采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞特征和控制技術(shù)研究

徐 軍 郝勝鵬 楊建雄 白 宇

國內(nèi)學(xué)者已對(duì)沿空留巷進(jìn)行了很多研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得多項(xiàng)成果，使得沿空留巷技術(shù)不斷完善，并在現(xiàn)場(chǎng)順利推廣。但針對(duì)特殊地質(zhì)條件下的沿空留巷圍巖移動(dòng)規(guī)律和支護(hù)設(shè)計(jì)的研究依然較少，采空區(qū)煤柱下沿空留巷巷道圍巖運(yùn)動(dòng)、破壞復(fù)雜，頂板巖層經(jīng)歷多次加卸載過程，巖石力學(xué)性能弱化，巖層承載能力降低，為巷道的支護(hù)帶來困難。本文依據(jù)中興煤礦1204下工作面沿空留巷工程實(shí)踐，采用理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)比采空區(qū)煤柱下沿空留巷與上煤層未采動(dòng)時(shí)沿空留巷的不同之處，揭示采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖運(yùn)動(dòng)、破壞規(guī)律，為沿空留巷的巷內(nèi)支護(hù)和巷旁支護(hù)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1204下工作面井下標(biāo)高為＋740～＋800m，地面標(biāo)高為＋1201～＋1354m，1204下工作面位于一采區(qū)左翼，北面為1206工作面 (未采)，南面為1202下工作面 (已采)。1204下工作面可采長度為900m，工作面長度為200m。

1204下工作面開采煤層，與2＃煤層間距為3m左右，煤厚1.75～2.25m，平均2m，屬中厚煤層，是井田較薄地段，含夾矸1～2層，工作面大部分穩(wěn)定可采。本工作面煤層傾角為2°～20°，平均11°。工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞特征數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

采用離散單元法數(shù)值模擬工具UDEC模擬了采空區(qū)、煤柱對(duì)沿空留巷的影響，建立的模型尺寸長500m、高95.7m。模型兩側(cè)水平位移約束，底邊垂直位移約束。上邊界自由，施加上覆巖層厚度450m的等效均布載荷，覆巖平均密度取2.500g／cm3。塊體選擇摩爾-庫侖塑性本構(gòu)模型，節(jié)理采用庫侖滑移邊-邊接觸方式。其中局部放大圖如圖1所示。上煤層煤柱與1204下材料巷水平距離8m，豎向距離約3m。為了得到巷道實(shí)煤體側(cè)、巷旁充填體、煤柱下采空區(qū)垂直應(yīng)力，以及和上煤層未采動(dòng)時(shí)對(duì)比，在模型中設(shè)置如圖所示的測(cè)線；為了掌握頂板經(jīng)歷的反復(fù)加卸載過程，分別在實(shí)煤體、巷道、充填體上方的頂板巖層中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀察其垂直應(yīng)力變化過程。

圖1 模型局部放大圖

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

下工作面回采后，測(cè)線所測(cè)得的垂直應(yīng)力如圖2所示。

圖2 測(cè)線垂直應(yīng)力圖

由圖2可知，當(dāng)在采空區(qū)煤柱下留巷時(shí)，巷旁充填體上的載荷相比上煤層未采動(dòng)時(shí)有所降低，但實(shí)煤體側(cè)內(nèi)部的應(yīng)力峰值增大，而且受上方采空區(qū)的影響，實(shí)煤體側(cè)的垂直應(yīng)力波動(dòng)較大，與上方采空區(qū)未完全壓實(shí)、更位巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)。受上方煤柱的影響，在下煤層采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其強(qiáng)度達(dá)到40MPa。因此，當(dāng)在采空區(qū)煤柱下沿空留巷時(shí)，上覆巖層自重、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力向巷道實(shí)煤體側(cè)和煤柱下轉(zhuǎn)移，使得巷旁充填體承受的載荷降低。

圖3 巖層加卸載過程

從上工作面的開挖到下煤層的二次回采，沿空留巷頂板經(jīng)歷了反復(fù)加卸載過程。圖3顯示了從上工作面回采到下工作面一次回采的過程 (未考慮二次回采)。由圖3可知，采空區(qū)煤柱下沿空留巷巖層加卸載過程要比普通沿空留巷復(fù)雜得多。實(shí)煤體側(cè)上方頂板和巷旁充填體上的頂板受反復(fù)加卸載尤為明顯，當(dāng)?shù)叵聨r層未受采動(dòng)影響時(shí)，其加載強(qiáng)度可達(dá)到13.8MPa，上工作面回采后，作為上工作面底板的巖層 (下工作面頂板)處于卸載狀態(tài)，在垂直方向受到的載荷為0，隨著上方巖層的垮落和壓實(shí)，底板巖層逐漸處于加載狀態(tài)，但其加載強(qiáng)度小、速度緩慢；巷道開挖后，圍巖受到擾動(dòng)，實(shí)煤體側(cè)和巷旁充填體上的頂板加載強(qiáng)度和速度增大，當(dāng)下工作面回采后，其加載繼續(xù)增大，當(dāng)巷道采空區(qū)側(cè)的頂板斷裂垮落，巷旁充填體應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，充填體上的頂板載荷強(qiáng)度減小，但由于應(yīng)力會(huì)向?qū)嵜后w側(cè)轉(zhuǎn)移，所以實(shí)煤體側(cè)的頂板應(yīng)力加載強(qiáng)度繼續(xù)增大到20MPa，直到上覆巖層穩(wěn)定。而巷道內(nèi)上方頂板由于巷道開挖后，其從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向應(yīng)力狀態(tài)，其加卸載強(qiáng)度小。

沿空留巷圍巖塑性區(qū)發(fā)育狀態(tài)見圖4，采空區(qū)煤柱下沿空留巷在實(shí)煤體側(cè)、巷內(nèi)靠近巷旁充填體側(cè)的頂?shù)装逅苄詤^(qū)明顯，而巷旁充填體發(fā)生塑性破壞的面積相對(duì)減少。

圖4 沿空留巷圍巖塑性區(qū)

綜上可知，采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖破壞具有以下特征:頂板經(jīng)歷反復(fù)加卸載，且強(qiáng)度大，使頂板破碎，承載能力降低；采空區(qū)側(cè)的頂板及時(shí)垮落，使應(yīng)力向煤柱和實(shí)煤體側(cè)轉(zhuǎn)移，而作用于充填體上的應(yīng)力降低，對(duì)充填體有利。

3 工程實(shí)踐

3.1 沿空留巷支護(hù)方案

巷旁充填體采用具有早期強(qiáng)度大、增阻速度快、適量可縮的高水材料，并根據(jù)數(shù)值模擬和理論計(jì)算確定其寬度為2.5m。

由于巷道要經(jīng)受兩次采動(dòng)的影響，留巷圍巖受采動(dòng)應(yīng)力的影響圍巖較破碎，礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，巷道圍巖頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷己艽蟆Ａ硗猓乜樟粝镌陉P(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)、下沉過程中容易使錨固體與上部直接頂、直接頂與基本頂之間產(chǎn)生較大離層，達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致頂板垮冒，為防止冒頂事故，采用預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，保持直接頂與基本頂?shù)耐竭\(yùn)動(dòng)。因此在沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)時(shí)采用錨索支護(hù)對(duì)頂板進(jìn)行加固，由于錨索支護(hù)錨固深度比錨桿支護(hù)更大，可以將錨桿控制范圍之外的下部不穩(wěn)定的巖層錨固到上部穩(wěn)定的巖層之中，可靠性大。在此過程中，要注意錨桿錨索預(yù)緊力的協(xié)調(diào)，使錨桿在淺部圍巖中形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)與錨索在較深部圍巖中形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)相互重疊，形成完整的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)。錨索和錨桿支護(hù)一樣為主動(dòng)支護(hù)方式，可以作為沿空留巷巷內(nèi)錨桿支護(hù)的輔助支護(hù)方式。

1204下材料巷地質(zhì)條件的特殊性，特別是巷道位于采空區(qū)下方，頂板僅有3m，屬于極近距離煤層下行開采，導(dǎo)致在上煤層回采時(shí)將3m的巖層破壞，成為塊體，極容易在下煤層回采時(shí)，在超前支撐壓力的作用下發(fā)生冒頂事故，需要用背板將頂板固定，并采用錨桿和短預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，使頂板在預(yù)應(yīng)力作用下形成固定板結(jié)構(gòu)，整體承受上方采空區(qū)矸石的重量，確保巷道穩(wěn)定性和滿足使用斷面要求。

沿空留巷工作面后方約150m范圍內(nèi)上覆巖層運(yùn)動(dòng)劇烈、頂板結(jié)構(gòu)變化，為了保護(hù)已構(gòu)筑好的巷旁充填體，在工作面后方150m范圍內(nèi)使用單體液壓支柱在巷道內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以保證開始階段巷旁充填體結(jié)構(gòu)的完整性，并減小采空區(qū)及頂板來壓對(duì)巷道圍巖的影響，控制巷道圍巖變形。加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)為單體液壓支柱配鉸接頂梁，打4排單體液壓支柱支護(hù)，排距100mm、柱距800mm。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1204下工作面材料巷沿空留巷效果良好，采空區(qū)側(cè)頂板及時(shí)垮落，巷旁充填體保持完整，未出現(xiàn)破壞失穩(wěn)、冒頂事故。巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平糠€(wěn)定在450mm、110mm左右，距工作面約120m左右變形量、變形速度都趨于穩(wěn)定，二次回采時(shí)經(jīng)過臥底可以滿足生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

采空區(qū)煤柱下沿空留巷圍巖應(yīng)力分布、運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律與普通沿空留巷有區(qū)別，頂板巖層經(jīng)歷反復(fù)加卸載過程，巖石力學(xué)性能弱化，頂板破碎，易冒頂，但采空區(qū)側(cè)的頂板及時(shí)垮落，巷旁充填體上的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解。現(xiàn)場(chǎng)采用錨桿＋短錨索＋U型鋼梯形棚聯(lián)合支護(hù)取得了良好效果。

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