厚煤層內(nèi)掘巷過小斷層構(gòu)造期間頂煤控制研究

楊增強,劉 暢,白 洋,張 虎,李常浩

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司,江蘇 徐州 221018;3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;5.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 余吾煤業(yè)有限公司,山西 長治 046103)

我國地下煤炭資源賦存地質(zhì)條件存在多樣性。目前隨著東部地區(qū)煤炭資源開采趨于枯竭,西北地區(qū)賦存穩(wěn)定且儲量較大,成為目前開采的主要區(qū)域[1-2]。由于西北地區(qū)煤炭資源賦存厚度較大,因此當(dāng)對其實施井工開采時,煤層巷道往往沿著煤層底板掘進(jìn),其上方不同程度地留有一定厚度的頂煤,同時為了滿足生產(chǎn)需求,其服務(wù)平巷往往橫斷面較大,這對煤巷頂板的支護(hù)提出了更高的要求。由于煤層內(nèi)隱伏有諸多的斷層地質(zhì)構(gòu)造,尤其小斷層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育更加豐富,這導(dǎo)致沿煤層底板掘進(jìn)的巷道在橫穿小斷層地質(zhì)構(gòu)造后,頂板內(nèi)煤巖體更加破碎難以控制,同時服務(wù)平巷較大的橫斷面也進(jìn)一步增加了頂板懸頂段的寬度,進(jìn)而導(dǎo)致頂板內(nèi)煤巖體極易發(fā)生較大變形甚至嚴(yán)重冒頂事故[3-5]。因而有必要針對頂板內(nèi)煤巖體較為破碎的巷道圍巖控制進(jìn)行深入研究,旨在能夠更好地服務(wù)于大斷面煤巷安全高效的掘進(jìn)作業(yè)。

1 20322工作面工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

曹家灘煤礦目前為年產(chǎn)能高達(dá)1 500萬噸的大型機(jī)械化作業(yè)礦井,其井田范圍內(nèi)目前主要針對東翼盤區(qū)內(nèi)的20322大采高工作面進(jìn)行掘巷作業(yè)工作。由于203盤區(qū)內(nèi)隱伏有諸多小斷層構(gòu)造,這導(dǎo)致20322大采高工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷(20322膠帶巷和20322回風(fēng)巷)在掘進(jìn)期間將會面臨橫穿小斷層構(gòu)造的潛在風(fēng)險。考慮到20322大采高工作面所開采的2號煤層平均厚度為7.3 m,而工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷斷面尺寸為寬×高=5.6 m×4.3 m,可見當(dāng)服務(wù)平巷掘出后,其上方頂板內(nèi)存在厚度約為3.0 m的煤體。20322大采高工作面平面布置情況如圖1所示。

圖1 20322大采高工作面平面布置

由圖1可知,20322膠帶巷掘進(jìn)至J7～J8地質(zhì)測量點之間時,揭露出一小斷層構(gòu)造F322-2,此斷層構(gòu)造的傾角約為70°,垂直落差約為0.9 m,受此斷層構(gòu)造對煤體的切割效應(yīng)影響,20322膠帶巷掘進(jìn)通過此斷層構(gòu)造后頂板內(nèi)煤體沿用原有錨桿索支護(hù)措施后頂板呈現(xiàn)出極度破碎的狀態(tài),局部頂煤下沉變形破壞嚴(yán)重的區(qū)域甚至出現(xiàn)錨索拉斷裂失效而誘使頂煤大面積冒頂來壓事故的發(fā)生。關(guān)于20322膠帶巷受小斷層構(gòu)造F322-2影響而現(xiàn)場頂板實際破壞情況如圖2所示。

圖2 小斷層構(gòu)造F322-2影響區(qū)頂板現(xiàn)場破壞實例

1.2 冒頂事故調(diào)研分析

當(dāng)20322膠帶巷受小斷層構(gòu)造F322-2影響而發(fā)生嚴(yán)重冒頂事故后,基于礦方技術(shù)人員所提供的相關(guān)資料繪制出以J7地質(zhì)測量點為參考點的監(jiān)測方案。具體的監(jiān)測方案布置平面情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測方案布置平面示意(單位:m)

基于圖3所示的監(jiān)測布置方案,采用手持式激光測距儀分別對L、1、2、…、13等14個測點位置處進(jìn)行頂?shù)装寰嚯x測定作業(yè),同時依據(jù)J7地質(zhì)測量點的標(biāo)高數(shù)據(jù)并結(jié)合全站儀測量可以計算得到14個測點位置處的底板標(biāo)高值,從而進(jìn)一步繪制出20322膠帶巷掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造F322-2并發(fā)生冒頂來壓事故后的頂?shù)装鍢?biāo)高沿掘進(jìn)方向變化曲線,如圖4所示。

圖4 冒頂來壓事故后頂?shù)装鍢?biāo)高變化曲線

由圖4可知,當(dāng)20322膠帶巷掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造F322-2后,由于巷道底板標(biāo)高基本控制在474 m左右,可視作底板標(biāo)高為474 m;而關(guān)于巷道頂板在靠近小斷層構(gòu)造F322-2結(jié)構(gòu)面位置處冒頂高度最大,此處頂板標(biāo)高為484.3 m.計算差值可知,此處頂?shù)装甯叨炔钪禐?0.3 m,相較于巷道原有高度值4.3 m可知頂板冒頂高度值為6.0 m,即頂板冒頂高度最大位置處不僅頂煤全部發(fā)生了垮冒,甚至其上方一定厚度的穩(wěn)定巖層也同步發(fā)生了垮冒;而關(guān)于巷道頂板在遠(yuǎn)離小斷層構(gòu)造F322-2結(jié)構(gòu)面位置處冒頂高度最小,此處頂板標(biāo)高為481.5 m.計算差值可知,此處頂?shù)装甯叨炔钪禐?.5 m,相較于巷道原有高度值4.3 m可知頂板冒頂高度值為3.2 m,即頂板冒頂高度最小位置處僅頂煤全部發(fā)生了垮冒,其上方巖層內(nèi)部偽頂也同步發(fā)生了垮冒。關(guān)于冒頂范圍沿巷道掘進(jìn)方向長約53.7 m,可見巷道掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造導(dǎo)致的冒頂來壓事故影響范圍較大,對于20322膠帶巷的正常掘進(jìn)作業(yè)造成嚴(yán)重阻礙,甚至威脅到作業(yè)人員的安全,因而當(dāng)巷道掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造作業(yè)前有必要針對性地采取防治措施,保障巷道能夠安全高效地掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造,杜絕頂板發(fā)生嚴(yán)重離層甚至冒頂來壓事故。

2 RFPA數(shù)值模擬分析

以20322膠帶巷掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造F322-2為工程背景,考慮到巷道頂板內(nèi)煤巖體受斷層切割效應(yīng)影響而較為破碎,因而在此采用RFPA數(shù)值模擬軟件(即巖石破裂過程分析系統(tǒng))來對不同強度和剛度條件下的頂板煤巖體破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究[6]。首先采用RFPA數(shù)值模擬軟件構(gòu)建尺寸為寬×高=20 m×10 m的二維平面應(yīng)變模型,并結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)對模型中各煤巖層進(jìn)行賦值和本構(gòu)模型的嵌入,在所構(gòu)建的二維平面應(yīng)變模型上表面施加等效均布載荷值7.9 MPa(相當(dāng)于埋深為320 m),同時依據(jù)小斷層構(gòu)造對掘進(jìn)開挖后的巷道頂板內(nèi)煤巖體影響情況,在此分別模擬頂板內(nèi)煤巖體強度取值為5 MPa、15 MPa和30 MPa時,頂板內(nèi)煤巖體剛度取值為50 MPa和200 MPa的條件下頂板內(nèi)煤巖體破壞演化規(guī)律,如圖5所示。

圖5 不同強度、剛度條件下頂板內(nèi)煤巖體破壞演化規(guī)律

煤巖體的強度旨在體現(xiàn)煤巖體在復(fù)雜地應(yīng)力影響下其抵抗永久變形和破裂的能力,而煤巖體的剛度旨在體現(xiàn)煤巖體在復(fù)雜地應(yīng)力影響下其抵抗彈性變形的能力[7-8]。根據(jù)圖5所示在不同強度和剛度組合條件下頂板內(nèi)煤巖體破壞演化情況可知,在煤巖體的強度取值為5 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內(nèi)軟弱巖層(如頂煤)與上位巖層由發(fā)生明顯離層進(jìn)而整體性垮冒轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生較大離層進(jìn)而整體性垮冒,可見在較小的煤巖體強度條件下,單一的提升煤巖體的剛度值并不能很好地改善頂板內(nèi)煤巖體的穩(wěn)定性,如圖5(a)、(b)所示;在煤巖體的強度取值為15 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內(nèi)軟弱巖層與上位巖層由發(fā)生較小離層進(jìn)而大部分垮冒轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)生輕微離層進(jìn)而小部分垮冒,如圖5(c)、(d)所示;在煤巖體的強度取值為30 MPa、其剛度取值由50 MPa增大至200 MPa時,頂板內(nèi)軟弱巖層與上位巖層由發(fā)生微小離層進(jìn)而局部垮冒轉(zhuǎn)變?yōu)槲窗l(fā)生離層進(jìn)而下位軟弱巖層發(fā)生輕微垮冒,如圖5(e)、(f)所示。

根據(jù)上述數(shù)值模擬關(guān)于不同強度、剛度條件下頂板內(nèi)煤巖體破壞演化規(guī)律得知,當(dāng)巷道頂板受小斷層構(gòu)造影響而頂板內(nèi)煤巖體較為破碎時,即此時頂板內(nèi)煤巖體的強度和剛度值也較小,當(dāng)巷道掘出后頂板內(nèi)煤巖體極易發(fā)生明顯離層進(jìn)而整體性垮冒,從而誘發(fā)嚴(yán)重冒頂來壓事故。可見,針對巷道掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造期間,需要提高頂板內(nèi)煤巖體的強度和剛度值,進(jìn)而保障巷道能夠安全高效地掘進(jìn)橫穿小斷層構(gòu)造而不發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故。

3 頂板內(nèi)煤巖體支護(hù)優(yōu)化分析

考慮到20322大采高工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷寬度為5.6 m,其跨度值相對較大,且其上方頂板內(nèi)存在厚度約為3.0 m的煤體,為了防止頂板內(nèi)煤巖體發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故,在此針對頂板煤巖體內(nèi)錨索受力情況進(jìn)行計算分析,進(jìn)而重新校核確定頂板煤巖體內(nèi)錨索的參數(shù)值。首先將寬度為5.6 m的服務(wù)平巷頂板懸露段視作兩端固支的梁結(jié)構(gòu)體,其中頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索將頂板內(nèi)淺部煤巖體錨固至深部穩(wěn)定的巖體中。頂板懸露段表面受力簡化情況如圖6所示。

圖6 頂板懸露段表面受力簡圖

根據(jù)圖6所示頂板懸露段表面受力情況,可以推導(dǎo)出其相應(yīng)的受力平衡方程組,如公式(1)所示。

(1)

式中:ΔR1、ΔR2為頂板懸露段兩端位置處支承應(yīng)力減小量,kN;F為頂板煤巖體內(nèi)錨索預(yù)應(yīng)力值,kN;b為頂板懸露段寬度值,取5.6 m;s為左側(cè)錨索與左幫的水平距離,取1.2 m.

基于公式(1)可以推導(dǎo)出頂板懸露段內(nèi)不同區(qū)間的彎矩減小量,如公式(2)所示。

(2)

考慮到頂板煤巖體內(nèi)錨索的預(yù)應(yīng)力一般取值在250 kN左右,結(jié)合公式(2)進(jìn)行計算可以繪制出頂板懸露段內(nèi)不同區(qū)間的彎矩減小量變化曲線,如圖7所示。

圖7 頂板懸露段內(nèi)不同區(qū)間的彎矩減小量變化曲線

由圖7可知,頂板懸露段中心線位置處彎矩減小量最大,為650 kN·m,而在兩側(cè)錨索錨固位置處彎矩減小量也較大,為450 kN·m.這表明對頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索進(jìn)行錨固后,彎矩在1.2 m≤x≤4.4 m區(qū)域內(nèi)減小量顯著,有效防止了頂板懸露段中部區(qū)域因彎曲變形過大而發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故。

在上述針對頂板懸露段彎矩減小量計算的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過調(diào)整頂板煤巖體內(nèi)3根錨索的施工工藝,即將兩側(cè)錨索調(diào)整為與豎直方向呈15°夾角,同時將錨索孔外部留設(shè)的足夠長度錨索采用桁架連接器連接成一個整體,最終將形成錨索桁架支護(hù)系統(tǒng)[9],此系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮錨索對于頂板內(nèi)煤巖體的控制功效。錨索桁架系統(tǒng)對于頂板內(nèi)煤巖體的控制情況如圖8所示。

圖8 錨索桁架系統(tǒng)對頂板內(nèi)煤巖體控制受力簡圖

從圖8可知,當(dāng)將頂板內(nèi)兩側(cè)錨索調(diào)整為錨索桁架系統(tǒng)后,將會對頂板內(nèi)煤巖體中部區(qū)域形成預(yù)應(yīng)力壓縮區(qū),關(guān)于預(yù)應(yīng)力壓縮強度則可以通過桁架連接器進(jìn)行調(diào)整。可見,采用錨索桁架系統(tǒng)后所形成的預(yù)應(yīng)力壓縮區(qū)內(nèi)煤巖體將會被緊密地壓縮成一個整體,從而整體上提高了此區(qū)域內(nèi)煤巖體的強度和剛度,同時頂板懸露段中心線位置處的錨索進(jìn)一步限制了頂板內(nèi)煤巖體因彎曲變形而形成較大的離層現(xiàn)象,最終實現(xiàn)對于頂板內(nèi)煤巖體的良好控制,預(yù)防頂板內(nèi)煤巖體發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故。

4 現(xiàn)場工業(yè)性應(yīng)用

4.1 優(yōu)化后的支護(hù)方案

由圖1可知,20322回風(fēng)巷掘進(jìn)期間也將會橫穿一小斷層構(gòu)造F322-2,此斷層構(gòu)造的傾角約為70°,垂直落差約為0.9 m.在此針對橫穿小斷層構(gòu)造前后50 m范圍采用優(yōu)化后的支護(hù)方案,其具體支護(hù)參數(shù)為:頂板懸露段中心線位置處選用型號為Φ21.6 mm×7 800 mm的單體錨索,采用型號為CK2335(1卷)和Z2360(2卷)的樹脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固;錨索桁架系統(tǒng)中選用型號為Φ17.8 mm×8 500 mm的單體錨索,其錨固段相應(yīng)的配套樹脂錨固劑型號為CK2335(1卷)和Z2360(2卷)。關(guān)于20322回風(fēng)巷在小斷層構(gòu)造F322-2附近的具體支護(hù)方案如圖9所示。

圖9 20322回風(fēng)巷橫穿小斷層構(gòu)造

4.2 礦壓監(jiān)測

當(dāng)采取優(yōu)化后的支護(hù)方案對20322回風(fēng)巷橫穿小斷層構(gòu)造F322-2前后50 m范圍進(jìn)行支護(hù)后,后續(xù)在此優(yōu)化支護(hù)巷道段內(nèi)每間隔10 m布置1個測站對巷道頂?shù)装遄冃吻闆r進(jìn)行監(jiān)測,一共布置KD1～KD6共計6個測點,所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔兓€如圖10所示。

圖10 頂?shù)装逡平孔兓€

由圖10中KD1～KD6的監(jiān)測結(jié)果可知,采取優(yōu)化后的支護(hù)方案對巷道圍巖進(jìn)行控制后,其頂?shù)装逡平吭?0 d左右時,最大值為158 mm,最小值為71 mm,平均值為132 mm.考慮到20322回風(fēng)巷的掘巷高度為4.3 m,其頂?shù)装逡平績H為掘巷高度的3%左右,可知該優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠很好地對頂板內(nèi)煤巖體變形下沉進(jìn)行控制,防止頂板內(nèi)煤巖體發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故。

5 結(jié) 語

1) 當(dāng)巷道頂板受小斷層構(gòu)造影響而頂板內(nèi)煤巖體較為破碎時,頂板內(nèi)煤巖體的強度和剛度值也較小,當(dāng)巷道掘出后頂板內(nèi)煤巖體極易發(fā)生明顯離層進(jìn)而整體性垮冒。

2) 對20322大采高工作面兩側(cè)的服務(wù)平巷頂板懸露段表面通過對稱式布置的3根錨索進(jìn)行錨固后,彎矩在1.2 m≤x≤4.4 m區(qū)域內(nèi)減小量顯著,有效防止了頂板懸露段中部區(qū)域因彎曲變形過大而發(fā)生較大離層甚至嚴(yán)重冒頂來壓事故。

3) 采取優(yōu)化后的支護(hù)方案對20322回風(fēng)巷橫穿小斷層構(gòu)造F322-2前后50 m范圍進(jìn)行支護(hù)后,其頂?shù)装逡平績H為掘巷高度的3%左右,可知能夠很好地對頂板內(nèi)煤巖體變形下沉進(jìn)行控制。