近距離煤層采動影響下巷道支護設計研究

劉福平,李泳臻

(1.山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦, 山西 古交市 030205;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院, 北京 100083)

1 工程概況

山西省某煤礦現開采的2#煤層位于02#煤層下方約7 m處,屬于典型的近距離煤層[1]。02#煤層、2#煤層的平均厚度約為2 m,屬于近水平煤層,兩煤層間多為泥巖和細砂巖,02#煤層頂板為粉砂質泥巖、2#煤層底板為粉砂巖。煤層頂底板巖性見表1。

該礦井屬于高瓦斯礦井[2],因此,礦山計劃在上組煤(02#煤層)開采前,于下組煤(2#煤層)布置瓦斯底抽巷。該瓦斯底抽巷既要為上組煤提供瓦斯抽采服務,也要在開采下組煤時作為回采巷道使用,因此,該巷道具有功能多、任務重、服務周期長的特點,其安全穩定性對礦山生產十分重要。

________________表1 煤層頂底板巖性________________

如圖1所示,該瓦斯底抽巷內錯于下方采煤工作面20 m布置,相比于一般的回采巷道,該巷道在服務期限內要經歷上方7 m處的煤層回采環節,上組煤回采引起的超前支承壓力將嚴重影響下組煤既有巷道的穩定性。

圖1 瓦斯底抽巷的布置

以往的開采經驗表明,該巷道若在上組煤開采過程中發生失穩破壞而整體報廢,則下組煤回采前將需要重新布置回采巷道,受已掘進的瓦斯底抽巷的應力影響,新巷道距離煤柱的內錯距將進一步增大,這一方面增加了重新采掘一條巷道的時間和經濟成本,另一方面也會增加下組煤的煤柱寬度,造成資源浪費。

近些年,國內支護技術有了長足的進展[3],通過支護的手段為該瓦斯底抽巷設計合理的支護方案,對于巷道穩定性、采區圍巖穩定性、節約時間和經濟成本以及采區資源的合理利用均具有重要的作用。

2 數值模型的建立與支護設計

2.1 數值模型的建立

為研究影響巷道穩定性的主要因素,確定巷道支護方案的合理性,本文中通過FLAC3D數值模擬軟件[4-5]對無支護和支護方案下的巷道應力、應變及塑性區場進行了分析與對比,為支護方案的可行性提供依據。

數值模型尺寸為x×y×z=40 m×40 m×50 m,模型各巖層按照現場實際情況進行布置,根據地應力測試數據,在模型上界面施加10 MPa的豎向均布荷載,在模型各側面施加8 MPa的水平均布荷載。模型底板固定,側向限制水平位移,但不限制豎向位移。圍巖各巖層的力學參數見表2,模型及初始應力平衡狀態見圖2。

表2 巖層力學參數

圖2 數值模型及應力平衡

近距離煤層下組煤巷道穩定性研究的數值模型共計38 640個單元,42 441個節點。施加初始應力后,圍巖整體的應力分布較為均勻,2#煤層處垂直應力約為10 MPa,與現場實際情況較為吻合,為后續的數值模擬研究提供了保障。

2.2 巷道圍巖應力環境分析

巷道支護方案的設計一般以巷道圍巖受力環境為依據,在巷道圍巖應力集中區加強支護強度,在低應力區合理布置支護,避免支護材料過度使用而造成浪費。

因此,在支護方案設計前,針對巷道掘進期間、回采期間的應力環境進行分析,并通過對圍巖應力環境的研究,提出針對性的支護方案,保證巷道的穩定性。

數值模擬中,對2#煤層巷道位置處進行了開挖,巷道掘進期間的圍巖應力場如圖3所示。

圖3 掘進期間的巷道圍巖應力分布

如圖3(a)所示,在沒有支護的條件下,巷道掘進后,巷道頂底板出現了垂直應力卸壓區,垂直應力的主要集中區在巷道幫部1～2 m的范圍內,最大垂直應力達到17.04 MPa,垂直應力集中系數達到1.7左右;同樣,因為巷道的采掘,巷道頂底板處有較為明顯的水平應力集中區,位于頂底板1～4 m的范圍,最大水平應力達到12.79 MPa,水平應力集中系數達1.6左右。

由此可以看出,巷道圍巖的支護重點應圍繞巷道圍巖的應力集中區,即巷道的幫部及頂板。但此次研究的近距離煤層巷道區別于一般的回采巷道,巷道受到了上組煤的采動影響,因此,研究采動對巷道圍巖應力環境的影響十分重要。

上組煤開采過程中,由于應力卸載的原因,工作面后方的下組煤巷道多處于垂直應力卸載區,圍巖應力集中程度較小。而工作面前方的下組煤巷道受到超前支承壓力的影響,時常出現破壞失穩的情況,因此,研究中截取了上組煤采動影響下工作面前方某截面處的下組煤巷道應力分布情況,如圖4所示。

圖4 上組煤回采期間巷道圍巖應力分布

如圖4所示,采動影響下由于工作面超前支承壓力的影響,巷道淺部圍巖各處應力均有所提升,巷道穩定性勢必會受到一定的影響。如圖4(a)所示,在采動影響下,巷道幫部圍巖的最大垂直應力提升至24.07 MPa,應力集中系數達到了2.41;巷道圍巖的水平應力最大達到12.21 MPa。這表明在回采影響下,工作面前方的下組煤巷道圍巖水平應力變化并不大,但垂直應力會有明顯提升,回采前后巷道圍巖的主要應力集中區在巷道頂底板和兩幫。

2.3 支護設計

巷道斷面為矩形,尺寸為巷寬4000 mm×巷高2600 mm。根據巷道斷面尺寸、現場材料和礦壓情況,設計的支護方案如圖5所示。巷道頂板采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排5根對稱布置于頂板,錨桿間排距為900 mm×1000 mm;兩幫采用Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿,每排2根,間排距為1000 mm×1000 mm,每根錨桿配以2支錨固劑,并配以鋼帶托盤固定。錨索采用Φ 17.8 mm×5200 mm的錨索,每兩排布置2根,間排距為1800 mm×2000 mm。固定托盤前在巷道表面鋪設了鋼帶和鋼筋網。

圖5 巷道支護方案(單位:mm)

3 掘進期間巷道穩定性分析

巷道圍巖變形以及塑性破壞情況是支護效果最直接的表現,因此提取了無支護與有支護條件下掘進期間的巷道變形情況與塑性區分布情況,以分析支護效果,如圖6至圖8所示。

圖6 巷道圍巖豎向位移

圖8 巷道圍巖塑性區分布

由圖6可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道頂板變形為19.72 mm,支護條件下巷道頂板變形為19.35 mm,巷道整體變形量較小。從圖7中可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道兩幫收斂量為43.30 mm,支護條件下巷道兩幫收斂量為39.82 mm,變形量降低了8.03%。由圖8可以看出,在支護條件下的巷道頂底板塑性區較無支護條件時得到了明顯改善,塑性區范圍也明顯縮小,這表明該支護方案在掘進區間對頂底板塑性變形起到了一定的控制。

圖7 巷道圍巖水平位移

綜上所述,設計方案對掘進期間巷道的變形和塑性區控制具有一定的作用,可有效地控制巷道頂底板和兩幫的變形收斂。

4 回采期間巷道穩定性分析

該巷道受到采動影響,巷道變形最嚴重的時期并非掘進期間,能否控制巷道在采動影響下的變形破壞才是支護的關鍵所在。因此,提取巷道回采期間,工作面前方某截面在無支護與有支護條件下的巷道變形情況與塑性區分布情況,如圖9至圖11所示。

由圖9可以看出,回采期間無支護情況下的巷道頂板變形為52.74 mm,有支護條件下的巷道頂板變形為52.48 mm,可見上組煤回采對下位巷道的影響較大。由圖10可以看出,巷道掘進期間無支護情況下巷道兩幫收斂量為75.54 mm,有支護條件下的巷道兩幫收斂量為72.03 mm,變形降低4.65%。由圖11可以看出,回采影響下巷道圍巖塑性區發展迅速,有支護條件下的巷道頂底板塑性區較無支護時有明顯縮小,這表明該支護方案有效地控制了巷道在上組煤回采過程中的圍巖塑性破壞。

圖9 回采后巷道圍巖豎向位移

圖10 回采后巷道圍巖水平位移

圖11 回采后巷道圍巖塑性區分布

綜上可以看出,上組煤的回采對下組煤中的既有巷道的變形破壞影響極大,支護措施可以有效地改善巷道變形和塑性破壞。

5 結論

調查發現山西省某礦瓦斯底抽巷在近距離煤層開采過程中,上組煤的回采會對下組煤中的既有巷道造成嚴重的塑性破壞,從而出現巷道圍巖破碎、變形加劇的現象。

本文通過數值模擬軟件FLAC3D研究了近距離煤層下組煤瓦斯底抽巷在掘進期間、上組煤回采期間巷道圍巖的應力環境及回采對巷道應力環境的影響,以此為依據設計了合理的巷道支護方案。數值模擬結果表明,實施支護措施后,在巷道掘進期間、上組煤回采期間,巷道的豎向位移、水平位移均有明顯減小,巷道淺部圍巖塑性區發育情況也得到了明顯改善。