厚煤層條件下巷道應力沖擊顯現特征研究

郝 佩

(山西焦煤 西山煤電集團斜溝礦,山西 呂梁 033602)

隨著煤礦開采機械化與智能化水平的發展,礦井產能日益增大,為滿足高強度開采需求,協調采掘平衡,回采巷道普遍布置于煤層中,煤層巷道存在頂層厚度大,圍巖強度低,巷道變形嚴重等特征[1]. 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。多位學者對特厚煤層條件下巷道應力沖擊顯現特征進行了研究。潘一山等[2]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[3]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[4-5]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[6]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[7]根據實際工程問題,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。斜溝礦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,并提出了特厚煤層巷道讓壓支護技術,以提高巷道圍巖穩定性。

1 工程概況

斜溝礦23110工作面位于13#煤層21采區,工作面傾斜長度平均242.45 m,可采走向長度2 811.6 m,工作面煤層厚度平均14.53 m,屬于特厚煤層,煤層傾角平均7.9°,采用綜放開采方式。兩巷沿煤層底板掘進,頂煤厚度為8～10 m,屬于特厚煤層回采巷道,23110泄水巷寬4.8 m、高3.7 m,采用錨網索聯合支護方式,具體支護形式見圖1. 巷道頂板為煤、碳質泥巖與泥巖等巖性較弱的巖體,容易受到強烈的開采擾動影響,尤其是在頂煤放出的來壓過程中,易產生劇烈的頂板下沉與變形,并具有顯著的應力沖擊特征,造成大冒頂現象與煤壁崩裂片幫現象。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,煤壁片幫時會伴隨有煤塊與碎屑的噴射現象,對工作面安全生產造成了隱患。

圖1 巷道原有支護系統

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建模,見圖2[8]. 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,見式(1):

(1)

圖2 厚煤層條件下巷道沖擊破壞力學模型

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,可將式(1)轉換為式(2):

(2)

將模型邊界設置為簡支邊界條件,見式(3):

(3)

則滿足該邊界條件的撓度方程見式(4):

(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見式(7):

(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,即式(8):

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σcr<σs,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的強度與圍巖所受的靜應力,沖擊應力與梁結構的長度呈正比,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23110泄水巷的地質條件,采用FLAC3D建立數值模型(圖3),模型長100 m,寬105 m,厚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。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。根據斜溝煤礦13#煤層與頂底板鉆孔取芯測試的巖石力學數據,確定數值模擬巖性參數見表1.

表1 數值模擬巖性參數

圖3 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,得到應力沖擊時空演化特征,見圖4. 根據圖4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。在傳播時間為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,此時,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。

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。在傳統的特厚煤層巷道支護中,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,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,選用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,降低錨索的頸縮,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。支護設計見圖5.

圖5 厚煤層巷道多級讓壓支護設計

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,結果見圖6,由圖6(a)可知,優化后巷道頂板、底板、幫部變形量分別降低了52.89%、68.78%、60.19%. 由圖6(b)可知,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6 厚煤層巷道多級讓壓支護條件下礦壓特征

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的強度與圍巖所受的靜應力,沖擊應力與梁結構的長度呈正比,而與梁結構強度、梁結構厚度、應力波傳播距離呈反比。

2) 運用數值模擬方法探究斜溝礦23110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。監測結果表明圍巖變形量降低,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。