王莊煤礦高應力綜放面巷道圍巖控制技術

劉 俊

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046000)

區段煤柱是我國最普遍使用的護巷方式,尤其是在深井高應力的情況下,如何提高資源回收率、加快巷道掘進速度成為煤礦企業面臨的重大問題。傳統開采方式中的煤柱寬度一般為20～40 m,部分條件惡劣的煤礦煤柱寬度達到了60 m,造成煤炭資源的大量浪費,后續也很難把這些煤炭資源開采出來。其中,沿空留巷和留小煤柱沿空掘巷是解決區段煤柱資源浪費的重要方法[1-2]。侯朝炯等[3]將沿空巷道上覆堅硬巖層破斷后的結構簡化為弧形三角板,為后續的研究指明了方向。文獻[4]和[5]運用彈塑性力學理論對大傾角煤層的厚硬基本頂破斷規律進行了研究,得到了基本頂斷裂特征并總結出基本頂初次與周期破斷的時序特點與非對稱特征。文獻[6]針對煤柱受到側向應力集中導致巷道發生大變形的普遍問題,通過采取對沿空預留煤柱進行爆破卸壓及大直徑鉆孔卸壓的技術來降低煤柱的應力,發現采用卸壓技術后煤柱內部應力的集中程度明顯減小。王猛等[7]針對沿空巷道上覆厚堅硬頂板回轉變形導致的巷道圍巖應力較高,留巷難度較大的問題,通過淺孔爆破技術切斷采空區頂板向巷道兩側傳遞的應力,并使用LS-DYNA數值軟件對爆破鉆孔間距進行優化,取得了良好的現場應用效果。許興亮等[8]認為沿空掘巷上覆巖層關鍵塊體結構回轉穩定性,相較于煤體自身的力學性質而言,對巷道的穩定性影響更大,基于此提出采用高強度錨桿、高阻讓壓和傾向穿層錨索的非對稱耦合控制技術,通過加強沿空巷道煤柱與頂板的一體性強化煤柱的支撐能力,從而減緩關鍵塊體的旋轉下沉速度和下沉量,以達到對深部傾斜沿空掘巷圍巖穩定性控制的目的。付中華等[9]通過現場測定和數值分析,將窄煤柱內部具有小變形特征或不發生變形的區域稱作中性面,隨著煤柱寬度的增大,內部的中性面寬度越大。基于上述發現,提出了通過錨桿支護改變煤柱內的應力環境從而改變中性面的位置與范圍,在優化應力環境的同時,提高煤柱承載強度進而減小煤柱變形的方法。厚煤層綜放工作面留小煤柱沿空掘巷,由于工作面采空區上覆巖層垮落空間大,導致小煤柱應力集中系數較大,必須改變沿空掘巷圍巖的應力環境[10]。主要方式有:合理的巷道掘進布置方式,使巷道處于應力降低區;爆破卸壓切頂護巷技術,使巷道圍巖所處應力環境被強制降低,進而提高圍巖穩定性[11]。近年來,由于對淺部煤炭資源的大量開采,許多礦井面臨下組煤延伸進行深部開采的現狀,但地應力驟增將導致原來淺部回采巷道的支護方式、煤柱寬度留設等問題,均需要進行重新討論[12-13]。煤柱應力集中程度加大、煤壁片幫、錨桿(索)錨固力增大等嚴重問題在高應力條件下出現的次數也愈發增多[14]。

本文以王莊煤礦2202工作面9106回風順槽高應力條件切頂卸壓后留設窄煤柱為工程背景,通過現場調研、理論分析及數值模擬相結合的研究方法,對深井高應力條件下回采巷道的聯合控制技術進行研究。

1 工程背景

王莊礦位于長治市郊區,面積289 km2。井田廣為第四系地層所覆蓋,僅在西北部有少量的基巖出露。井田內波狀起伏的褶曲比較發育,大多數褶曲的兩翼地層傾角較平緩。王莊井田總體走向為一走向北西,傾向南西的單斜構造,地層產狀平緩,地層傾角一般為2°～6°,近水平煤層。目前主要開采3號煤層,開采深度為400～600 m,平均540 m。根據井田內鉆孔統計資料,煤層厚6.40～7.65 m,平均6.95 m,全井田屬穩定可采煤層,含夾矸0～5層,一般為1～3層,煤層結構簡單-復雜,夾矸成分多為炭質泥巖或泥巖。煤層頂板為泥巖或砂質泥巖,底板為泥巖。頂底板巖層柱狀圖,如圖1所示。

圖1 3號煤層頂底板巖層柱狀圖Fig.1 Strata histogram of roof and floor of No.3 coal seam

工作面采用綜放開采,工作面順槽沿煤層底板布置,全煤巷道,巷道斷面均為5.5 m×3.6 m的矩形斷面,均采用錨網索支護方式。根據現場調研情況,工作面順槽受相鄰工作面采空區影響比較大,導致煤柱幫變形嚴重,尤其是煤柱側上方擠出變形明顯,局部區域存在錨桿錨索托盤壓入煤體的現象。9106工作面為9105工作面的接替工作面,9106工作面回風順槽及后期開采的9103孤島工作面都要面臨相鄰采空區和區段煤柱應力集中引起的強礦壓問題。

開展王莊煤礦高應力綜放面區段煤柱留設及回采巷道圍巖控制研究,對礦井的安全高效開采具有實際指導意義,而且可為其他類似條件下的孤島工作面開采提供借鑒。對于實現工作面的高效安全回采及類似綜放工作面開采具有重要意義。

2 留小煤柱切頂護巷機理

2.1 壓裂參數確定

在工作面回采過程中,基本頂在采空區巷道側形成弧形三角板,進行水力壓裂形成的切縫面成為關鍵塊A和B的咬合面。當關鍵塊B沿著切縫面滑落失穩時,巖塊間受力關系簡化如圖2所示。

根據砌體梁理論和圍巖結構的S-R穩定原理可知,巖塊回轉下沉的條件為:

(Tcosβ-Ssinβ)tanφ≤Scosβ+Tsinβ.

(1)

(2)

聯立以上兩式可得切頂角度的最佳取值范圍:

(3)

式中:T為側向水平壓力,N;S為巖塊回轉下沉過程中受到的剪切力,N;q為集中載荷,N/m;β為水力壓裂切縫面與豎直方向的夾角,(°);ΔS為基本頂采空區側下沉量,取3.0 m;φ為巖塊間的摩擦角,取40°;dz為基本頂巖層厚度,取8.0 m;L為基本頂巖塊的長度,取17.0 m。

代入工作面參數到式(3)計算得到:

實際切頂時,工作面切頂角度應大于10°。

水力壓裂施工方案:鉆孔仰角60°,夾角30°,經計算,鉆孔深度(斜長)為26.75 m,壓裂間隔3 m,單孔壓裂次數為7次,鉆孔間距15 m。工作面順槽水力壓裂鉆孔布置及參數見圖3所示。施工采用后退式方向實施,由鉆孔深部向淺部逐段壓裂,壓裂段長度21 m,壓裂使用3BZ4.6/60-90型高壓水泵。

圖3 工作面順槽水力壓裂切頂鉆孔布置示意圖Fig.3 Roof cutting and borehole drilling by hydraulic fracturing of working face gateway

2.2 窄煤柱留設尺寸研究

工作面回采后采空區上覆巖層失去了承載煤體,采空區邊界部分巖體重量轉移至區段煤柱上,引起煤柱內部應力升高,煤柱臨空面首先受到影響,如果沒有采取有效的支護措施,將會引起煤柱表面片幫形成深入巖體的破碎區。應力進一步演化,從煤柱外側到內部將形成破碎區、塑性區和彈性區,如圖4所示。因此煤柱內部應當有一定寬度的彈性區來保證煤柱的穩定,也使錨桿(索)聯合支護有穩定的深層錨固基礎。

圖4 窄煤柱塑性區及支承應力分布Fig.4 Distribution of plastic zones and supporting stress of narrow coal pillars

合理的煤柱寬度由兩側的“破碎-塑性區”和中間的彈性核區域組成,考慮到在采空區側提前采取切頂泄壓措施,在這種條件下進行小煤柱護巷時煤柱寬度為:

b=x1+x2.

(4)

式中:b為窄煤柱寬度,m;x1為破碎-塑性區寬度,m;x2為彈性區寬度,m。

其中,由于下區段工作面的開采,在窄煤柱中產生的“破碎-塑性區”寬度為:

(5)

式中:h為巷道高度,m;A為側壓系數;φ0為煤體的內摩擦角,(°);C0為煤體的黏聚力,MPa;K為應力集中系數;γ為巖體容重,MN/m3;h為對煤柱載荷有影響的巖層高度,m;pz為錨桿支護阻力,MPa。

根據9106工作面生產地質條件和實驗室力學參數,相關參數:h=3.0 m,A=1.1,φ0=36°,C0=1.62 MPa,K=1.6,γ=0.025 MN/m3,pz=0.20 MPa,h=90 m。將其帶入式(5)可得:

x1=

根據礦井地質條件和實測工作面具體參數代入式(5)得單側“破碎-塑性區”寬度為2.0 m。煤柱彈性區域的寬度根據經驗設置為5.0 m,留設煤柱寬度應至少為7.0 m才能滿足留小煤柱使用需求。

3 數值模擬

3.1 模型建立

以王莊煤礦地質參數建立FLAC3D模型,模型長×寬×高為500 m×200 m×85.6 m,共劃分為292 800個單元,巖石材料全部應用庫倫摩爾模型,3號煤頂底板巖層的力學參數,如表1所示。針對9105運輸順槽切頂后的窄煤柱合理寬度進行數值模擬,研究9105回風順槽垂直應力和塑性區的分部特征。模型包含9105工作面和9106工作面,在模型上方施加12.5 MPa的豎向載荷,等效于模型上方500 m厚的上覆巖層。四周施加13.75 MPa的水平應力模擬地層側向應力,并對模型設置250 kN/m的梯度應力。進行地應力平衡后,首先在賦值平衡的模型上開挖9105工作面運輸順槽,同時進行支護,運行至平衡。9105工作面回采時,按切頂高度為21 m,切頂角度為30°的條件在運輸順槽內布置預裂切縫模擬水力壓裂,切斷采空區上覆巖層與實體煤上覆巖層的應力傳遞路徑,之后留設煤柱寬度為5.5～11.5 m的范圍采掘9106回風順槽,在提高煤炭資源回收率的基礎上確定窄煤柱的合理寬度。研究不同煤柱寬度下的圍巖垂直應力和塑性區演化特征。在煤柱中設置監測點,由于垂直應力(即支撐應力)能反應掘巷兩側的應力集中程度及煤幫破壞范圍,模擬結果表明,水平應力主要集中在巷道頂底板巖層中,在此不做進一步闡述。在本文主要研究煤柱內部垂直應力變化規律。

表1 煤巖力學參數表

3.2 模擬結果分析

在切頂高度為21 m,切頂角度為垂直線上偏向采空區30°的條件下,采用FLAC3D對煤柱寬度分別為5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、10.5 m、11.5 m時,合理的窄煤柱寬度進行數值模擬。煤柱寬度不同時,實體煤及煤柱內垂直應力云圖,如圖5所示,垂直應力監測數據如圖6所示,煤柱塑性區分布如圖7所示。

根據圖5的垂直應力云圖和圖6的監測數據分析可知:9105工作面運輸順槽進行切頂后,煤柱寬度為5.5 m、6.5 m時,煤柱內部的垂直應力峰值分別為43.2 MPa、42.3 MPa.由于9105運輸順槽懸頂的原因,煤柱內垂直應力峰值在煤柱內偏向于采空區側集中,煤柱內應力集中系數分別為3.48、3.38。此時,煤柱內部存在明顯的不均衡承載問題,采空區側煤柱偏應力較大,不利于窄煤柱的長期穩定。煤柱寬度為7.5 m時,煤柱內部的垂直應力峰值為36.0 MPa,實體煤幫的垂直應力峰值為32.0 MPa,巷道兩側煤體的垂直應力峰值相差較小,實現了巷道兩側的均衡承載。煤體寬度為7.5 m時內部垂直應力峰值相較于煤柱寬度為5.5 m及6.5 m時分別減少了15.2%和12.8%。煤柱寬度從8.5 m增加到11.5 m時,煤柱內部的垂直應力峰值從35.8 MPa減小到32.5 MPa。此時9105運輸順槽懸頂的存在對煤柱內垂直應力峰值集中位置的影響較小,煤柱內出現明顯的彈性應力核區域,煤柱內未破壞區域面積增加,煤柱的穩定性進一步加強。煤柱內部垂直應力峰值相較于煤柱寬度為7.5 m時分別減少了4.5%、8.0%、10.4%、13.3%。隨著煤柱寬度的變化,上覆巖層向窄煤柱及實體煤傳遞的應力數值也明顯調整,實體煤幫應力集中位置隨著煤柱寬度的增加向巷道臨空面靠近,巷道兩幫破壞范圍減小,煤幫部淺層承載能力增大。

圖5 不同寬度煤柱垂直應力云圖Fig.5 Vertical stress cloud map of coal pillars with different widths

圖6 煤柱幫垂直應力監測數據Fig.6 Monitoring data of two-side vertical stress of coal pillars

根據圖7可知,窄煤柱的塑性破壞主要體現在煤柱采空區側的煤壁及頂煤、窄煤柱內部、回風順槽巷道表面的塑性破壞,且由于巷道的支護作用,回風順槽的表面破壞范圍較小,巷道圍巖較穩定。當煤柱寬度為5.0 m時,窄煤柱內采空區側破壞嚴重,采空區側頂煤發生較大面積的塑性破壞,煤柱上方頂板塑性破壞與巷道頂板塑性破壞貫通,煤柱及巷道圍巖的完整性受到影響。隨著煤柱寬度的增加,雖然煤柱內發生了比較明顯的塑性破壞,但回風順槽塑性破壞受煤柱的影響逐漸減弱,當煤柱寬度超過7.5 m時,回風順槽圍巖破壞深度穩定在0.5 m左右。

綜合以上模擬結果,在9105運輸順槽進行切頂后,9106區段煤柱寬度從5.5 m增加到7.5 m時,窄煤柱內垂直應力峰值減小約15.2%,而煤柱寬度從7.5 m增加到11.5 m時,窄煤柱內垂直應力峰值減少13.3%,煤柱寬度大于7.5 m后,垂直應力減小速率明顯變緩。煤柱寬度超過7.5 m后回風順槽圍巖破壞深度穩定在0.5 m左右。綜合煤炭資源回收率、回采巷道穩定性巷內支護等方面綜合分析,當區段煤柱寬度大于7.5 m時,更有利于窄煤柱的穩定,同時有利于回風順槽的圍巖控制。

3.3 工程應用效果分析

為確定理論計算和數值模擬結果能否在井下實際工程中取得較好的效果,在9105和9106工作面進行切頂及小煤柱留設方案的實施,即在9105運輸順槽進行切頂卸壓,并留設7.5 m寬的小煤柱,以隔離9105采空區,鉆孔爆破切縫施工如圖8(a)所示,巷道內部支護方式如圖8(b)所示。在9106回風順槽內每隔10 m布置綜合測站,采用十字布點法進行表面位移監測,并每隔2 d進行一次數據記錄,記錄周期為80 d,實際工程數據如圖8(c)所示。

圖8 現場工程應用Fig.8 Field engineering application

根據圍巖位移監測曲線可知:9106回風順槽在掘巷30 d之內為巷道快速變形期,且巷道兩幫的移近量和移近速率均小于頂底板的移近量。在巷道掘進20 d后頂底板最大變形量為200 mm,兩幫的最大移近量為175 mm;在巷道掘進60 d后趨于穩定,頂底板的最大移近量為231 mm,兩幫最大移近量為198 mm。綜上所述,9106工作面回風順槽在高應力條件下進行切頂可有效減小窄煤柱的應力集中程度,起到提高煤炭資源回收率的目的。在巷道變形趨于穩定時,巷道斷面尺寸能夠達到巷道使用要求。

4 結論

1)基于理論分析,在王莊煤礦9105運輸順槽進行切頂泄壓的基礎上,進行窄煤柱合理寬度理論計算。煤柱寬度最少為7.0 m時才能保證9106回風順槽回采期間的穩定,且煤柱內存在較寬的彈性區域對頂板有較強的承載能力。

2)數值模擬結果表明,在深井條件下,水力壓裂切頂長度為21 m,切頂角度為30°的情況下,成功切斷了頂板的應力傳遞路徑。隨著留設煤柱寬度的逐漸增加,煤柱內部的垂直應力峰值不斷減小,但應力減小速率在不斷降低。當區段煤柱寬度為7.5 m時,可以實現資源回收率及巷道掘進速率的最大化。

3)在進行實際切頂留設窄煤柱的工程中,巷道在掘進60 d后變形量趨于穩定,此時頂底板的最大移近量為231 mm,兩幫最大移近量為198 mm。巷道的變形量較小,能夠滿足通風行人的使用需求。