王芝廣,石晉松,韓俊效,楊 淼

(1.山西亞美大寧能源有限公司, 山西 晉城 048114;2.中國礦業(yè)大學(xué), 江蘇 徐州 221000)

我國煤礦主要以地下開采為主,煤礦大巷在采礦工程中為礦井的運輸、通風(fēng)、行人、管道鋪設(shè)等創(chuàng)造了先決條件。相較于傳統(tǒng)的井巷工程,在采空區(qū)下伏巖層布置巷道其穩(wěn)定性既取決于巷道圍巖的強度及完整性,同時還受到地質(zhì)因素及前期上覆煤層開采遺留煤柱的影響,導(dǎo)致大巷圍巖經(jīng)歷的應(yīng)力路徑及損傷過程更為復(fù)雜[1]. 因此,深入研究采空區(qū)下巷道的合理布置層位以及巷道支護(hù)方法對于保障巷道通暢和圍巖穩(wěn)定具有重要的工程意義。

目前針對采空區(qū)下回采巷道圍巖支護(hù)研究較多[2-8],但針對煤礦大巷穿越采空區(qū)及遺留煤柱下方層位選擇及巖層控制的研究還較少?；诖?利用理論計算與數(shù)值模擬研究了大寧煤礦上覆煤層采空區(qū)下不同層位皮帶大巷的變形破壞特征,并基于皮帶運輸大巷最終層位選擇結(jié)果,對比不同支護(hù)方案條件下皮帶運輸大巷圍巖變形及應(yīng)力分布規(guī)律,得到采空區(qū)下皮帶運輸大巷錨網(wǎng)索噴支護(hù)的主要技術(shù)參數(shù),為保障皮帶運輸大巷圍巖長期穩(wěn)定提供理論依據(jù)。

1 工程概況

大寧煤礦主要開采煤層為3#煤層,煤層平均厚度4.5 m,埋藏深度200～300 m,底板主要由泥巖和砂巖組成。井下皮帶巷目前存在兩個直角轉(zhuǎn)彎,運輸環(huán)節(jié)多,效率折損、能耗高。為簡化礦井運輸系統(tǒng),需對原運輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,皮帶巷需穿越上部101—103工作面采空區(qū)底板巖層,并在采空區(qū)底部巖層中貫通,形成簡單的“L型”運輸系統(tǒng),達(dá)到簡化采掘工作面系統(tǒng)布置及運輸環(huán)節(jié)、降本提效、安全可靠的目的。

2 上覆煤層開采底板損傷深度理論分析

根據(jù)滑移線場理論[9],建立西大5皮帶運輸延伸巷道上覆煤層采空區(qū)下煤巖體破壞力學(xué)模型,將上覆煤層采后底板破壞區(qū)域根據(jù)受到支承應(yīng)力影響的程度劃分為3個部分:主動應(yīng)力區(qū)、過渡區(qū)、被動應(yīng)力區(qū)。由理論計算公式推導(dǎo)可得底板巖層破壞深度的最大值hmax:

(1)

根據(jù)極限平衡理論計算得出煤壁的塑性區(qū)寬度為:

(2)

(3)

式中:M為采厚,m;K為應(yīng)力集中系數(shù);γ為上覆巖層平均容重,N/m3;H為埋深,m;Cm為煤體黏聚力,MPa;φm為煤體內(nèi)摩擦角,(°);f為摩擦系數(shù);ξ為三軸應(yīng)力系數(shù);Pi為支架對煤幫的支承力,kN;φ為底板的內(nèi)摩擦角,(°).

將大寧煤礦現(xiàn)場實際地質(zhì)參數(shù)代入式(1)(2)(3),可得上覆3#煤層回采過后底板巖層最大破壞深度為22.17 m. 表明從底板損傷深度角度出發(fā),皮帶運輸大巷應(yīng)該布置在底板約22 m以深。

3 采空區(qū)下皮帶運輸大巷層位選擇數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型的建立

在采空區(qū)下伏巖層布置皮帶運輸大巷過程中,受前期上部101—103工作面掘進(jìn)開采及采空區(qū)遺留煤柱的影響,采場支撐壓力將對底板巖層造成一定程度的損傷。采空區(qū)與下伏皮帶大巷的垂直距離、皮帶大巷布置的層位及圍巖巖性的不同,導(dǎo)致皮帶大巷圍巖的完整性及長期穩(wěn)定性效果不同。針對此,采用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件結(jié)合前述理論計算結(jié)果對大寧煤礦101—103工作面開采后采空區(qū)下不同層位的皮帶大巷變形破壞特征進(jìn)行模擬研究。

數(shù)值模擬選取西大5皮帶運輸巷道以及101工作面、102工作面的部分范圍進(jìn)行數(shù)值建模。模型尺寸:長(x)480 m×寬(y)50 m×高(z)80 m,單元總數(shù)為217 250個,模型中皮帶運輸大巷斷面根據(jù)現(xiàn)場實際設(shè)計,尺寸為5.7 m×3.6 m. 數(shù)值計算所用巖體力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

在3#煤層開采后底板最大破壞深度為22.17 m的基礎(chǔ)上,結(jié)合皮帶大巷頂?shù)装鍘r性分布特征,設(shè)計以下3種巷道布置層位模擬方案,見表2. 通過FLAC3D數(shù)值模擬得到101和102工作面開采后在其下伏巖層開挖巷道后的圍巖變形、應(yīng)力分布、塑性區(qū)發(fā)育情況,并選取巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量進(jìn)行方案對比,確定出皮帶運輸大巷在采空區(qū)底板布置的具體層位。

表2 巷道布置層位模擬方案表

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1) 圍巖位移。

通過對底板皮帶運輸大巷3個不同布置層位的方案開展數(shù)值模擬,得到了各方案對應(yīng)的巷道圍巖表面位移情況。巷道垂直、水平位移云圖見圖1,圖2. 方案1中頂?shù)装逑鄬σ平繛?6.8 mm,兩幫相對移近量為137.1 mm,方案2中頂?shù)装逑鄬σ平繛?6.1 mm,兩幫相對移近量為83.2 mm,方案3中頂?shù)装逑鄬σ平繛?1.4 mm,兩幫相對移近量為103.1 mm. 巷道圍巖表面位移量大小關(guān)系為:方案2<方案3<方案1. 同時,考慮到底板皮帶巷的圍巖巖性、距離上部采空區(qū)垂直距離以及圍巖變形量等,認(rèn)為方案2最佳。

圖1 巷道頂?shù)装宕怪蔽灰圃茍D

圖2 巷道兩幫水平位移云圖

2) 應(yīng)力分布。

巷道頂?shù)装?、兩幫?yīng)力分布云圖分別見圖3,4. 由圖3,4可以看出,101、102工作面煤層開采后,在采空區(qū)下伏巖層中,不同層位掘進(jìn)皮帶運輸大巷所呈現(xiàn)的應(yīng)力分布情況不同。根據(jù)模擬結(jié)果,方案二中圍巖應(yīng)力圈范圍有所縮小,表明方案2條件下,圍巖應(yīng)力環(huán)境要優(yōu)于方案1和方案3.

圖3 巷道頂?shù)装鍛?yīng)力分布云圖

圖4 巷道兩幫應(yīng)力分布云圖

通過對比分析3種不同布置層位條件下皮帶大巷的圍巖變形、應(yīng)力分布情況,認(rèn)為方案二效果最佳,即將巷道布置在3#煤層底板20.1～23.7 m深度的細(xì)粒砂巖中時,巷道圍巖變形量最小,巷道圍巖穩(wěn)定性最好。理論計算分析所得煤層底板最大破壞深度為22.17 m,數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果較為接近,可初步判定皮帶大巷應(yīng)布置在22 m以深。同時,考慮到已有鉆孔信息、地質(zhì)信息差異并從有利于皮帶運輸大巷后期維護(hù)、減少巷道返修費等綜合考量,最終確定大寧煤礦底板皮帶運輸大巷布置的合理層位為3#煤層底板23～28 m深度的巖層中。

4 采空區(qū)下皮帶運輸大巷支護(hù)方案模擬研究

4.1 支護(hù)模擬方案設(shè)計

根據(jù)加固拱(組合拱)理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計理論計算可得,錨桿的設(shè)計長度不應(yīng)小于2.484 m,間距不超過1.242 m;而錨索繼續(xù)使用大寧煤礦常用的d21.8 mm錨索時,長度應(yīng)超過7 147.4 mm,間排距要小于3 773.5 mm.

基于皮帶運輸大巷支護(hù)設(shè)計理論計算結(jié)果,并結(jié)合3#煤層掘進(jìn)巷道常用支護(hù)方案,提出3種采空區(qū)下皮帶運輸大巷支護(hù)方案,采用三維有限元軟件FLAC3D對各支護(hù)方案的控制效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過對比分析不同支護(hù)參數(shù)條件下預(yù)應(yīng)力分布特征,最終得出該礦皮帶大巷最優(yōu)支護(hù)方案。

1) 頂板錨桿直徑數(shù)值模擬方案:錨桿長度3 000 mm,間排距1 200 mm×1000 mm,直徑分別為18 mm、20 mm、22 mm.

2) 頂板錨桿長度數(shù)值模擬方案:錨桿直徑20 mm,間排距1 200 mm×1000 mm,長度分別為2 600 mm、3 000 mm、3 200 mm.

3) 頂板錨桿間排距數(shù)值模擬方案:錨桿直徑20 mm,長度3 000 mm,間排距分別為1 200 mm×800 mm、1 200 mm×900 mm、1 200 mm×1 000 mm.

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

1) 頂板錨桿直徑研究。

不同錨桿直徑方案下圍巖預(yù)應(yīng)力分布見圖5.

圖5 不同錨桿直徑對比方案條件下預(yù)應(yīng)力分布特征圖

對比圖5發(fā)現(xiàn),通過加粗錨桿直徑,巷道頂板圍巖在錨桿作用下應(yīng)力疊加效果明顯增加,巷道表面最大應(yīng)力值顯著提高。由圖5(d)可知,隨著錨桿直徑增大,圍巖內(nèi)部預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果隨之提升,錨桿預(yù)應(yīng)力在整個頂板位置有效疊加,圍巖錨固力充足,對頂板支撐效果良好。當(dāng)錨桿直徑達(dá)到22 mm時,圍巖內(nèi)部預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍以及最大垂直應(yīng)力達(dá)到了所設(shè)計方案中的最大值,整體受力情況良好,在巷道水平剖面上,通過錨桿傳遞的預(yù)應(yīng)力相互之間連接程度加大,有效應(yīng)力疊加區(qū)完全覆蓋整個頂板區(qū)域,此時錨桿對頂板起到了充分的錨固效果。由于皮帶延伸大巷處于采空區(qū)下,巷道受到采空區(qū)、區(qū)段煤柱集中應(yīng)力影響,頂板內(nèi)部應(yīng)力升高,頂板的承載能力有所下降,延伸巷可能會出現(xiàn)頂板下沉現(xiàn)象,通過增粗錨桿直徑,提高錨桿及其錨固范圍內(nèi)圍巖的抗變形能力,可以更好地控制頂板變形,保障大巷服務(wù)期間安全穩(wěn)定。因此,皮帶延伸巷道支護(hù)所采用的錨桿直徑應(yīng)不小于20 mm.

2) 頂板錨桿長度研究。

不同錨桿長度對比方案條件下預(yù)應(yīng)力分布特征見圖6. 當(dāng)錨桿長度為2 600 mm時,頂板內(nèi)部通過錨桿預(yù)緊作用發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)散,在2.5 m深度內(nèi)能夠形成有效承載層,但是當(dāng)皮帶延伸巷穿越上煤層采動所造成的巖層破碎帶時,頂板容易發(fā)生整體下沉,支護(hù)效果不佳甚至失效。當(dāng)錨桿長度為3 000 mm時,預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,根據(jù)圍巖內(nèi)部垂直應(yīng)力可知,頂板內(nèi)部預(yù)應(yīng)力能夠較好地貫穿細(xì)粒砂巖這一巖層,并且已經(jīng)覆蓋了整個頂板寬度,在3 m深度內(nèi)能夠形成有效承載層。當(dāng)錨桿長度為3 200 mm 時,錨桿錨固端錨固更加深入,但是從圖6(c)來看,隨著錨桿長度的增加中部應(yīng)力疊加區(qū)寬度明顯變窄,應(yīng)力傳遞效果變差,有效承載層的強度降低,支護(hù)效果減弱。綜上所述,當(dāng)錨桿長度為3 000 mm時,對皮帶延伸巷頂板有較好的支護(hù)效果。

圖6 不同錨桿長度對比方案條件下預(yù)應(yīng)力分布特征圖

3) 頂板錨桿間排距研究。

不同間排距對比方案條件下預(yù)應(yīng)力分布特征見圖7. 當(dāng)錨桿間排距為1 200 mm×800 mm時,從圖7(c)可以看出,錨桿之間預(yù)應(yīng)力疊加程度較好,在頂板深度0.81～3 m通過預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散形成了有效承載層;當(dāng)間排距為1 200 mm×900 mm時,淺部與深部之間有效預(yù)應(yīng)力相互貫通,在整個支護(hù)深度范圍內(nèi)形成有效承載層,同時在淺部高預(yù)應(yīng)力形成疊加區(qū),進(jìn)一步加強對頂板的支撐,提高頂板自身的承載能力;當(dāng)間排距為1 200 mm×1 000 mm時,此支護(hù)方案為大寧煤礦常用支護(hù)方案,錨桿在頂板內(nèi)部通過預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散基本形成了有效承載層,但是有效承載層沒有貫穿整個錨桿布置的頂板,并且錨桿的預(yù)應(yīng)力圈各自相對獨立,在巷道縱向上錨桿之間基本沒有形成有效應(yīng)力疊加區(qū),由于間排距增大,預(yù)應(yīng)力疊加效果不佳,無法有效支撐巷道頂板。綜上所述,并考慮巷道掘進(jìn)速度和支護(hù)費用,最終確定采空區(qū)下皮帶運輸大巷的錨桿支護(hù)間排距為1 200 mm×900 mm.

4.3 支護(hù)方案優(yōu)選

基于皮帶運輸大巷支護(hù)設(shè)計的理論計算,以及數(shù)值模擬優(yōu)選研究,綜合考慮大寧煤礦類似斷面條件巷道的支護(hù)效果,最終確定斷面尺寸為5 700 mm×3 600 mm的皮帶運輸大巷頂板及兩幫錨桿錨索支護(hù)方案為:

頂板每排布置5根φ20 mm×3000 mm的高強左旋螺紋鋼非漲殼錨桿,間排距為1 200 mm×900 mm,同排5根錨桿之間連接φ16 mm×5 400 mm的金屬鋼筋梁進(jìn)行組合支護(hù),頂板同時采用每排2根型號為SKP22-1/1720的φ21.8 mm×7 500 mm的錨索進(jìn)行加固,間排距為2 000 mm×2 000 mm.

幫部采用規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm的縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿配合鋼筋網(wǎng)進(jìn)行支護(hù),兩幫每排布置4根錨桿,頂部錨桿距頂板150 mm處,間排距1 100 mm×900 mm.

為了保證巷道支護(hù)強度,防止上覆采空區(qū)積水、有毒有害氣體隨底板損傷裂隙通道擴(kuò)散至掘進(jìn)工作面,對采空區(qū)下皮帶運輸大巷進(jìn)行全斷面噴漿,封閉圍巖。

5 結(jié) 語

1) 通過建立采空區(qū)下皮帶運輸大巷上覆煤層煤巖體破壞力學(xué)模型,理論推導(dǎo)了3#煤層開采后底板最大破壞深度為22.17 m,表明從底板損傷深度角度出發(fā),皮帶運輸大巷應(yīng)該布置在底板約22 m以深。

2) 針對理論分析所得的巷道布置深度,結(jié)合地層柱狀開展了采空區(qū)下皮帶運輸大巷層位選擇FLAC3D數(shù)值模擬研究。根據(jù)模擬結(jié)果,并從有利于皮帶運輸大巷后期維護(hù)、減少巷道返修等方面綜合考慮,最終確定大寧煤礦底板皮帶運輸大巷布置的合理層位為3#煤層底板23～28 m深度的巖層中。

3) 基于皮帶運輸大巷層位選擇結(jié)果,開展了采空區(qū)下皮帶運輸大巷支護(hù)技術(shù)參數(shù)三維數(shù)值模擬研究,對比分析了不同錨桿直徑、長度、間排距條件下的圍巖控制效果。綜合采空區(qū)下皮帶運輸大巷圍巖變形以及巷道掘進(jìn)速度和支護(hù)成本等因素,優(yōu)選得到了采空區(qū)下皮帶運輸大巷錨網(wǎng)索噴支護(hù)的主要技術(shù)參數(shù)。