雙煤層同采下煤層回采巷道底板切槽卸壓數值模擬研究

楊鵬彬,張 瑾,段 凱,申創華

(山西錦興能源有限公司, 山西 呂梁 035300)

隨著我國煤礦產能的日益增長,其開采強度也隨之增強,巷道強礦壓顯現時有發生,增加了礦井生產成本,威脅著礦井安全生產[1-2]。強礦壓顯現是煤巖體中聚集的能量緩慢或突然大量釋放,破壞煤巖體,造成人員傷亡和井巷及設備破壞的礦井動力災害；當能量緩慢釋放時,強礦壓主要以巷道大變形的方式顯現[3-5]。而當礦井同時開采兩層煤時,下煤層回采必然受到上煤層開采的影響,當采掘接續緊張時,下煤層回采巷道圍巖先后經歷了掘進、上煤層工作面開采、本煤層上區段工作面開采、本工作面超前支承壓力的影響,導致圍巖持續變形,時常會發生強礦壓顯現問題[6-7]。

為解決上述問題,我國采礦工作者展開了大量的研究。張傳玖[8]以布爾臺煤礦42204工作面為工程背景,分析了上覆遺留煤柱條件影響下下煤層回采巷道的強礦壓問題,提出了水壓致裂弱化頂板的治理方法,現場試驗表明,壓裂后頂板周期來壓步距減小、來壓強度降低,有效減小了過煤柱期間的強礦壓顯現問題。孫向峰[9]針對某礦厚煤層工作面回采巷道底鼓的問題,提出了底板切槽卸壓的方案,切槽深度為3 000 mm、寬度為400 mm,現場實踐表明，該技術可有效減少巷道底鼓變形,使得巷道底鼓量平均降低了53.8%。張軍華、吳燕等[10]針對紅石巖煤礦回采巷道底鼓嚴重的問題,提出了在巷道底板切槽卸壓治理的方法,確定切槽參數為深1 200 mm、寬600 mm,并進行了現場試驗,取得了良好的應用效果。高曉旭、石新禹等[11]針對應力型底鼓形式,提出了“幫腳錨桿+底角錨桿+混凝土”的復合支護技術,實測結果表明,優化支護后巷道底板底鼓量最大不超過16 mm,底鼓最大變化量不超過2 mm/d。楊冉、郝兵元等[12]針對南關煤業巷道底鼓問題,提出了多因素底板切槽參數的確定方法,并制定了南關煤業底板切槽參數為深度4 000 mm,寬度300 mm,現場實踐表明,該方法使得巷道底鼓量降低了49.1%。

本文基于肖家洼煤礦8號煤層與13號煤層同采的技術條件,以其221302材料順槽強礦壓顯現、底鼓嚴重為工程背景,提出采用底板切槽卸壓技術減少巷道底鼓量,并采用數值模擬的方法預計了底板切槽卸壓降低底鼓的效果。

1 工程背景

1.1 煤層開采概況

肖家洼煤礦位于山西省呂梁市興縣,井田范圍屬于河東煤田,目前同時開采8號及13號煤層。其中，8號煤層屬于二疊系山西組地層,13號煤層屬于石炭系太原組地層,屬于該煤田內典型的“石炭-二疊”雙系煤層開采礦井,兩層煤層間距70 m左右。8號煤層采用綜采，13號煤層采用綜采放頂煤的方法開采。目前,13號煤層回采巷道圍巖變形嚴重,屬于巷道圍巖內聚集的能量緩慢釋放的表現,強礦壓顯現導致巷道支護多次補強、底板多次起底(如圖1所示)，增加了工人的勞動強度,提高了巷道維護成本,影響了礦井安全生產,亟需對13號煤層回采巷道強礦壓顯現問題進行治理。

圖1 巷道底板鼓起

在肖家洼煤礦井田范圍內,選取兩個采區中間部分1 000 m×1 000 m范圍為研究對象,其地表等高線如圖2所示；選取其周邊鉆孔,對其巖層分布情況進行分析,作為雙煤層同采工作面數值模型建立的依據,結果匯總見表1。

表1 巖層分布情況匯總

圖2 研究區域地表等高線

1.2 221302材料順槽概況

在工作面回采的基礎上,以13號煤層221302工作面材料順槽為例,分析巷道圍巖變形機理及強礦壓控制技術,其頂底板巖性見表2所示。

表2 221302材料順槽頂底板巖性

當前,221302工作面材料順槽寬5.4 m,高3.7 m,支護方式為錨桿索聯合支護。頂板每排采用7根Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距800 mm×800 mm；每排采用3根Φ21.6 mm×11 500 mm錨索,間排距1 600 mm×1 600 mm,三三布置。巷道采煤幫布置4根Φ27 mm×2 200 mm玻璃鋼錨桿,間排距900 mm×800 mm。巷道非采煤幫布置4根Φ20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿,間排距900 mm×800 mm。在上述支護條件下,該巷道圍巖變形嚴重,通過對巷道頂底板移近量和兩幫移近量的實地觀測可知,巷道累計兩幫移近量最大達到700 mm以上;巷道累計頂底板移近量達到1 450 mm以上,且以底板鼓起量為主。期間為了保證巷道的正常使用,對底板進行了3次起底作業,每次起底后在底板噴混凝土100 mm硬化。綜上所述,明確13號煤層回采巷道的圍巖應力演化機理,揭示其圍巖變形特征,提出適用于肖家洼煤礦的巷道圍巖變形防治技術措施,是亟需解決的工程難題。

2 雙煤層同采下煤層巷道圍巖應力場數值模擬

2.1 采場數值模型及模擬流程

為確定13號煤層回采巷道從掘進開始的全歷程圍巖應力分布特征,根據1.1節中所劃定的研究區域,結合礦井實際地表的等高線及表1中各地質分層的厚度,建立三維數值模型,模型長度1 000 m，寬度800 m，如圖3所示。

圖3 雙煤層開采數值模型

由圖3可知,模型中包含從地表至太原組內全部巖層。其中，在8號煤層和13號煤層中分別布置4個工作面：8號煤層工作面長度為264 m,13號煤層工作面長度為250 m,區段煤柱均為30 m,上下煤層工作面內錯27 m布置,如圖4所示。

(a)8號煤層工作面

由圖4可知,數值模型中將8號煤層和13號煤層分別設置了兩個采區,每個采區布置兩個工作面。在肖家洼煤礦的實際開采過程中,采用了采區間跳采的方式對兩個煤層進行開采。因此,在模擬過程中,工作面的回采按照8-1-1工作面→8-2-1與13-1-1工作面→8-1-2與13-2-1工作面→8-2-2與13-1-2工作面→13-2-2工作面的順序進行開采,且13-2-2工作面的推進只模擬一半。將圖4(b)中的紅色虛線范圍設置為監測區域,以分析其超前支承壓力對巷道圍巖應力場的影響。

2.2 巷道數值模型及模擬流程

為模擬221302材料順槽的變形特征,根據表2中參數建立巷道數值模型,共劃分5個煤巖層。模型高度為43.86 m,模型寬度設置為50 m,巷道尺寸為5.4 m×3.7 m,數值模型如圖5所示。

圖5 221302材料順槽數值模型

根據2.1節中流程進行數值模擬后,可以將13號煤層回采巷道的圍巖應力場演化過程劃分為4個階段:①掘進階段(未受二次擾動);②受上區段工作面側向支承壓力影響;③受8號煤遺留煤柱影響;④受本工作面超前支承壓力影響。在以上4個階段內選取特征位置,提取6個縱剖面內的應力場分布情況。其中，①～③階段內各取1個特征位置，④階段內選取3個特征位置(分別為距離工作面70，40，10 m),將上述特征位置依次編號為①～⑥號,其位置如圖4(b)中黑色短線所示。巷道模型的應力邊界以采場模型中4個階段內的6個縱剖面處模擬所得的應力為依據,這6個應力邊界的依次施加反演了13號煤層回采巷道的應力演化過程。因此,將巷道模型的厚度設置為1 m,以準確反演各個縱剖面的應力狀態。

通過Fish語言將各特征位置的垂直應力逐步施加至巷道模型作為應力邊界。以上方法的實現過程中,主要包括以下兩部分內容。

1)各特征位置的垂直應力提取。在提取過程中,以巷道模型建立的尺寸為依據,本文中巷道模型的最上層為老頂巖層,高度為43.86 m,模型寬度為50 m。因此,在上述6個特征位置的老頂巖層上部設置測線(50 m),確定測線起始坐標,通過Fish語言,按照一定的間隔設置應力提取點,將各點的應力值依次提取并保存為txt文件,提取各特征位置下的測線垂直應力分布曲線。

2)各特征位置的邊界應力施加。將提取出的6條垂直應力曲線按照節點數量分別填入FLAC3D軟件中的Table數據欄中,通過Fish語言調用功能,利用apply命令,按照開采順序逐步添加至巷道模型的上表面,作為應力邊界。

2.3 13號煤層回采巷道圍巖應力場演化過程

為了更好地反演肖家洼煤礦13號煤層巷道在不同階段下的圍巖應力場,根據2.2節所述方法,按照43.86 m×50 m的范圍,在2.1節數值模擬不同開采條件下的老頂巖層上表面應力值進行提取,包括:①模擬區域未受影響時應力曲線;②模擬區域受上區段工作面側向支承壓力影響時應力曲線;③模擬區域受8號煤遺留煤柱影響時應力曲線。繪制曲線如圖6所示。

圖6 側向支承壓力及8號煤遺留煤柱影響下應力曲線

由圖6可知,未受擾動情況下,模型應力邊界基本為一水平線,各點應力值平均為7.01 MPa,以此作為本章數值模擬初始平衡的應力邊界,再根據圖中曲線對應力邊界上各節點應力值逐步加載。當本工作面開始回采后,為了研究超前支承壓力對巷道圍巖應力場的影響,分別在距離工作面70,40,10 m位置選取剖面,提取應力值如圖7所示。

圖7 超前支承壓力分布曲線

由圖7可知,當本工作面開始回采后,其超前支承壓力對巷道圍巖產生了較大影響,且隨著與工作面距離的增加,影響逐漸減小。以圖6、圖7中6條曲線為巷道數值模型的應力邊界條件,分別模擬計算不同階段內巷道圍巖移動變形情況。

3 下煤層回采巷道圍巖變形

3.1 現支護條件下巷道圍巖變形

基于以上數值模擬方法,以221302材料順槽當前支護參數為依據,建立巷道數值模型(如圖8所示)；再根據圖6、圖7中應力曲線逐步設置應力邊界條件,對各種情況下巷道的位移情況進行分析,包括頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫移近量。

圖8 221302材料順槽現支護方案數值模型

由于數值模擬中采用了摩爾庫倫彈塑性本構模型,因此在上部邊界應力的作用下模型被不可避免地整體壓縮,導致在云圖圖例中直接讀取的頂板下沉值和底板鼓起值與實際計算結果存在偏差。因此,以巷道兩幫中間節點的垂直移動值為基礎,將其與初始狀態下的節點縱坐標的差值作為修正參數,將圖例中頂板下沉值與修正參數相減,底板鼓起值與修正系數相加，最終得到相應參數的變化值。

3.1.1頂底板變形結果分析

221302材料順槽在現支護條件下的垂直位移云圖如圖9所示。

(a) 未受二次擾動

由圖9可知,221302工作面材料順槽從開挖掘進開始,巷道圍巖垂直位移不斷增加,主要表現為巷道頂板下沉和底板鼓起。巷道在未受到二次擾動條件下,頂板下沉值為112 mm,底板鼓起值為336 mm，如圖9(a)所示;巷道在受到上區段工作面側向支承壓力影響條件下,頂板下沉值為171 mm,底板鼓起值為418 mm，如圖9(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,頂板下沉值為196 mm,底板鼓起值為458 mm,如圖9(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時,頂板下沉值為262 mm,底板鼓起值為543 mm,如圖9(d)所示;距離工作面40 m時,頂板下沉值為290 mm,底板鼓起值為577 mm,如圖9(e)所示;距離工作面10 m時,頂板下沉值為335 mm,底板鼓起值為617 mm,如圖9(f)所示。數據匯總見表3所示。

表3 現支護巷道頂底板垂直位移模擬結果

由表3可知,目前的支護形式對巷道頂板下沉起到了一定的控制作用,但由于未對底板進行支護,使得底板鼓起嚴重,且在受到側向支承壓力及本工作面超前支承壓力時,底鼓增量最為明顯。

3.1.2兩幫移動變形結果分析

221302材料順槽在現支護條件下的水平位移云圖如圖10所示。

(a) 未受二次擾動

由圖10可知,221302工作面材料順槽從開挖掘進開始,巷道圍巖水平位移不斷增加,主要表現為巷道兩幫向巷道軸線的移近。巷道在未受到二次擾動條件下,左幫移近量為126 mm,右幫移近量為126 mm，如圖10(a)所示;巷道在受到上區段工作面側向支承壓力影響條件下,左幫移近量為198 mm,右幫移近量為208 mm,如圖10(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,左幫移近量為230 mm,右幫移近量為240 mm,如圖10(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時,左幫移近量為326 mm,右幫移近量為336 mm,如圖10(d)所示;距離工作面40 m時,左幫移近量為363 mm,右幫移近量為372 mm,如圖10(e)所示;距離工作面10 m時,左幫移近量為422 mm,右幫移近量為426 mm,如圖10(f)所示。數據匯總如表4所示。

表4 現支護巷道兩幫水平位移模擬結果

由表4可知,目前的支護形式對巷道兩幫圍巖變形起到了一定的控制作用,在受到側向支承壓力及本工作面超前支承壓力時,兩幫移近量增量最為明顯。

綜上所述,現支護方案在一定程度上減少了巷道圍巖的移動變形,但由于在底板中未做支護處理,因此巷道底鼓現象較為嚴重,已經成為了該巷道維護的主要問題。鑒于此,本文提出了采用底板切槽卸壓的方法,以降低底板鼓起量,減少巷道維護成本。

3.2 巷道底板切槽卸壓后圍巖變形

3.2.1底板切槽卸壓參數

底板切槽卸壓參數主要包括切槽的深度和寬度。其中,切槽深度決定了底板應力釋放的范圍,由于當切槽深度小于巷道寬度的一半時,切槽范圍內的巖層抵抗變形的能力較小,對底鼓的治理效果將會大打折扣,因此現場施工時,切槽深度一般大于巷道寬度的一半。卸壓槽寬度的選取與底板巖性有關,當底板巖層為中等強度的巖性時,卸壓槽寬度約為0.3～0.4 m；底板巖層巖性強度較低時,卸壓槽寬度應略大于此值。

肖家洼煤礦221302材料順槽寬5.4 m、高3.7 m,且底板為泥巖,較為軟弱。根據上述巷道底板切槽卸壓的工程經驗,對于肖家洼煤礦221302材料順槽,底板切槽深度應略大于巷道寬度的一半(2.7 m),故本文中確定切槽深度為3 m;由于底板強度較低,切槽寬度應略大于0.4 m,故切槽寬度確定為0.5 m。根據以上底板切槽參數,運用數值模擬方法,在現支護條件下,對巷道底板進行切槽,從巷道圍巖垂直位移和水平位移兩個方面出發,對其底鼓治理效果進行預測分析,切槽后數值模型如圖11所示。

圖11 底板切槽數值模型

3.2.2頂底板變形結果分析

221302材料順槽底板切槽后巷道圍巖垂直位移如圖12所示。

(a) 未受二次擾動

由圖12可知,巷道在未受到二次擾動條件下,頂板下沉值為119 mm,底板鼓起值為185 mm，如圖12(a)所示;巷道在受到上區段工作面側向支承壓力影響條件下,頂板下沉值為169 mm,底板鼓起值為277 mm，如圖12(b)所示;巷道在受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,頂板下沉值為192 mm,底板鼓起值為318 mm，如圖12(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時,頂板下沉值為264 mm,底板鼓起值為401 mm，如圖12(d)所示;距離工作面40 m時,頂板下沉值為288 mm,底板鼓起值為434 mm，如圖12(e)所示;距離工作面10 m時,頂板下沉值為331 mm,底板鼓起值為475 mm，如圖12(f)所示。將上述底板切槽條件下頂板下沉值及底板鼓起值數據匯總,與未切槽條件下的計算結果進行對比,見表5所示。

(f) 超前工作面10 m

表5 巷道頂底板垂直位移模擬結果

由表5可知,相較于底板未切槽巷道,當底板切槽后,頂板下沉值基本不變;但底板鼓起值顯著降低,在超前支承壓力影響前,底鼓值預計降低30.57%～44.94%；當受到超前支承壓力影響后,降低幅度有所減小,但仍保持在23.03%～26.15%范圍內。

3.2.3底板切槽后巷道圍巖水平位移

由圖13所示,221302工作面材料順槽底板開挖卸壓槽后,巷道在未受到二次擾動條件下,左幫移近量為172 mm,右幫移近量為165 mm，如圖13(a)所示;受到上區段工作面側向支承壓力影響條件下,左幫移近量為217 mm,右幫移近量為226 mm，如圖13(b)所示;受到8號煤層遺留煤柱影響條件下,左幫移近量為238 mm,右幫移近量為251 mm，如圖13(c)所示;受到本工作面超前支承壓力影響條件下,距離工作面70 m時,左幫移近量為329 mm,右幫移近量為346 mm，如圖13(d)所示;距離工作面40 m時,左幫移近量為358 mm,右幫移近量為366 mm，如圖13(e)所示;距離工作面10 m時,左幫移近量為441 mm,右幫移近量為445 mm，如圖13(f)所示。將上述底板切槽條件下巷道兩幫移近量值數據匯總,與未切槽條件下的計算結果進行對比,見表6所示。

(a) 未受二次擾動

由表6可知,底板切槽對巷道兩幫的移近量影響有限,僅在巷道切槽后初期使得兩幫變形量較未切槽時增大30%,其余各階段內切槽對兩幫移近量影響均較小。

表6 巷道兩幫水平位移模擬結果

4 結論

1)肖家洼煤礦13號煤層回采巷道強礦壓顯現的應力源主要包括:掘進、上區段工作面側向支承壓力、8號煤遺留煤柱、本工作面超前支承壓力;

2)提出了“大-小”模型銜接巷道變形模擬方法,先通過大模型(采場模擬)模擬得出巷道圍巖的應力分布,并將其結果提取,通過Fish語言施加在模擬巷道的小模型中作為其應力邊界。通過以上方法,就可在巷道模型中考慮其周邊采場對其應力場的影響。

3)基于肖家洼煤礦221302材料順槽實際支護條件,反演了其不同階段的巷道圍巖移動變形量,并針對底鼓現象,提出了采用巷道底板切槽卸壓的防治方法；通過數值模擬手段預計在超前支承壓力影響前,底鼓值預計降低30.57%～44.94%,當受到超前支承壓力影響后,降低幅度有所減小,但仍保持在23.03%～26.15%范圍內。