風巷的掘巷高度為4.3 m,其頂底板移近量僅為掘巷高度的3%左右,可知該優化后的支護方案能夠很好地對頂板內煤巖體變形下沉進行控制,防止頂板內煤巖體發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故。

5 結 語

1) 當巷道頂板受小斷層構造影響而頂板內煤巖體較為破碎時,頂板內煤巖體的強度和剛度值也較小,當巷道掘出后頂板內煤巖體極易發生明顯離層進而整體性垮冒。

2) 對20322大采高工作面兩側的服務平巷頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索進行錨固后,彎矩在1.2 m≤x≤4.4 m區域內減小量顯著,有效防止了頂板懸露段中部區域因彎曲變形過大而發生較大離層甚至嚴重冒頂來壓事故。

3) 采取優化后的支護方案對20322回風巷橫穿小斷層構造F322-2前后50 m范圍進行支護后,其頂底板移近量僅為掘巷高度的3%左右,可知能夠很好地對頂板內煤巖體變形下沉進行控制。