基于高強穩(wěn)阻吸能支柱的切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)

王 暉,劉春暉,郝 陽,,周海洋,尹嘉帝

(1.霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司, 山西 長治 046100;2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院, 江蘇 徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

傳統(tǒng)的沿空留巷技術(shù)[1]通常以煤矸石、木棍、支柱等作為支護材料,支護能力有限,不能滿足沿空留巷過程中對巷道的支護要求。切頂卸壓自動成巷[2]是以何滿潮院士提出的“切頂短臂梁”理論為指導(dǎo)的一種新型無煤柱開采技術(shù)。巷道頂板沿預(yù)定方向、預(yù)定深度成功切開后,要考慮“護得住”問題[3]. 只有有效地解決巷旁支護問題,降低頂板下沉帶來的壓力,將其轉(zhuǎn)移到巷旁支護體,才能有效提升巷道的安全性,保證回采的安全性[4]. 然而,在切頂卸壓巷旁支護施工過程中,由于木點柱和普通單體支柱支撐力不足,有可能導(dǎo)致掩護擋矸系統(tǒng)效果不佳,容易將擋矸支架壓架。另一方面,回采過程中,木支柱的支護阻力在100 kN左右,受到采動壓力后容易造成木支柱破壞,無法有效與巷旁支護體協(xié)同控制巷道圍巖變形。因此,以霍爾辛赫煤礦3502切頂卸壓沿空留巷為背景,利用數(shù)值計算,分析高強穩(wěn)阻吸能支柱下與普通單體支柱頂?shù)装遄冃巍?yīng)力、塑性區(qū)特征,對比分析高強穩(wěn)阻吸能單體支柱對于切頂卸壓沿空巷道的控制優(yōu)勢。

1 切頂卸壓沿空留巷工程概況

1.1 工程地質(zhì)背景

霍爾辛赫煤礦3502綜采放頂煤工作面位于礦井五盤區(qū),該工作面北側(cè)現(xiàn)未布置工作面,西側(cè)為村莊保護煤柱線,南側(cè)為盤區(qū)準備巷道,東側(cè)為正在回采的3501工作面。工作面煤層底板標高為+368～+430 m. 3502工作面運輸順槽長度1 191.8 m,進風順槽長度1 175 m,回風順槽長度1 172.3 m,切眼長度201 m,設(shè)計推進長度701 m. 在3502工作面進風順槽進行切頂卸壓沿空留巷,3502工作面工程平面圖見圖1.

圖1 3502工作面工程平面圖

根據(jù)3502工作面進風順槽取芯結(jié)果,頂?shù)装鍘r性柱狀圖見圖2. 進風順槽含厚度為1 m的砂質(zhì)泥巖偽頂,直接頂和基本頂分別為厚度為2.37 m和4.90 m的砂巖,因此,頂板為層狀頂板。直接底為0.37 m的泥巖,遇水易膨脹軟化,基本底為砂巖,厚度3.65 m.

圖2 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

1.2 巷旁支護體概況

沿空留巷巷旁支護體所采用的三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板由外部加筋纖維布和內(nèi)部拉筋組成,為封閉的三維紡織結(jié)構(gòu)。3502工作面進風順槽柔模混凝土沿空留巷墻體強度不低于C50,澆灌完成后,再把混凝土打上對拉錨索加固,形成主體。

工作面每推進一個循環(huán),拉架后,在頂網(wǎng)和架間錨索的掩護下,緊跟支架尾快速支設(shè)一排單體支柱。在單體支柱和頂網(wǎng)的支撐及掩護下,在兩根單體支柱之間支設(shè)一根木點柱。掛設(shè)柔性模板前將單體液壓支柱撤回,見圖3.

圖3 支架尾支護斷面圖

在單體液壓支護間安裝一塊擋矸板(4 000 mm×3 500 mm×30 mm),擋矸板跟隨工作面推進,圍護待澆筑空間,見圖4.

圖4 擋矸板支護斷面圖

1.3 高強吸能單體支柱原理

高強穩(wěn)阻吸能單體支柱能夠產(chǎn)生高強支撐力,可保持恒阻支護力500 kN左右,長距離支護400～1 000 mm,單體支柱實物圖、結(jié)構(gòu)示意圖、載荷-位移曲線見圖5. 圖5中的曲線為單體支柱吸能測試的5次試驗結(jié)果。從圖5可以看出,5次試驗結(jié)果趨于一致,高強吸能單體支柱在達到額定工作阻力之前,體現(xiàn)出良好的線彈性特性;而當達到額定工作阻力后,體現(xiàn)出良好的塑性流動特性,其流動的變形(位移)量與柱桿外露段長度相等。

圖5 高強穩(wěn)阻吸能單體支柱實物圖、結(jié)構(gòu)示意圖及載荷-位移曲線圖

吸能單體支柱的主體部分包含柱桿、柱筒及軸承鋼珠,見圖6. 柱筒內(nèi)壁刻一斜面,通過柱桿受到頂板的壓力,帶動軸承鋼珠擠壓柱筒,使其產(chǎn)生沿頂板方向的支撐力起到支護作用。

圖6 高強吸能單體支柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理圖[5]

2 數(shù)值模型

根據(jù)3502工作面及回風順槽的幾何特征和支護方式建立模型。模型采用平面應(yīng)變模型,長、寬、高均為150 m,模型兩側(cè)及底部均為位移約束。模型煤巖單元采用莫爾-庫倫強度模型,分別考慮普通單體支柱、高強穩(wěn)阻吸能單體支柱下沿空巷道、混凝土墻的變形、應(yīng)力、塑性區(qū)特征。三維模型的網(wǎng)格劃分見圖7.

圖7 數(shù)值計算圖

木垛支護屈服強度為100 kN,當其達到屈服強度后,喪失承載能力,其單元本構(gòu)模型采用應(yīng)變模型。

高強穩(wěn)阻吸能單體支柱屈服強度500 kN,保持恒阻下縮,下縮距離1 000 mm,其單元采用理想彈塑性模型。

3 計算結(jié)果

3.1 變形特征

提取順槽頂?shù)装寮案浇鼌^(qū)域的變形云圖可以得到,高強穩(wěn)阻吸能單體支柱有效減少了順槽頂板下沉量,從而減輕了兩幫承受頂板的壓力。高強穩(wěn)阻吸能單體支柱在額定工作阻力下,相比木垛支護狀態(tài),頂板下沉量減少了78%,兩幫移近量減少了39%. 不同支護狀態(tài)下順槽變形云圖見圖8.

圖8 不同支護狀態(tài)下順槽變形云圖

3.2 應(yīng)力特征

圖9為不同支護狀態(tài)下,順槽附近垂直應(yīng)力云圖。從圖9可以得到:1) 木垛、高強穩(wěn)阻吸能單體支柱分別與混凝土墻組成了協(xié)同承載結(jié)構(gòu),共同分擔上覆巖層下沉帶來的應(yīng)力集中。由于高強穩(wěn)阻吸能單體支柱、木垛距離采空區(qū)近,承擔了主要的上覆巖層重量,承受了約17 MPa的垂直應(yīng)力。然而,木垛由于支護不足,不能有效控制頂板下沉。2) 高強穩(wěn)阻吸能單體支柱支護下,順槽頂板拉應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善,證明該支柱具有良好的改善應(yīng)力狀態(tài)的作用。

圖9 不同支護狀態(tài)下順槽垂直應(yīng)力分布特征圖

3.3 破壞特征

圖10為不同支護狀態(tài)下順槽塑性區(qū)分布特征:1) 木垛在受到上覆巖層壓力作用下產(chǎn)生了塑性屈服,造成承載力下降,不能減少圍巖和混凝土墻的塑性區(qū)范圍。2) 高強穩(wěn)阻吸能單體支柱能夠保持500 kN的恒定支護阻力阻止頂板下沉,有效減小了混凝土墻和圍巖的壓力,從而減小了塑性區(qū)范圍。相比普通木垛支護,高強穩(wěn)阻吸能單體支柱減小了圍巖86%的塑性區(qū)范圍。

圖10 不同支護狀態(tài)下順槽塑性區(qū)分布特征圖

4 結(jié) 論

1) 變形特征結(jié)果表明:相比工作阻力為100 kN的木垛,采用工作阻力為500 kN的高強穩(wěn)阻吸能單體支柱,沿空巷道在回采期頂?shù)装逑鲁亮繙p少了78%,兩幫移近量減少了47%.

2) 應(yīng)力特征結(jié)果表明:木垛支護下順槽圍巖的應(yīng)力狀態(tài)改善程度較弱,僅是混凝土墻的應(yīng)力得到改善。高強穩(wěn)阻吸能單體支柱支護下,順槽頂板拉應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善,證明該支柱具有良好的改善應(yīng)力狀態(tài)的作用。

3) 塑性區(qū)范圍結(jié)果表明:高強穩(wěn)阻吸能單體支柱能夠保持500 kN的恒定支護阻力,阻止頂板下沉,有效減小了混凝土墻和圍巖的壓力。相比普通木垛支護狀態(tài)下的塑性區(qū)范圍,高強穩(wěn)阻吸能單體支柱減小了圍巖86%的塑性區(qū)范圍。