不同夾矸位置的沿空巷道圍巖變形規律及支護

鄧海富,張洪鋒

(1.山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業有限公司,山西 河曲 036500;2.大同煤礦集團 安全管理監察局,山西 大同 037000)

巷道圍巖中含有夾矸將顯著改變圍巖均質性,進而引發圍巖變形的非均勻性,使得巷道變形不協調,部分區域成為結構弱面和薄弱部位,大大增加了圍巖控制的難度[1]。由于賦存特征和巷道布置方式的不同,存在矸石在巷道圍巖中頂部、上部、中部和下部等不同位置,這種差異直接決定了圍巖中軟弱結構面的位置和分布,加劇了巷道應力環境的復雜性,進而造成整個巷道的失穩破壞。

國內外專家對巖性均質巷道變形規律以及控制進行了廣泛研究,而分析夾矸位置等因素對含夾矸煤層巷道的變形破壞規律及穩定控制技術的系統研究較少[2]。為此,本文以含夾矸厚煤層巷道為對象,研究不同夾矸位置條件下其圍巖變形破壞機理和控制理論,為類似條件巷道的變形規律與圍巖控制提供借鑒。

1 生產地質條件

某礦一、七、十采區煤層底板3.0 m處有一厚度0～1.55 m的炭質泥巖夾矸層,普氏系數(f)在2.5左右,分布范圍較大,影響可采儲量4 160萬t。夾矸厚度從邊界往采區方向,從1.55 m變薄至0。

目前在10302工作面實施留小煤柱沿空掘巷,巷道沿煤層底板掘進,巷道斷面為梯形,上寬4.8 m,下寬5.4 m,高3.5 m,回采過程中該沿空側軌道順槽圍巖中有夾矸巖層,使用中出現大變形,嚴重影響順槽支架的正常使用,需對巷道進行擴幫處理,影響了工作面正常的安全高效生產。

2 夾矸位置對巷道圍巖變形的影響規律

2.1 模型建立

為研究夾矸位置對巷道穩定性的影響,采用FlAC3D數值計算軟件進行模擬分析[3]。模型左邊界的水平方向運動固定,下邊界垂直方向運動固定,上部及右部邊界為自由邊界,模型頂部施加垂直載荷。巷道右側為采空區,最終模型尺寸為220 m×59 m(水平方向×垂直方向)。巷道周圍10 m范圍內圍巖劃分為0.2 m×0.3 m的塊體。設置采深為500 m,煤柱寬4 m,巷道斷面為梯形,巷道上寬4.8 m、下寬5.4 m,高3.9 m,夾矸厚度0.9 m,夾矸硬度系數2.5,煤體硬度系數為2.3。

模擬巷道為10303工作面軌道順槽下段,煤層厚度為7.70 m～9.30 m,平均8.65 m,煤層普氏硬度f=2.3,為軟-中等硬度煤層;傾角2°～15°,平均8°,為近水平-緩傾斜煤層。煤層結構復雜,在距頂板2.8 m發育一層厚0.03 m左右的炭質粉砂巖夾矸,距底板3.0 m～3.2 m發育一層厚0～1.55 m的炭質泥巖夾矸。

2.2 模擬結果分析

模擬不同夾矸位置(巷道頂部、上部、中部、下部)條件下,巷道掘進期間和回采期間,圍巖的垂直應力、塑性區分布、位移矢量及位移變化規律結果。

圖1為工作面煤體中垂直應力分布,表1為煤柱中最大垂直應力。由圖1、表1可知,夾矸在巷道中部和下部時對圍巖應力分布影響較大,夾矸位置從巷道頂部變化到下部時煤體中應力峰值點向巷道移近,圍巖應力大小也隨之增加。煤柱中應力普遍小于原巖應力,掘進期間應力集中系數為0.34～0.38,回采期間應力集中系數為0.35～0.42,夾矸在巷道下部時煤柱中應力最大。

圖1 工作面煤體中垂直應力分布Fig.1 Vertical stress distribution of coal on the working face

時期煤柱垂直應力/MPa頂部上部中部下部 掘進期間3.773.923.873.96 回采期間3.853.714.214.44

圖2為巷道圍巖塑性區分布,表2為巷道煤體側塑性區寬度。由圖2、表2可知,夾矸在巷道下部時巷道圍巖受拉剪破壞的范圍和巷道實體煤側塑性區最小,在頂部時最大。夾矸在頂部和上部時,煤柱采空區側受拉應力破壞范圍最大,煤柱最不穩定。夾矸在頂部時,夾矸隨頂煤一起運動,由于夾矸與煤體物理力學參數不同,煤體中應力較大,加上二者接觸面為弱面,因此夾矸必然要向應力較小的采空區方向運動滑動,產生附加水平應力加劇煤柱失穩變形,煤柱難以保持穩定,所以掘巷時為減小夾矸對巷道穩定的不利影響,要沿夾矸頂板掘進。夾矸在其他位置時,其運動受頂板活動影響較小,而且此時巷道頂板全部為煤體,比夾矸與煤體構成的復合頂板穩定得多,只要支護措施合理,煤柱就可以保持穩定,從而減小巷道圍巖變形。

圖2 巷道圍巖塑性區分布Fig.2 Plastic zone distribution of surrounding rock

階段塑性區寬度/m 頂部上部中部下部 掘進期間1917.51512 回采期間20.51916.512.5

圖3為不同夾矸位置時巷道圍巖位移矢量分布圖,由圖可以看出,掘進與回采期間,實體煤幫位移矢量始終最大,巷道圍巖位移矢量都指向巷道內部,回采期間,煤柱靠近巷道這部分煤體向巷道內部方向運動,靠近采空區的則向采空區運動,夾矸在巷道頂部、上部、中部、下部時最大位移矢量分別為1 065 mm、1 111 mm、838 mm、745 mm。

圖3 巷道圍巖位移矢量分布圖Fig.3 Displacement vector distribution of surrounding rock in the roadway

圖4為不同夾矸位置時巷道圍巖位移情況,由圖可以看出夾矸位置從巷道頂部變化到下部時,巷道圍巖位移減小;其中夾矸位置在中部時,夾矸處圍巖運動較一致。

圖4 巷道圍巖位移量Fig.4 Displacement of surrounding rock in the roadway

綜合上述,夾矸在巷道下部時,圍巖穩定性最好。夾矸越靠近頂板,越容易受頂煤運動的影響,從而加劇煤柱的變形,減弱了巷道圍巖穩定性。

3 巷道支護方式及現場實測

梯形巷道采用錨網索聯合支護,巷道頂部采用7根樹脂錨桿、金屬網、錨索配合梯形鋼帶聯合支護,錨桿排距0.8 m,間距0.75 m,錨索長7.5 m,間排距1.6 m;含矸石側幫部采用6根樹脂錨桿、金屬網、錨索聯合支護,錨桿排距0.8 m,第1根錨桿距頂板0.2 m,往下5根錨桿間距為0.7 m;與幫部輪廓線成20°±5°布置一條錨索,從頂板往下2.0 m±0.01 m位置與幫部輪廓線垂直布置一條錨索,煤柱側錨索長5.0 m,排距都為1.6 m。

在距10303軌順與10302聯絡巷貫通點120 m處布設測站,記為1號,這一范圍內夾矸厚度穩定在0.1 m～0.2 m,測站滯后掘進面10 m開始間隔70 m設測站,依次編號,采用“十”字布點法觀測巷道圍巖變形[4]。

圖5為實測含夾矸巷道圍巖變形特性。

圖5 實測含夾矸巷道圍巖變形特征Fig.5 Measured deformation of surrounding rock with gangue in the roadway

由圖5可知,在距迎頭0～70 m范圍內圍巖變形比較明顯,巷道掘進的7 d內屬于圍巖運動活動期(按照10 m/d的掘進速度),而在80 m范圍以外

頂板下沉和兩幫移進均趨于緩慢。距頂板7.5 m處巖層最大離層量為125 mm,平均37 mm;距頂板2.5 m處離層量最大為105 mm,平均為18 mm。

該巷道的頂板下沉量、底鼓量和兩幫移近量都不大,屬于圍巖變形穩定的巷道,說明巷道設計斷面和采取的支護方式以及支護參數均符合現場要求,較好地控制了圍巖變形。

4 結束語

1)夾矸主要是通過影響巷道圍巖的強度和整體性來影響其穩定性。夾矸越靠近頂板,越容易受頂煤運動的影響,從而加劇煤柱的變形,減弱了巷道圍巖穩定性。

2)針對夾矸分布特征確定沿空留巷梯形巷道頂板和巷幫采用錨網索聯合支護。

3)現場實測說明巷道設計斷面和采取的支護方式以及支護參數均符合現場要求,較好地控制了圍巖變形。