宋志強(qiáng)

(山西三元煤業(yè)股份有限公司, 山西 長治 046013)

近幾年各種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,社會(huì)對(duì)能源的需求量與日增長,煤炭作為能源結(jié)構(gòu)中主要的一環(huán)其需求量尤為巨大[1-3]。隨著時(shí)間的推進(jìn),越來越多的新型采煤方式被提出并應(yīng)用。其中,條帶式充填開采是一種應(yīng)用較為廣泛的新型開采方式。

由于其對(duì)煤炭開采的重要性,目前條帶式充填開采已成為學(xué)術(shù)界一個(gè)重點(diǎn)研究方向[4-10]。國內(nèi)外學(xué)者在條帶支護(hù)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,并獲得了一些重要的研究成果。例如,藍(lán)航等[11]針對(duì)深部條帶煤柱蠕變影響下地表出現(xiàn)的殘余沉降現(xiàn)象,對(duì)煤柱進(jìn)行采樣并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行蠕變滲流試驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反演得到了煤體蠕變本構(gòu)方程組及其蠕變力學(xué)參數(shù),并對(duì)條帶開采后的地表殘余沉降進(jìn)行了模擬,獲得了系統(tǒng)完整的地表沉降機(jī)制。王慶濤和邵紅旗[12]針對(duì)深部條帶開采覆巖具有富水、巖石電性差異小的問題,采用并行電法對(duì)深部條帶覆巖開采后的破壞特征進(jìn)行了研究,分析了覆巖在條帶開采后的電性特征,得出了適用于深部條帶開采孔間并行電法測試的理論準(zhǔn)則。申斌學(xué)等[13]針對(duì)榆樹灣煤炭資源開采區(qū)域不規(guī)則的問題,結(jié)合地質(zhì)條件提出了雙巷條帶式開采法,并根據(jù)榆樹灣煤礦不規(guī)則區(qū)域的形狀特征對(duì)此區(qū)域的開采方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場實(shí)踐表明,條帶式充填開采法顯著增加了不規(guī)則區(qū)域的煤炭開采效率。雖然目前針對(duì)條帶式充填開采的應(yīng)用研究取得了一定的成果,但是要徹底解決復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中條帶支護(hù)的難題,還需要做更多的研究。

為此,以山西三元煤業(yè)股份有限公司1#充填工作面支巷的具體工程地質(zhì)特征及生產(chǎn)技術(shù)條件為背景,結(jié)合三元煤業(yè)二采區(qū)以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場實(shí)地調(diào)研,綜合運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬等相結(jié)合的方法,在保證巷道安全穩(wěn)定的前提下,從節(jié)約支護(hù)成本、提高掘進(jìn)效率的角度出發(fā),提出一種能夠科學(xué)匹配條帶式充填開采快速掘進(jìn)的新型支護(hù)理念與關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程地質(zhì)概況

三元煤業(yè)1#充填工作面支巷所在煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單,煤層層理發(fā)育,局部節(jié)理較發(fā)育,受煤層間滑動(dòng)作用影響,夾矸局部增厚,頂、幫破碎。

1#充填工作面支巷3#煤層平均厚度約7.1 m,為黑色塊狀或粉末狀,經(jīng)測量普氏硬度約為0.63。3#煤結(jié)構(gòu)簡單,煤層的老底為厚度2.6 m的灰白色中粒砂巖;直接底為厚度0.2 m的黑色砂質(zhì)泥巖;老頂為厚度2.4 m的具裂隙中粒砂巖,泥質(zhì)充填,層理發(fā)育較完全,斷口參差不齊;直接頂為厚度7.12 m的黑色砂質(zhì)泥巖,泥質(zhì)膠結(jié)。

2 條帶充填開采支巷圍巖變形破壞特征數(shù)值模擬

基于三元煤業(yè)1#充填工作面支巷的具體條件,采用3DEC模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖1所示。模型的上邊界有上覆巖層載荷作用,為7.9 MPa,水平方向上的側(cè)壓系數(shù)為1.3和0.7。數(shù)值模擬采用的模型為摩爾-庫侖(M-C)本構(gòu)模型。

圖1 1#充填工作面支巷三維數(shù)值計(jì)算模型

圖2為1#充填工作面支巷掘出后圍巖在垂直方向和水平方向上位移的分布云圖。圖3為1#充填工作面支巷巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖。由圖2和圖3可知:①支巷巷道頂板的最大垂直位移為150 mm,幫部最大水平位移為159 mm;②巷道頂板邊角處發(fā)生巖層滑移,煤層與下部砂質(zhì)泥巖交界面發(fā)生滑移;圍巖塑性區(qū)主要分布于頂?shù)装寮跋锏纼蓭?兩幫的破壞方式以剪切破壞為主,幫部塑性區(qū)深度可達(dá)1.8 m;③巷道頂板的破環(huán)方式主要是拉伸破壞,塑性區(qū)范圍較小,深度達(dá)1.7 m;巷道底板為3#煤層,塑性區(qū)域深度達(dá)2.3 m,塑性區(qū)范圍較大,加劇了幫部圍巖變形和巷道肩窩變形。

圖2 1#充填工作面支巷巷道掘出后圍巖位移云圖

圖3 1#充填工作面支巷巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖

綜上所述,1#充填工作面支護(hù)巷道開挖過程中圍巖破壞的主要形式為巷道頂板下沉、煤巖交界處頂角煤層與砂質(zhì)泥巖層發(fā)生滑移,導(dǎo)致兩側(cè)煤層向巷道斷面收縮變形,剪切滑移破壞極易發(fā)生在煤層肩窩處,錨桿(索)發(fā)生明顯的剪切彎曲變形。

3 支巷快速掘進(jìn)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 頂板錨桿參數(shù)

經(jīng)由工程的地質(zhì)條件,錨桿的外露部分長度取0.1 m,錨桿為穩(wěn)定巖層而插入的長度取0.3 m,圍巖穩(wěn)定影響系數(shù)取1.2,巷道跨度取5.0 m。經(jīng)計(jì)算錨桿總長度至少為2.32 m,取為2.4 m。

錨桿的設(shè)計(jì)錨固力取127 kN,錨桿抗拉強(qiáng)度取335 MPa。代入錨桿直徑計(jì)算公式,可以得到錨桿直徑d=21.98 mm,取22 mm?？紤]到頂板巖層和實(shí)際施工情況,確定1#充填工作面支巷掘進(jìn)時(shí)頂板錨桿選用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,材質(zhì)為HRB335錨桿專用鋼材,屈服強(qiáng)度不低于335 MPa,屈服載荷127 kN,極限破斷載荷173 kN,斷后伸長率不低于20%,桿尾螺紋為M24。

為了增加圍巖表面的護(hù)表面積,同時(shí)為了配合高強(qiáng)錨桿,采用面積較大、強(qiáng)度較高的150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高強(qiáng)度托板,配合高強(qiáng)螺母、高強(qiáng)調(diào)心球墊和尼龍墊圈使用。

頂板錨桿數(shù)量根據(jù)加固拱結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度來確定,假設(shè)錨桿間距與排距相等均為a,則錨桿間排距應(yīng)滿足

(1)

式中:d為錨桿直徑,取22 mm;τ為錨桿桿體抗剪強(qiáng)度,對(duì)于HRB335材質(zhì)錨桿取370 MPa;L2為錨桿有效長度,取1.92 m;q為頂板垂直應(yīng)力,取7.9 MPa;B為巷道寬度,取5.0 m;K為安全系數(shù),取1.2。代入式(1)計(jì)算,可以得到a≤1.23 m。

頂板錨桿錨固長度Lm按照下式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中:P0為預(yù)設(shè)的錨固力,取127 kN;R為錨桿的孔半徑,取0.014 m;C0為樹脂錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度,按松軟破碎巖體考慮,取0.9 MPa。代入式(2)計(jì)算,可以得到Lm=1.58 m。

所需錨固劑長度為

(3)

式中:R錨為錨桿桿體半徑,為0.011 m;R藥為樹脂錨固劑半徑,取0.011 5 m。代入式(3)計(jì)算,可以得到L藥≈0.9 m。

3.1.2 兩幫錨桿參數(shù)

經(jīng)計(jì)算,1#充填工作面支巷巷幫潛在塑性破壞范圍約為0.56 m,選用φ22 mm×2 000 mm高強(qiáng)玻璃鋼錨桿進(jìn)行巷幫支護(hù);高強(qiáng)玻璃鋼錨桿的材質(zhì)為玻璃纖維增強(qiáng)塑料,桿體抗拉強(qiáng)度不低于300 MPa,抗剪強(qiáng)度不低于75 MPa。為了增加圍巖表面的護(hù)表面積,采用150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高強(qiáng)度托板,配合高強(qiáng)螺母、高強(qiáng)調(diào)心球墊和尼龍墊圈使用。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

理論上,錨索長度應(yīng)根據(jù)巷道圍巖擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)分布范圍來確定,如圖4所示。錨索長度用下式計(jì)算。

圖4 錨索長度計(jì)算原理圖

L=L1+L2+L3

(4)

式中:L為錨索的長度;L1為錨索露出部分的長度,取0.3 m;L2為錨索約束的有效范圍,理論上可以根據(jù)巷道掘進(jìn)后產(chǎn)生的二次擾動(dòng)應(yīng)力分布特征確定,一般情況下為確保錨索錨固端錨固在穩(wěn)定的彈性區(qū)中,L2應(yīng)取巷道表面至二次擾動(dòng)應(yīng)力區(qū)峰值位置;L3為錨索錨固端的長度,一般取2.0 m。

通過數(shù)值模擬得到三元煤業(yè)1#充填工作面支巷掘出后擾動(dòng)應(yīng)力分布云圖,如圖5所示,圖6為相應(yīng)的巷道頂板擾動(dòng)應(yīng)力分布曲線。從圖6中可以看出,當(dāng)巷道沿煤層頂板掘進(jìn)或沿煤層底板掘進(jìn)時(shí),巷道頂板應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在頂板上部6 m處。分析原因可知,當(dāng)巷道沿煤層頂板掘進(jìn)時(shí),因直接頂厚度較大且?guī)r石強(qiáng)度較低,導(dǎo)致巷道沿煤層頂板掘進(jìn)和沿煤層底板掘進(jìn)時(shí)巷道頂板擾動(dòng)應(yīng)力分布無明顯差別。

圖5 1#充填工作面順槽巷道掘出后擾動(dòng)應(yīng)力分布云圖

圖6 1#充填工作面順槽巷道掘出后擾動(dòng)應(yīng)力分布曲線

根據(jù)以上數(shù)值計(jì)算得到的應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)范圍,結(jié)合式(4),計(jì)算得到錨索總長度應(yīng)不小于L>0.3 m+6 m+2.0 m=8.3 m。

4 工程實(shí)踐

根據(jù)1#充填工作面支巷的具體工程地質(zhì)條件以及松動(dòng)破碎區(qū)圍巖的特征,并結(jié)合上面對(duì)錨桿、錨索參數(shù)的理論推導(dǎo),確定1#充填工作面支巷采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)方式。

1#充填工作面支巷寬5.0 m,高4.0 m,巷道支護(hù)方案如圖7所示。

圖7 1#充填工作面支巷支護(hù)設(shè)計(jì)方案

三元煤業(yè)1#充填工作面支巷平面布置圖如圖8所示。1#充填工作面支巷平均約316 m。1#充填工作面采用分組跳采,其中支巷命名順序?yàn)?#、5#、9#、13#、17#、21#、25#、29#、33#、37#、41#等,各支巷間距為15 m。

圖8 1#充填工作面支巷平面布置圖

為準(zhǔn)確、詳細(xì)掌握1#充填工作面支巷掘進(jìn)過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,從而為后續(xù)充填工作面快速掘進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),5#支巷采用如下礦壓監(jiān)測方案:支巷開口后2 m設(shè)置第1號(hào)測站,此后每隔27 m布置一組測站(分別為第2、3、4號(hào)測站),最后一組測站距貫通點(diǎn)處2 m(第5號(hào)測站)。共計(jì)布置5組礦壓監(jiān)測站。每組測站設(shè)置1組表面位移監(jiān)測點(diǎn)、1組頂板離層監(jiān)測點(diǎn),1組頂板錨桿(索)受力監(jiān)測點(diǎn),1組幫錨桿受力監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測儀器采用在線監(jiān)測或者電子數(shù)顯監(jiān)測。

表1和表2為1#充填工作面5#支巷錨桿錨索受力、頂板離層等監(jiān)測數(shù)據(jù),分析可得如下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律:①1#充填工作面5#支巷錨桿錨索受力以及頂板離層總體變化較小,圍巖較為穩(wěn)定;②1#充填工作面回風(fēng)順槽136 m處頂板錨桿受力變化較大,增加了約40 kN,頂板淺部位移也有一定程度增大,淺部離層總量為3.6 mm,增大了3 mm。

表1 1#充填工作面5#支巷錨桿錨索受力在線監(jiān)測結(jié)果

表2 1#充填工作面5#支巷頂板離層在線監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)論

1)基于三元煤業(yè)1#充填工作面支巷的具體條件,采用3DEC模擬軟件建立了巷道掘出后的三維數(shù)值計(jì)算模型,得到以下結(jié)論:①支巷巷道頂板最大垂直位移為150 mm,幫部最大水平位移為159 mm;②巷道頂板邊角處發(fā)生巖層滑移,煤層與下部砂質(zhì)泥巖交界面發(fā)生滑移;巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r為塑性區(qū)主要分布區(qū),剪切破壞為巷道兩幫主要破壞形式,幫部塑性區(qū)深度可達(dá)1.8 m;③拉伸破壞為巷道頂板主要破壞形式,塑性區(qū)范圍較小,塑性區(qū)域深度達(dá)1.7 m;巷道底板為3#煤層,塑性區(qū)域深度達(dá)2.3 m。塑性區(qū)范圍較大,導(dǎo)致煤體破碎擴(kuò)容變形比較強(qiáng)烈,加劇了幫部圍巖變形和巷道肩窩變形。

2)針對(duì)1#充填工作面支巷的具體工程地質(zhì)條件,采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法確定了1#充填工作面支巷的支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。最終確定:錨桿長度為2.4 m,錨桿直徑為22 mm,托盤采用面積較大、強(qiáng)度較高的150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高強(qiáng)度托板;錨桿錨固長度定為1.58 m,錨固劑長度為0.9 m,錨索長度應(yīng)不小于8.3 m。

3)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:①1#充填工作面5#支巷錨桿錨索受力以及頂板離層總體變化較小,圍巖較為穩(wěn)定;②1#充填工作面回風(fēng)順槽136 m處頂板錨桿受力變化較大,增加了約40 kN,頂板淺部位移也有一定程度增大,淺部離層總量3.6 mm,增大了3 mm。