巷道群應力場演化特征與支護技術研究

張 劍,王俊虎,劉愛卿,王國強

(1.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部,北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京 100013; 4.西山煤電(集團)有限責任公司 杜兒坪煤礦,山西 太原 030000; 5.霍州煤電(集團)有限責任公司,山西 霍州 031400)

煤層集中巷屬于典型巷道群布置方式,有關巷道群開挖相互擾動影響因素研究已取得許多學術成果,如KAN J G等[1]研究了深井巷群鄰近巷道爆破和掘進擾動的影響因素,采用 FLAC3D模擬方法得到了巷道開挖方式和巷道群層位變化,以及是否采用錨桿支護3個因素對相鄰巷道擾動效應的影響規律;盧興利等[2]研究認為巷道群開挖應減少巷道相互間開挖擾動影響,提出先開挖支護兩側巷道,后開挖支護中間巷道的觀點;劉帥等[3]研究指出巷道群后掘巷道打破先掘巷道應力平衡,導致先掘巷道圍巖變形劇烈;姜希印等[4]研究了大巷群兩側工作面回采對其穩定性的影響,據此確定了大巷保護煤柱寬度;孫光中等[5]研究了大巷群與工作面平行布置條件下,不同保護煤柱尺寸對巷道群穩定性的影響;鄭兵亮[6]研究得出窄煤柱巷道群處于應力增高區;張向陽等[7]研究了巷道圍巖屬性對其穩定有很大影響,得出強度高巖層變形小于強度低巖層變形。開挖方式和巷間煤柱尺寸也影響著巷道群應力場分布特征和應力集中強度,但相關研究相對較少。

巷道群開挖穩定性的控制方法及技術也獲得不少相關研究成果,如孟慶彬等[8]針對淮南朱集西煤礦西翼開拓巷道群圍巖受擾動變形破壞特點,提出采用“錨網噴初次支護+預應力錨索加強支護+注漿加固”的錨網索噴注分步聯合支護技術;XIAO L G等[9]針對淮南地區某深部煤礦相鄰巷道在高地應力條件下的開挖擾動進行了研究,指出相鄰巷道擾動效應具有時空特征,應在短時間內安裝支護結構,并采取對相鄰巷道加固減少擾動的措施;于洋等[10]針對棋盤井煤礦大巷群受到鄰近巷道和雙翼工作面多次采動應力影響出現劇烈破壞狀況,提出大巷群圍巖修復加固采用“淺孔注漿+高強讓壓錨桿”和“深孔注漿+高延伸率讓壓錨索”為一體的內外圈加固技術。筆者以杜兒坪煤礦南九盤區巷道群開挖為研究對象,研究分步開挖方式下巷道群應力場的演化特征,以及煤柱寬度對應力集中強度的影響,在巷道圍巖穩定性評估的基礎上,針對性提出膠帶巷支護技術,現場應用取得良好效果,可為類似巷道群開挖支護提供有益指導。

1 巷道群應力場演化特征

1.1 巷道布置方式

杜兒坪煤礦南九盤區巷道群布置如圖1所示,其中軌道、膠帶及回風3條巷道均為布置于2#煤層的半煤巖巷道,方位為N66°E,保護煤柱寬度由上到下依次為16、20、27 m,服務于南九和南十2個盤區,預計使用年限至少15年。

圖1 杜兒坪煤礦南九盤區巷道群布置示意圖

1.2 構建數值模型

巷道群開挖處于復雜圍巖環境,掌握其應力場演化規律,為巷道支護方案設計提供指導。結合南九盤區圍巖條件,采用FLAC3D數值計算方法,構建大小為120 m×50 m×50 m的數值模型,劃分300 000節單元,如圖2所示。采用直角坐標系,xOy平面取為水平面,z軸取鉛直方向,并且規定向上為正,滿足右手螺旋法則。

圖2 FLAC3D數值計算模型圖

模型上部為自由邊界,四周和底部采用鉸支。根據地應力測量結果,z方向垂直應力為13.63 MPa,x方向水平應力為13.67 MPa,y方向水平應力為6.94 MPa,采用莫爾-庫侖本構模型,煤巖力學參數見表1[11]。井下按照軌道巷、膠帶巷及回風巷依次掘進,模擬也按此分步開挖計算。

表1 煤巖力學參數

1.3 計算結果分析

軌道巷開挖完畢后,巷道群垂直應力分布曲線見圖3(a)中巷道相對位置40～60 m區域?？梢钥闯?軌道巷兩側應力增高,煤柱和實體煤側垂直應力峰值分別為21.5、20.9 MPa,應力集中系數對應為1.58和1.54,煤柱側應力集中強度略高于實體煤側;而應力峰值位置與煤柱和實體煤側水平距離分別為3.20、2.00 m,應力峰值煤柱側大于實體煤側。16 m寬煤柱中央垂直應力為16.8 MPa,應力集中系數為1.24,明顯大于原巖應力。

(a)軌道巷開挖后

依次再開挖膠帶巷后,垂直應力分布曲線見圖3(b)中巷道相對位置60～80 m區域?？梢钥闯?膠帶巷也出現應力增高現象,與煤柱側水平距離3.07 m位置垂直應力集中強度達到峰值,應力峰值及其應力集中系數分別為21.0 MPa和1.54;與實體煤側水平距離2.14 m位置垂直應力集中強度最大,應力峰值和應力集中系數分別為20.8 MPa和1.53。20 m寬煤柱中央垂直應力達到了16.3 MPa,應力集中系數為1.20,大于原巖應力。

最后完成回風巷開挖,垂直應力分布曲線見圖3(c)中巷道相對位置80～100 m區域?？梢钥闯?回風巷同樣出現應力增高現象,煤柱和實體煤側峰值應力及其應力集中系數分別為20.3、20.2 MPa和1.49、1.48,與巷幫水平距離分別為煤柱側2.17 m、實體煤側2.04 m。27 m寬煤柱中央垂直應力為15.6 MPa,應力集中系數為1.15,仍大于原巖應力。

垂直應力峰值、應力集中系數及距巷幫水平距離與對應寬度煤柱關系曲線如圖4所示。

(a)垂直應力峰值和應力集中系數

由圖4(a)可知,巷道群采取依次分步開挖方式,因巷間保護煤柱寬度不同,巷道兩側垂直應力分布形態存在差異。隨巷間煤柱寬度增大,巷道兩側垂直應力峰值降低,煤柱寬度由16 m增大到20 m直至27 m,巷道煤柱側垂直應力峰值由21.5 MPa下降到21.0 MPa,再降低到20.3 MPa,而巷道實體煤側垂直應力峰值也由20.9 MPa下降到20.8 MPa,再降低到約20.2 MPa;相應的應力集中系數也隨煤柱寬度增大而減小,巷道兩側應力集中系數依次為1.58、1.54、1.49和1.54、1.53、1.48,煤柱寬度顯著影響巷道群應力集中強度,增大護巷煤柱寬度有助于減弱應力集中強度,減輕巷道間應力相互干擾程度。

由圖4(b)可知,煤柱寬度不僅決定垂直應力集中強度,而且也關系到應力峰值位置距巷幫水平距離大小。16、20、27 m三種寬度煤柱,巷道煤柱側垂直應力峰值位置與煤幫水平距離分別為3.20、3.07、2.17 m,隨煤柱寬度增大,水平距離呈減小趨勢;而巷道實體煤側垂直應力峰值位置與煤幫水平距離分別為2.00、2.14、2.04 m,隨煤柱寬度增加呈先增大后減小特征。巷道群采用依次分步開挖方式,煤柱側垂直應力峰值位置與巷幫水平距離大于實體煤側,表明巷道煤柱側塑性區范圍大于實體煤側。

由圖4(c)可知,煤柱寬度分別為16、20、27 m時,煤柱中央垂直應力依次為16.8、16.3、15.6 MPa,應力集中系數對應為1.24、1.20、1.15,盡管加大煤柱寬度,煤柱中央垂直應力及其應力集中系數均減小,但始終大于原巖應力,巷道開挖后始終處于高應力狀態,故支護設計應留有足夠富裕系數。

2 巷道圍巖穩定性評估

2.1 地應力對巷道穩定性的影響

地應力是引起巷道圍巖變形破壞的根本驅動力,獲取準確的地應力數據是進行巷道支護科學設計的重要抓手。在南九盤區軌道巷采用水壓致裂地應力測量方法進行了原位地應力測量[12],結果表明最大水平應力為13.67 MPa,測點埋深為497 m,垂直應力為12.43 MPa,表明南九盤區為中等地應力區[13],側壓系數為1.1,形成以水平應力為主的構造應力場?？刂苾蓭头€定是保持巷道圍巖穩定之關鍵。

地應力場類型也對巷道圍巖穩定具有重要影響[14]。進行巷道布置時,必須考慮巷道軸線與最大水平主應力之間的夾角,對于σHV型地應力場,巷道最佳布置方位為巷道軸向與最大水平主應力方向呈固定夾角,由下式確定:

(1)

式中:θ為巷道布置方位與最大水平主應力方向的夾角,(°);σH為最大水平主應力,MPa;σh為最小水平主應力,MPa;σV為垂直主應力,MPa。

南九盤區巷道布置方位為N66°E,由實測得到最大水平主應力方向為N9°E,二者夾角為57°,巷道最佳布置方位與最大水平主應力夾角經式(1)計算為65°,二者相差僅8°,見圖5。因此,巷道受到水平主應力方向影響甚小,可見南九盤區巷道群開拓延伸處于理想方位。

圖5 巷道布置方位與地應力方向關系

2.2 圍巖強度及結構對巷道穩定性的影響

南九盤區圍巖綜合柱狀圖見圖6。2#煤層頂板為典型復合頂板,由厚1.85 m砂質泥巖,厚0.55 m 2上煤層和厚1.20 m砂質泥巖組成,砂質泥巖中間夾雜薄煤線。

圖6 圍巖綜合柱狀圖

在井下巷道實地開展了圍巖結構觀察和圍巖強度測量,巷道頂幫煤巖強度分布如圖7所示?？梢钥闯?0～0.9 m為砂質泥巖,強度平均值為30.78 MPa;0.9～1.6 m為2上煤層,強度平均值為17.57 MPa;1.6～2.1 m又為砂質泥巖,強度平均值為36.33 MPa,巷道圍巖結構觀察證實2#煤層頂板確由砂質泥巖及薄煤線組成的復合煤巖頂板,但砂質泥巖和薄煤線厚度變化不定。綜合柱狀圖顯示復合煤巖頂板厚度為3.60 m,而圍巖結構觀察卻為2.10 m,相差懸殊,時薄時厚,分布極不穩定,而且發育眾多裂隙和破碎帶(見圖8),由此導致煤巖體強度大小劇烈波動,而且薄弱結構大多位于薄煤線與砂質泥巖結合部位。

圖7 頂幫煤巖強度分布

圖8 煤巖結構發育特征

錨桿支護主要作用在于控制巷道淺部圍巖阻止其離層擴容變形[15]。根據巷道煤巖復合頂板賦存特點,錨桿桿體錨固范圍位于薄煤線與泥巖層組合部位。煤巖結合部位由2種不同煤巖介質組成,又發育有裂隙等弱結構面,不僅影響錨桿錨固特性[16],削弱錨桿控制巷道淺部圍巖效果,而且巷道淺部圍巖存在離層冒落風險,故而控制巷道淺部復合煤巖頂板穩定至關重要。

3 現場試驗

3.1 基本地質條件

南九盤區2#煤層3條集中巷沿頂破底掘進,2#煤層埋藏深度為497～592 m,平均深度為540 m,厚度為1.80～2.20 m,平均2.00 m,傾角2°～6°,平均傾角3°,為近水平煤層。

3.2 膠帶巷支護方案

選擇膠帶巷進行現場支護試驗,設計其為矩形斷面,尺寸為4 600 mm×3 300 mm,采用全斷面預應力錨桿聯合錨索支護技術,膠帶巷支護設計如圖9所示。鑒于膠帶巷頂板錨桿控制的淺部圍巖由砂質泥巖和薄煤線組成,且層厚波動大、煤巖不整合接觸面易離層,根據數值模擬結果,巷幫處于應力增高區,承受較大垂直應力。因此,在頂板布置6根、兩幫各布置4根高強錨桿,其直徑為22 mm、長度為2 400 mm,極限載荷為217 kN,延伸率不低于20%;為確保錨桿桿體與巷道圍巖錨固長度和錨固效果,頂板采用1支MSCK2360和1支MSM2380錨固劑實現超長錨固,而兩幫采用1支MSM2380錨固劑確保加長錨固。為了確保錨桿控制巷道淺部煤巖形成有效的預應力承載結構[17],采用高預應力錨桿支護技術,錨桿預緊轉矩設置為400 N·m,可實現有效預應力達到70 kN以上[18]。

圖9 膠帶巷支護設計

為了加強膠帶巷淺部圍巖形成的承載結構,采用錨索加固巷道較深部圍巖,與淺部圍巖形成雙承載結構共同抵抗深部圍巖擴容變形破壞,保證巷道圍巖整體穩定,因此,在頂板布置2根、兩幫各布置2根、直徑21.6 mm錨索,其中頂板錨索長度5 300 mm;依據數值計算所得結論,煤柱幫和實體煤幫垂直應力峰值位置分別超過3.0 m和2.0 m,故左幫錨索設計長4 300 mm、右幫錨索設計長3 300 mm,其破斷載荷為520 kN。為確保錨桿錨索形成的雙承載結構穩定,采用高預應力錨索支護技術[19],錨索預緊力設置為250 kN。錨桿配套規格為150 mm×150 mm×10 mm高強度拱形托板,其承載力超過300 kN;錨索配套300 mm×300 mm×14 mm高強度方形托板,其承載力超過700 kN,以及配套球墊和減摩墊片,有利于實現錨桿錨索高預應力高效擴散和有效傳遞到深部圍巖,保證巷道圍巖安全穩定[20]。頂幫再采用厚度3 mm、寬度280 mm、長度4 200 mm/400 mm高強度W鋼帶及鋼護板和鋼筋網護表。頂幫錨桿間排距為800 mm×1 000 m,頂錨索間排距為1 200 mm×2 000 mm,左右幫錨索間排距為1 600 mm×2 000 mm。

3.3 支護效果評價

膠帶巷掘進期間進行了礦壓監測,巷道表面位移與掘進距離變化關系曲線如圖10所示?？梢钥闯?隨掘進工作面不斷向前推進,巷道變形量逐步增大,在30 m后圍巖變形趨于穩定,最終頂底板位移穩定在87 mm,兩幫位移保持在81 mm,支護效果良好。后期使用期間始終保持穩定,較好地服務于2個盤區煤炭開采,為煤礦巷道群開挖支護提供了有益的指導。

圖10 巷道表面位移變化曲線

4 結論

1)數值計算表明,煤柱側應力集中強度高于實體煤側,垂直應力峰值位置與煤幫水平距離煤柱側大于實體煤側;增大煤柱寬度,則應力集中強度減弱,煤柱尺寸影響應力集中程度,巷道開挖后仍處于高應力狀態,支護設計應留有足夠富裕系數。

2)地應力實測結果為中等水平,形成以水平應力為主的構造應力場,巷道開拓方位趨向有利于最大水平主應力方向延伸,地應力大小及方向對巷道群穩定影響較小。

3)巷道圍巖結構及強度測量證實,巷道頂板是由砂質泥巖和薄煤線組成的厚度變化不定的復合型頂板,因裂隙發育煤巖體強度波動劇烈、穩定性差,控制巷道淺部復合煤巖頂板穩定性非常重要。

4)基于圍巖評估和數值模擬結果,膠帶巷采用預應力錨桿聯合錨索支護技術,現場監測頂底板和兩幫最大位移分別為87、81 mm,井下試驗取得良好效果,為煤礦巷道群開挖支護提供了有益指導。