厚煤層條件下多級讓壓支護技術研究

崔德偉

(山西潞安礦業集團 夏店煤礦,山西 長治 046200)

隨著煤礦開采的機械化與智能化水平快速發展,為滿足采掘平衡,提高礦井生產效率,回采巷道普遍采用煤巷布置方式[1-4],由此導致了巷道圍巖巖性強度較弱,易受強烈的擾動變形影響[5-10]。尤其是在特厚煤層綜合放頂煤開采條件下,煤層回采巷道將會受到強烈的動載作用,使圍巖產生嚴重的沖擊破壞,因此,針對特厚煤層條件下巷道應力沖擊顯現特征亟待研究[10-14]。

針對特厚煤層開采時的沖擊擾動作用,潘一山等[15]建立了深部條件下厚煤層的復合沖擊致災模型,探討了煤層開采過程中的應力沖擊影響因素。姜福興等[16]探究了應力沖擊的遲滯性特征,提出了高地應力蠕變沖擊機理,并推導了蠕變沖擊判定公式。夏永學等[17-18]探究了煤層大巷在地質構造條件下的復合沖擊機制,并提出了超長孔水平分段壓裂防治巷道沖擊地壓技術。吳擁政等[19]通過建立深部沖擊地壓影響下巷道力學模型,總結了卸壓與支護的協調防沖擊原理。焦建康等[20]根據實際工程問題,進一步提出了深部卸壓+淺部加強支護+表面聯合支護的圍巖支護體系。

以上研究為特厚煤層回采巷道的支護技術研究提供了依據,有效地提升了巷道防沖擊性能,其中采用錨桿與錨索作為主要的支護材料,對于圍巖穩定性控制起到了重要作用,然而針對巷道受煤層動力沖擊時的圍巖響應特征還需完善,因此,以夏店煤礦為例,采用理論分析與數值模擬方法探究了厚煤層條件下巷道應力沖擊顯現特征,并提出了厚煤層巷道讓壓支護技術,為巷道圍巖支護體系的研究提供指導。

1 工程概況

夏店煤礦3118工作面位于3號煤層31采區,工作面傾斜長度平距235 m,可采走向長度261 m,工作面煤層厚度平均6.8 m,屬于厚煤層,采用綜放開采方式。兩巷沿煤層底板掘進,頂煤厚度為3～6 m,屬于厚煤層回采巷道。夏店煤礦3118運輸巷寬度為3.2 m、高度為5 m,支護方式采用錨網索+鋼筋托梁支護,頂錨桿采用Φ22 mm×2 400 mm高強度螺紋鋼錨桿,錨桿間距900 mm,排距1 000 mm,幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm高強度螺紋鋼錨桿,錨桿間距1 000 mm,排距1 000 mm,鋼筋托梁采用Φ16 mm鋼筋制作;錨索型號為Φ21.8 mm×7 300 mm,錨索布置(2-2-2-2-2),排距為1 000 mm,間距2 000 mm.巷道頂板為煤、泥巖、細粒砂巖與中粒砂巖,在頂煤來壓過程中,易產生劇烈的頂板下沉與變形,并具有應力沖擊特征。其中,頂板冒落會導致錨索瞬時拉伸破斷,錨桿連同頂煤松脫滑落,煤壁片幫時會伴隨煤塊與碎屑的噴射現象,對工作面的安全生產造成了極大的安全隱患。

2 厚煤層條件下巷道沖擊破壞機制

根據特厚煤層巷道布置條件,對巷道頂板形成的板殼結構進行建模,如圖1所示,假設巷道頂板為均勻且連續的彈性介質,則可得到頂板的撓度方程,如式(1)所示:

圖1 厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學模型

(1)

式中:D為板殼結構的抗彎剛度,N/mm2;ω(x,y)為板殼結構的撓度方程;Fx,Fy,Fxy為板殼結構不同方向的受力,N.

考慮到此模型為二維結構,因此,可將式(1)轉換為式(2)所示的形式:

(2)

將模型邊界設置為簡支邊界條件,如式(3)所示:

(3)

則滿足該邊界條件的撓度方程如式(4)所示:

(4)

式中:A為撓度方程中的常量;a為巷道上方煤層梁結構的長度,可近似表示為巷道的寬度,m;m為正數參數,m≥1.

將式(4)與式(2)進行聯立可得到式(5):

(5)

進而可得:

(6)

式中:E為巷道上方煤層梁結構的彈性模量,GPa;μ為巷道上方煤層梁結構的泊松比;h為巷道上方煤層梁結構的厚度,m.

當m=1時,得到巷道上方煤層梁結構的最小破壞閾值應力σcr,如式(7)所示:

(7)

忽略應力波接觸模型邊界時的透射波與反射波,則可將巷道上方煤層梁結構所受的應力σs表示為靜應力與動應力組合的形式,如式(8)所示:

σs=σj+σde-ηl

(8)

式中:σj為巷道上方煤層梁結構靜載應力,MPa;σd為動載應力,MPa;η為動載能量衰減系數;l為應力波傳播距離,m.

當最小破壞閾值應力σcr小于巷道上方煤層梁結構所受的應力σs時,可得到式(9):

(9)

根據式(9)分析可知,巷道上方煤層梁結構發生應力沖擊破壞時的應力值與圍巖所受的靜應力,沖擊應力與梁結構的長度呈正比關系,而與梁結構強度、梁結構厚度、應力波傳播距離呈反比關系。對于巷道支護而言,應盡可能地降低巷道上方梁結構的離層量,增加梁結構的強度與厚度,以此提高圍巖抵抗應力沖擊的能力。

3 巷道圍巖應力沖擊響應特征

3.1 數值模型的建立

根據夏店煤礦3118運輸巷的地質條件,采用FLAC3D建立如圖2所示的數值模型,數值模型的長度為100 m,寬度為105 m,厚度為10 m.模型采用摩爾-庫倫強度準則,根據實際地應力,在模型的水平方向施加15.6 MPa的水平應力和6 MPa的地應力,同時固定模型的底部邊界。模型首先采用靜力加載方式使模型達到初始地應力平衡狀態,隨后采用動力加載方式,在沖擊震源位置設置頻率為50 Hz的余弦式應力波,應力沖擊荷載為60 MPa(1×107J),以此模擬厚煤層開采條件下產生的應力沖擊對巷道圍巖的礦壓顯現特征。數值模擬巖性參數如表1所示。

圖2 巷道圍巖應力沖擊數值模型

3.2 應力沖擊時空演化特征

為探究在沖擊震源影響下,巷道圍巖的動力響應特征,對不同應力沖擊傳播時間下的應力波波速進行監測,得到如圖3所示的應力沖擊時空演化特征。根據圖3可知,沖擊震源位置的震動能量會以震源位置為中心,以球面形式向巖層內部快速傳播,在應力波傳遞的過程中引發巖層內部微觀質點的震動,質點的震動又進一步消耗應力波的能量,使傳遞波速逐漸降低。當傳播時間為0 s時,震源附近具有最高的傳播速度,約為0.56 m/s,并且不受方向的限制;當傳播時間為0.02 s時,應力波已經傳遞到巷道區域位置,應力波速度已經下降至0.13 m/s;在0.03 s時,由于圍巖吸收了能量,應力波的傳遞速度進一步下降,僅傳遞至巷道兩幫區域,波速約為0.082 m/s;當應力波傳遞時間為0.06 s時,影響區域囊括了巷道底板位置,此時巷道底板巖層僅產生質點的低速震動消耗殘余應力波能量。

表1 數值模擬巖性參數

圖3 應力沖擊時空演化特征

應力波的時空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質點震動速度存在頂板>幫部>底板的物理特征。因此,在沖擊應力作用下,巷道圍巖在頂板與幫部承受強烈的應力擾動作用。頂板與幫部的應力向巷道內部空間傳播,由于巷道內部空間無固體介質,應力將會大幅度作用于巷道的剛性支護結構,最終導致支護結構的失效。同時由于應力的“水波”傳遞特征,巷道圍巖會由淺入深發生分層次破壞,導致圍巖的多級破裂,同時在頂板表現為拉伸破壞形式,在幫部產生剪切破壞形式。在巷道的支護設計中應基于圍巖的動力學受力特征進行設計。

4 厚煤層巷道多級讓壓支護與工程應用

4.1 多級讓壓支護設計

根據上述數值模擬結果可明確得出沖擊應力作用下的圍巖力學響應特征,因此,可針對性地采取支護措施。在傳統的厚煤層巷道支護中,常常由于錨桿的預緊力低,錨固深度淺,錨固界面統一失穩,循環沖擊作用下錨索疲勞損傷等原因,導致巷道圍巖淺層表面完整性差,深層圍巖離層量大等問題。根據巖層中應力的“水波”傳遞特征,提出了多級讓壓支護技術。即在巷道頂板中采取短錨索+中錨索+長錨索的多級支護體系,由淺入深地增加巷道圍巖的支護性能,錨索的可拉伸性有助于將沖擊荷載轉換為錨索的軸力,通過讓壓管對軸力進行緩沖卸壓,降低錨索的徑縮,也降低了錨索的損傷程度,通過梯次讓壓的形式增加錨索支護系統抵抗循環應力沖擊波的能力,支護設計原理如圖4所示。

圖4 厚煤層巷道多級讓壓支護設計(單位:mm)

針對夏店煤礦3118運輸巷的地質條件,采用上述的多級讓壓支護技術。設計參數為:巷道幫部與頂板的短錨索尺寸為Φ21.8 mm×3 500 mm,巷道頂板的中錨索尺寸為Φ21.8 mm×6 300 mm,巷道頂板采用的長錨索為Φ21.8 mm×8 300 mm,中錨索與長錨索裝配讓壓管。

短錨索在頂板支護與幫部支護中的間排距分別為900 mm×900 mm、850 mm×900 mm.中錨索在頂板支護中的間排距為1 350 mm×1 800 mm.長錨索在頂板支護中的間排距為1 500 mm×1 800 mm.錨索的預緊力為200～300 kN.

4.2 工程應用

為檢驗支護方案設計的可靠性,對圍巖的變形量以及錨桿錨索的軸力情況進行分析,根據圖5(a)所示,優化之后的巷道頂板圍巖變形量降低了52.89%,巷道頂板圍巖變形量降低了68.78%,巷道頂板圍巖變形量降低了60.19%,平均圍巖變形量降低了約40%.根據圖5(b)所示,采用多級讓壓支護方案的錨索軸力最大值不超過25 kN,同時不同支護位置與支護深度的錨索具有近似的軸力分布區間,表明支護體系處于均勻受力狀態,相比于原有支護體系具有更可靠的長期穩定性。

圖5 厚煤層巷道多級讓壓支護條件下的礦壓特征

5 結 語

1) 采用板殼力學理論建立了厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學模型,通過分析表明,巷道上方煤層梁結構發生應力沖擊破壞時的應力值與圍巖所受的靜應力,沖擊應力與梁結構的長度呈正比關系,而與梁結構強度、梁結構厚度、應力波傳播距離呈反比關系。

2) 運用數值模擬方法探究夏店煤礦3118泄水巷在應力沖擊下的圍巖動力學響應特征。分析表明,應力波的時空演化特征類似于“水波”傳遞,巷道圍巖的質點震動速度存在頂板>幫部>底板的物理特征。巷道圍巖會由淺入深發生分層次破壞,導致圍巖的多級破裂,同時在頂板表現為拉伸破壞,在幫部產生剪切破壞。

3) 根據理論分析與數值模擬結果,提出了多級讓壓支護體系,通過梯次讓壓的形式增加錨索支護系統抵抗循環應力沖擊波的能力。監測結果表明,平均圍巖變形量降低了約40%,支護體系處于均勻受力狀態,相比于原有支護體系具有更可靠的長期穩定性。