孫秋榮 胡鑫印
(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇省徐州市,221116;2.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心,江蘇省蘇州市,215337)
我國(guó)華東地區(qū)煤炭資源埋深較深,隨開采深度的增加、原巖應(yīng)力不斷提高,為保證安全開采,保安煤柱留設(shè)尺寸越來越大,但巷道維護(hù)效果仍較差[1-2]。另一方面,薄煤層工作面回采巷道是半煤巖巷,施工速度慢、出矸多,工效低下,薄層煤開采成本較大,同時(shí)半煤巖巷道掘進(jìn)速度慢,會(huì)造成薄煤層工作面采掘接替緊張,而采用沿空留巷技術(shù),可解決接替緊張的難題。一直以來沿空留巷都應(yīng)用金屬支架作為巷內(nèi)支護(hù)的方法,經(jīng)過二次動(dòng)壓作用的沿空留巷圍巖變形量較大,金屬支架難以適應(yīng)沿空留巷圍巖的大變形,支架破壞嚴(yán)重,巷道維護(hù)效果較差。近年來,先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展及性能良好的錨桿(索)的推廣應(yīng)用,促進(jìn)了沿空留巷技術(shù)的發(fā)展[3-4]。在沿空留巷巷旁支護(hù)理論發(fā)展的同時(shí),巷旁充填材料也有了較快發(fā)展。德國(guó)的巷旁支護(hù)采用硬石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填材料,有效減少了重型支架的使用和巷道的變形,從而實(shí)現(xiàn)較大斷面巷道二次利用,且不需修理,取得了良好經(jīng)濟(jì)效益,目前德國(guó)有一半以上的采區(qū)采用這項(xiàng)技術(shù)[5]。2004年,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馬立強(qiáng)博士通過分析綜放沿空留巷頂板巖層垮落的分期規(guī)律和空間特征,運(yùn)用采動(dòng)巖體的關(guān)鍵層理論建立了綜放沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,研究得出了由于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊轉(zhuǎn)動(dòng)作用對(duì)充填體施加的給定變形量以及充填體所需承受的應(yīng)力,為綜放開采沿空留巷巷內(nèi)充填體的穩(wěn)定性分析提供了一定的理論基礎(chǔ)[6-8]。
薄煤層堅(jiān)硬頂板沿空留巷研究較少,使用高水速凝砂漿材料進(jìn)行沿空留巷時(shí),可以改善鄰近采空區(qū)的巷道維護(hù)效果[9-11]。采用該沿空留巷技術(shù)具備以下主要優(yōu)勢(shì)[12-13]:提高資源回收率、改善采掘接替、隅角瓦斯難以積聚、降低深部采煤面溫度。沿空留巷技術(shù)如圖 1所示,由于沿空巷道受兩次工作面采動(dòng)影響,巷道圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大,塑性區(qū)范圍增大,頂板破碎,對(duì)支護(hù)強(qiáng)度要求很高[14-17]。
李堂煤礦位于江蘇省豐縣,該礦92102工作面開采9-2煤層,煤層厚度平均為1.2 m,該工作面雙巷為半煤巖巷,巷道施工速度慢,施工成本高,采掘接替關(guān)系緊張。針對(duì)李堂煤礦的生產(chǎn)實(shí)際情況,為解決上述問題,有必要開展高水速凝材料沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用。
圖1 沿空留巷示意圖
為了詳細(xì)分析李堂煤礦沿空留巷巷旁充填支護(hù)墻體合適寬度,根據(jù)李堂煤礦92102軌道巷生產(chǎn)地質(zhì)條件,利用FLAC3D模擬分析充填體及圍巖的應(yīng)力分布特性及塑性變化等情況,研究確定巷旁充填體寬度。
根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況,模擬煤層厚度1.2 m,計(jì)算模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為150.55 m×72 m×39.52 m,上部邊界壓力按采深600 m計(jì)算,巷道尺寸(寬×高)為3.4 m×2.4 m(中線),數(shù)值計(jì)算模型巖石性能及力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 巖石性能及力學(xué)參數(shù)
模擬充填支護(hù)墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下,巷道受采動(dòng)影響時(shí)圍巖應(yīng)力云圖情況見圖2。
由圖2可知,在巷道范圍內(nèi),充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí),頂板應(yīng)力較大,頂板中部在圍巖壓力作用下產(chǎn)生了破壞應(yīng)力,巷道頂板產(chǎn)生了拉應(yīng)力,塑性區(qū)范圍較大;充填體寬度為1.0 m、1.3 m、1.5 m時(shí)頂板整體性較好。在充填支護(hù)墻體范圍內(nèi),充填支護(hù)墻體中間部位應(yīng)力高于兩側(cè),且充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí),最大應(yīng)力不大于原巖應(yīng)力,寬度在1.0~1.5 m時(shí),充填支護(hù)墻體完整性較好,應(yīng)力分布較均勻。
模擬充填支護(hù)墻體寬度在0.7 m、1.0 m、1.3 m、1.5 m情況下,巷道受采動(dòng)影響時(shí)巷內(nèi)塑性區(qū)分布見圖3。
圖2 充填支護(hù)墻體不同寬度巷道圍巖及充填支護(hù)墻體應(yīng)力云圖
圖3 充填支護(hù)墻體不同寬度巷道及充填支護(hù)墻體塑性區(qū)圖
由圖3可以看出,不同充填支護(hù)墻體寬度下,巷道受力破壞的方式相同,都是以剪切破壞為主。當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬度為0.7 m時(shí),巷道圍巖產(chǎn)生較大應(yīng)力形變,且表面出現(xiàn)較高的應(yīng)力,產(chǎn)生了拉應(yīng)力破壞,而充填支護(hù)墻體上方頂板破壞表面與巷道頂板不是垂直,有一定夾角,由于發(fā)生了剪切性的破壞,此時(shí)上覆巖層發(fā)生明顯的旋轉(zhuǎn)下沉;巷旁充填支護(hù)墻體寬度為1.0 m時(shí),此時(shí)巷道圍巖變形量明顯變小,充填支護(hù)墻體在切斷頂板后較為穩(wěn)定,巷內(nèi)頂板和實(shí)體煤幫受拉應(yīng)力破壞產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍變小,頂板下沉量也減小,整體塑性區(qū)范圍明顯減??;巷旁充填支護(hù)墻體寬度為1.3 m時(shí),與寬度為0.7 m時(shí)比較,巷道變形量及塑性區(qū)有明顯減小,但與巷旁支護(hù)體寬度1.0 m比較沒有明顯變化;當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬度為1.5 m時(shí),此時(shí)充填支護(hù)墻體及巷內(nèi)頂板的變形量及塑性范圍較小,且巷內(nèi)圍巖由張拉破壞變?yōu)榧羟衅茐?,說明此時(shí)巷內(nèi)支護(hù)較為穩(wěn)定,圍巖破壞以擠壓剪切為主。
通過采用數(shù)值模擬軟件對(duì)上述沿空留巷巷旁充填支護(hù)墻體不同寬度的研究分析,得出了充填支護(hù)墻體與巷道的應(yīng)力分布和塑性區(qū)范圍,并對(duì)不同的結(jié)果進(jìn)行了比較,支護(hù)體的寬度在0.7 m時(shí),墻體及巷道變形較大,巷道的維護(hù)狀況不良;充填支護(hù)墻體寬度在1.0 m時(shí),形變量不大,塑性范圍較小,為合理的寬度;支護(hù)體在1.3 m和1.5 m時(shí),形變量與寬度為1.0 m相比變化不大,但考慮到留巷成本較大在經(jīng)濟(jì)上不合理,故不予考慮。綜合該礦的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)情況,最終得出巷旁留巷合適的充填支護(hù)墻體寬度為1.0 m。
數(shù)值分析計(jì)算表明:巷旁充填支護(hù)墻體的寬度太小會(huì)嚴(yán)重影響留巷的維護(hù)效果。由巷旁充填支護(hù)墻體變形和留巷變形受控的情況分析,當(dāng)巷旁充填支護(hù)墻體寬為1.0 m時(shí)可以保障較好的巷道控制效果。
綜上所述,巷旁充填支護(hù)墻體的寬度為1.0 m時(shí),采煤側(cè)充填1.0 m,留巷后巷道寬度3.4 m、高度1.4 m,巷旁充填支護(hù)墻體與沿空留巷圍巖穩(wěn)定,能夠滿足沿空留巷使用要求。
沿空留巷需要經(jīng)歷兩次工作面采動(dòng)的影響,頂板活動(dòng)強(qiáng)烈,為控制沿空留巷頂板,提高留巷效果,需在現(xiàn)有錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù),具體增強(qiáng)支護(hù)方案如下:
采用?17.8 mm×6200 mm的預(yù)緊應(yīng)力錨索對(duì)巷道的頂板進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù),錨索每排兩根,間排距為1600 mm×1200 mm,每根錨索分別采用一支CK2340藥卷和兩支Z2360藥卷,每根錨索采用長(zhǎng)×寬×厚為300 mm×300 mm×16 mm鋼托盤和一鎖套,錨索安裝預(yù)緊應(yīng)力不小于195 kN,錨索錨固力不小于380 kN;實(shí)體煤幫及留巷幫下部采用?20 mm×2200 mm的螺紋鋼錨桿加強(qiáng)支護(hù),巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置如圖4所示。
圖4 92102軌道巷巷內(nèi)增強(qiáng)支護(hù)布置圖
由于沿空留巷頂板受多次采動(dòng)影響,頂板活動(dòng)比較劇烈,因此需要對(duì)該段進(jìn)行增強(qiáng)支護(hù),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道狀況,采用單體液壓支柱進(jìn)行增加支護(hù)。根據(jù)該工作面生產(chǎn)地質(zhì)狀況和行業(yè)規(guī)程要求,在工作面后100~120 m范圍內(nèi)鋪設(shè)傾向架棚,傾向架棚由單體液壓支柱和一字鉸接頂梁組成,每排3根,間排距均為1.0 m,在工作面前方25~30 m范圍內(nèi)安設(shè)傾向架棚,傾向棚子由單體液壓支柱和鉸接梁組成,每排4根,間排距為800 mm×1000 mm,同時(shí)在充填支護(hù)墻體采空區(qū)側(cè)安設(shè)擋矸支架作為臨時(shí)支護(hù)。單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)如圖5所示。
圖5 留巷段輔助加強(qiáng)支護(hù)
為了增加充填體的承載能力和抗橫向變形能力,在充填體內(nèi)布置對(duì)拉錨桿加固充填體,對(duì)拉錨桿間排距為900 mm×900 mm,最下面1根距底板250 mm,最上面1根距頂板250 mm,對(duì)拉錨桿采用?20 mm螺紋鋼材料制作,托盤規(guī)格(長(zhǎng)×寬×厚)為150 mm×150 mm×10 mm。采用?14 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁,鋼筋網(wǎng)要求使用?6.5 mm鋼筋加工,使用12#鐵絲雙股聯(lián)網(wǎng),鋼筋網(wǎng)搭接部分不小于100 mm。充填體加固方案如圖6所示。
圖6 充填支護(hù)墻體成型及加固方案
對(duì)巷道圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),每隔10 m記錄一次充填體側(cè)頂?shù)装逡平?、巷道中部頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平俊O锏绹鷰r位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。
由圖8可知,采用充填墻體支護(hù)后,巷道頂、底板相對(duì)位移量較煤幫相對(duì)位移量要大,而從整體數(shù)值來看,數(shù)值變化量不大,說明圍巖整體的絕對(duì)移近量不大。由此可以推斷,充填支護(hù)墻體對(duì)上覆巖層起到了較好的支撐作用,有效防止了圍巖松動(dòng)圈的進(jìn)一步擴(kuò)大。
根據(jù)巷道位移數(shù)據(jù)的分析,可以將圍巖的變形分為4個(gè)階段:圍巖的變形首階段為0~20 m范圍,此范圍內(nèi)充填支護(hù)墻體凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度處于成長(zhǎng)階段,受采動(dòng)影響變形劇烈;圍巖變形第2階段為20~55 m范圍,此范圍內(nèi)充填支護(hù)墻體發(fā)揮了承載作用,充填支護(hù)墻體利用自身強(qiáng)度切斷了基本頂,巷道四周的應(yīng)力改變后再分布,變形趨向穩(wěn)定;巷道變形的第3段為55~115 m的范圍,上位頂板被充填支護(hù)墻體切斷后,圍巖應(yīng)力重新分布,此時(shí)上位巖層在采空區(qū)冒落矸石、充填支護(hù)墻體和巷內(nèi)支護(hù)的共同作用下趨于穩(wěn)定;圍巖變形第4階段為120 m以后,此階段頂板活動(dòng)趨于穩(wěn)定,圍巖變形速度較小、變形量也較小,為留巷穩(wěn)定階段。
圖8 留巷后圍巖變形與工作面距離的關(guān)系
(1)通過礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,得到了該留巷圍巖的變形規(guī)律,即在該面后方26~51 m范圍內(nèi),頂板活動(dòng)強(qiáng)烈,圍巖壓力顯現(xiàn)明顯。在采煤面后方50~120 m范圍內(nèi),上覆頂巖及煤幫應(yīng)力重新分布,頂板活動(dòng)趨于穩(wěn)定。在工作面后方120 m后,屬于留巷穩(wěn)定階段。
(2)薄煤層開采過程中,使用沿空留巷技術(shù),可以大幅度改善采掘接替的關(guān)系,提高煤炭資源的回收率。