特厚頂煤單雙夾矸層巷道開挖圍巖變形破壞特征研究

武東雷

(晉圣潤東煤業(yè)有限公司, 山西 晉城 048000)

我國厚煤層煤炭開采產(chǎn)量已超過煤炭總產(chǎn)量的50%[1],然而由于厚煤層頂板條件多變復(fù)雜,在其巷道開挖與掘進(jìn)期間安全事故多發(fā),因此明晰厚煤層巷道開挖過程中圍巖變形破壞規(guī)律是煤礦安全開采的前提。沿底掘進(jìn)的厚煤層巷道上方存在較厚的頂煤,而頂煤中往往存在多層夾矸,眾多學(xué)者對厚頂煤夾矸頂板巷道圍巖控制技術(shù)的研究促進(jìn)了我國厚煤層的安全高效開采[2-5]. 基于上述研究,以山西某礦13103工作面進(jìn)回風(fēng)巷道為研究背景,采用數(shù)值模擬方法對不同夾矸層數(shù)的厚頂煤巷道開挖掘進(jìn)過程中圍巖變化規(guī)律進(jìn)行研究,并結(jié)合現(xiàn)場條件對巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化,以保證特厚煤層單雙夾矸層巷道的安全開采。

1 工程概況

山西某礦目前開采13103工作面,煤層平均厚度13.0 m,平均埋深234.1 m,進(jìn)、回風(fēng)巷分別推進(jìn)長度1945 m和1869 m,巷道斷面均為高3.0 m、寬4.5 m的矩形,且均沿底板掘進(jìn),工作面位置見圖1. 在巷道主體開挖前,分別在膠回聯(lián)巷與膠進(jìn)聯(lián)巷中布置3個(gè)垂直頂板窺視鉆孔與1個(gè)傾斜頂板取芯鉆孔,其中窺視鉆孔垂高為20 m,取芯鉆孔傾角為平行掘進(jìn)方向豎直向上傾斜30°,斜長進(jìn)尺40 m. 采用窺視和鉆孔取芯的方式綜合判斷巷道頂板巖性,發(fā)現(xiàn)除頂板煤層夾矸情況有所不同外,兩條巷道頂板情況基本一致,進(jìn)風(fēng)巷頂板中存在一層0.8 m厚的夾矸,回風(fēng)巷頂板中存在兩層0.8 m厚的夾矸,兩條巷道頂板煤層以上為厚度約9.5 m的細(xì)砂巖層,頂板巖性柱狀圖見圖2.

圖1 工作面位置

圖2 頂板巖性柱狀

2 數(shù)值模擬

根據(jù)頂板巖層分布,利用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件分別建立含單層夾矸及雙層夾矸煤層開挖模型,整體尺寸為80 m×22.8 m,模型示意圖見圖3. 進(jìn)回風(fēng)巷所采用的支護(hù)方案相同,頂板錨桿錨索均垂直打設(shè),頂錨索直徑18.9 mm,長度7300 mm,一排打設(shè)3根,間距1500 mm,排距1800 mm;頂錨桿直徑22 mm,長度2400 mm,一排打設(shè)6根,間距850 mm,排距900 mm;幫錨桿垂直煤壁打設(shè),直徑20 mm,長度2000 mm,一列打設(shè)4根,間距900 mm,排距900 mm. 錨桿/錨索使用三維線作出,Assombly模塊與巖體模型組裝在一起,通過嵌入的方式定義錨桿/錨索與巖體之間的相互作用,頂板巖層、夾矸層及煤層均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)材料模型來表征巷道開挖過程的材料響應(yīng)規(guī)律。模型下邊界采用固定約束條件,兩側(cè)邊界采用輥支撐,模型網(wǎng)格劃分共包含10 146個(gè)域單元。建模參數(shù)見表1. 在后處理中,通過在下層夾矸下方1 m處劃定截線,提取煤層內(nèi)部截線所在位置的相關(guān)應(yīng)力及沉降值,進(jìn)而分析上部煤巖變形特征。

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

圖3 模型示意

3 模擬結(jié)果分析

3.1 含夾矸煤層開挖過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

分別對進(jìn)回風(fēng)巷開挖5 m、15 m、25 m、35 m時(shí)的圍巖變形特征進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果見圖4,5,6.

圖4 進(jìn)風(fēng)巷不同開挖距離下應(yīng)力分布

圖5 回風(fēng)巷不同開挖距離下應(yīng)力分布

由圖4、5可知,單層夾矸的進(jìn)風(fēng)巷與雙層夾矸的回風(fēng)巷在開挖掘進(jìn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變趨勢基本一致,即隨開挖距離的增加,應(yīng)力集中區(qū)域逐步增加,但進(jìn)風(fēng)巷周圍煤巖層應(yīng)力集中現(xiàn)象更明顯,應(yīng)力比回風(fēng)巷約高20%,應(yīng)變比回風(fēng)巷約大15%. 應(yīng)力集中區(qū)主要出現(xiàn)在掘進(jìn)頭與初始掘進(jìn)位置及其上覆頂板的部分位置,以掘進(jìn)長度一半位置為基準(zhǔn),左右兩側(cè)應(yīng)力區(qū)近似對稱分布,兩端頭頂角的應(yīng)力集中區(qū)呈橢圓形,橢圓長短軸比約為3∶1,長軸長度約為掘進(jìn)長度1/3,短軸一端與端頭頂板交點(diǎn)相交并以水平向上傾斜約15°向外擴(kuò)展。

分析發(fā)現(xiàn),夾矸層內(nèi)部同樣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,這是由于夾矸層強(qiáng)度相比于煤層強(qiáng)度較大,對其上覆煤層起到支撐并抑制下沉作用。由圖6可知,進(jìn)回風(fēng)巷應(yīng)力曲線呈馬鞍形分布,形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)與卸壓區(qū),雙夾矸層的回風(fēng)巷相比單夾矸層進(jìn)風(fēng)巷應(yīng)力集中區(qū)峰寬且高,卸壓區(qū)波谷更深,卸壓區(qū)應(yīng)力數(shù)值明顯低于原巖應(yīng)力。

圖6 不同開挖距離下截線位置應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6可知,最大位移量均發(fā)生在巷道中部,并在靠近巷道兩端位置位移量快速降低,煤層最大下沉位移量與開挖距離呈指數(shù)增長。開挖5 m時(shí),進(jìn)回風(fēng)巷最大位移量均小于0.015 m,而當(dāng)開挖距離由25 m增加至35 m時(shí),最大下沉位移量均超過0.3 m,進(jìn)、回風(fēng)巷分別達(dá)到0.384 m和 0.327 m,分別增加了31.2倍和26.8倍。同時(shí)可以看到由于雙夾矸層的作用,回風(fēng)巷最大下沉位移量明顯小于進(jìn)風(fēng)巷。因此,從應(yīng)力應(yīng)變看,雙夾矸層頂板相比單夾矸層對巷道起到了更好的保護(hù)作用。

3.2 含夾矸煤層開挖過程中的塑性區(qū)分布規(guī)律

不同開挖距離下含夾矸煤層的塑性分布規(guī)律見圖7、圖8. 可以看到,開挖過程中由于巷道中部煤層下沉,巷道兩端對煤體起到支撐作用,從而沿兩端形成較大應(yīng)力集中區(qū),煤體在拉剪應(yīng)力作用下發(fā)生破壞,因此,塑性區(qū)往往集中在巷道兩端。同時(shí),由于夾矸層抵抗破壞能力較強(qiáng),因此,塑性區(qū)主要分布在夾矸層周圍煤體。從單層及雙層夾矸煤層塑性分布圖可看出,相同支護(hù)條件下塑性區(qū)面積與夾矸層呈負(fù)相關(guān),夾矸層越多,塑性區(qū)越小,并且隨著開挖距離的增加,塑性區(qū)面積呈指數(shù)增加。煤層巷道開挖5 m時(shí),單層夾矸煤層塑性區(qū)面積為3.16 m2,雙夾矸煤層塑性區(qū)面積僅為1.73 m2. 當(dāng)開挖距離小于25 m時(shí),兩類含夾矸煤層塑性區(qū)面積增加緩慢,而當(dāng)開挖距離增加至35 m時(shí),塑性區(qū)大幅增加,分別達(dá)到了232.16 m2和94.73 m2. 因此,從塑性區(qū)角度看,單夾矸層頂板相比雙夾矸層頂板更容易受到采動影響導(dǎo)致破碎,所以在支護(hù)設(shè)計(jì)上,需要對進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖7 進(jìn)風(fēng)巷不同開挖距離下塑性區(qū)分布

圖8 回風(fēng)巷不同開挖距離下塑性區(qū)分布

4 巷道支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,回風(fēng)巷依舊采用原設(shè)計(jì)對巷道進(jìn)行支護(hù),進(jìn)風(fēng)巷更改設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),其中針對巷道頂角三角區(qū)破碎嚴(yán)重的問題將靠近頂角的錨桿錨索傾斜15°打設(shè),并將錨索長度加長到8300 mm. 具體方案為:頂錨索直徑18.9 mm,長度8300 mm,一排打設(shè)3根,間距1500 mm,排距1800 mm,其中中間錨索垂直巷道頂板打設(shè),兩側(cè)的錨索各向外側(cè)傾斜15°;頂錨桿直徑22 mm,長度2400 mm,一排打設(shè)6根,間距850 mm,排距900 mm,其中中間4根錨桿垂直巷道頂板打設(shè),臨近兩側(cè)巷幫的錨桿各向外傾斜15°;幫錨桿直徑20 mm,長度2000 mm,一列打設(shè)4根,間距900 mm,排距900 mm,其中巷道中部2根錨桿垂直巷道煤幫,靠近頂板錨桿向上傾斜15°,靠近底板錨桿向下傾斜15°.

5 支護(hù)效果

在施工過程中與結(jié)束后,對巷道掘進(jìn)期間的表面位移進(jìn)行了監(jiān)測。巷道表面位移監(jiān)測曲線見圖9.

圖9 掘進(jìn)期間巷道表面位移監(jiān)測曲線

由圖9可知,在巷道掘進(jìn)期間,當(dāng)掘進(jìn)距離小于20 m 時(shí)頂板下沉量增加明顯,20～60 m時(shí)增加緩慢,在60～100 m 后基本穩(wěn)定,即巷道圍巖處于掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段,頂板下沉量基本保持在130 mm以內(nèi),小于模擬中未進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化時(shí)的350 mm,巷道頂板下沉處于可控范圍內(nèi)。且與回風(fēng)巷道相比,在47 m之前,進(jìn)風(fēng)巷的頂板位移量均小于回風(fēng)巷道,之后進(jìn)風(fēng)巷的頂板位移量開始大于回風(fēng)巷道,但兩者相差不大。加強(qiáng)支護(hù)后整個(gè)巷道變形量較小,圍巖完整、穩(wěn)定,支護(hù)效果較好,能較好滿足礦井安全生產(chǎn)要求。

6 結(jié) 論

通過建立厚頂煤不同夾矸層數(shù)巷道開挖圍巖開挖模型,研究了掘進(jìn)過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,應(yīng)力集中于巷道頂角上部呈橢圓狀分布,最大位移量出現(xiàn)在巷道中部且隨掘進(jìn)長度呈指數(shù)增長。單夾矸層巷道相比雙夾矸層巷道應(yīng)力集中幅度更高,應(yīng)變更大,頂板更破碎。基于此,對原有巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,經(jīng)實(shí)測部分錨桿錨索傾斜打設(shè)并加長錨索可以保證巷道安全穩(wěn)定。

Study on Deformation and Failure Characteristics of Surrounding Rock during Roadway Excavation of Single and Double Gangway Layer with Extra Thick Top Coal

WU Donglei

AbstractAiming at the problem that the deformation and failure characteristics of the surrounding rock in the single and double gangue layer roadway are not clear during the excavation of the extra thick top coal roadway, numerical simulation methods were used to study the deformation and failure characteristics of the surrounding rock during the excavation process taking intake and return air roadway in the working face in a certain mine in Shanxi Province as the engineering background. The research results show that stress is concentrated in the top corner of the roadway and distributed in the elliptical shape. The maximum subsidence of the roof occurs in the middle of the roadway and increases exponentially with the length of excavation; Compared to double gangue layered roadway, single gangue layered roadway have higher stress concentration, greater stress changes, and more severe roof fragmentation. The deformation control effect of the roadway is significantly improved after the single gangway layer roadway that the anchor rods and anchor cable inclined to play and lengthen the anchor cable, and the strength of the surrounding rock is significantly enhanced, which can ensure the stability of the roadway.

KeywordsRoadway with extra thick top coal; Deformation of surrounding rock; Single and double gangue layer; Strengthening support