黃陵二礦無煤柱自成巷礦壓顯現規律研究

高文博

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦傳統回采方式,通常需要掘進2條巷道并留設保護煤柱,該方法煤炭回采效率低,巷道掘進率過高[1-3]。近些年,隨著煤礦支護技術的逐漸提升,沿空留巷技術逐漸發展[4-5],其中,何滿潮、朱珍等[6-7]提出無煤柱自成巷技術,利用頂板切縫、恒阻大變形錨索(NPR)支護技術等對沿空巷道進行設計。華心祝等[8]建立煤體與錨索支護作用下沿空巷道力學模型,對支護機理進行了系統研究?？导t普、張鎮等[9-10]采用數值模擬方法對圍巖變形規律和控制技術進行研究,提出了沿空留巷支護原則。陳勇、柏建彪等[11-12]對巷旁支護體承載特性進行了研究,得到巷旁支護體作用機制。以上學者多為針對沿空巷道的理論研究,針對無煤柱自成巷技術現場礦壓分析研究尚不充分。為此,以黃陵二礦北二巷工作面為例,分析巷道圍巖與支護系統的結構關系,探究巷道圍巖與頂板的礦壓顯現規律。

1 無煤柱自成巷圍巖—支護系統模型

無煤柱自成巷技術在使用的過程中,巷道圍巖、支護結構以及上覆巖層將會形成支護系統,其中包括:巷道圍巖自身的力學承載機制、恒阻大變形錨索(NPR)的支護強度、巷道內部其余支護體的支護強度(切頂護幫支架)、采空區矸石堆與頂板的力學結構。因此,上覆巖層的運動狀態和巷道圍巖的變形特征受制于巷道圍巖的力學性質,巷道支護結構的支護阻力,以及采空區矸石堆與頂板的結構力學特性。根據無煤柱自成巷的結構特點,建立無煤柱自成巷技術下巷道圍巖—支護系統力學模型,如圖1所示。其中力學單元模型包括:由基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體;恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結構組成的圣維南體;采空區矸石堆和頂板組成的開爾文體。

圖1 無煤柱自成巷技術下巷道圍巖—支護系統力學模型Fig.1 Mechanical model of roadway surrounding rock-support system under self-formed roadway technology without coal pillar

對于由基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體可以理解為包含損傷在內的彈塑性力學模型,其變形特征為彈性段與塑性段的相加,可以很好地表征煤巖結構的力學特性。對于由恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結構(切頂護幫支架)組成的圣維南體可理解為理想的彈塑性模型,其中彈性階段表明了巷道圍巖的前期彈性變形,塑性階段表征了在恒定受力情況下,巷道支護單元承受大變形而不發生失穩的能力,對于恒阻大變形錨索的描述較為準確。對于由采空區矸石堆和頂板組成的開爾文體,表示為隨著應力在時間長度上不發生變化,但變形量會逐漸增加,可以很好地闡釋頂板逐漸壓實在采空區矸石堆上的變形過程,其具體的變形過程由開爾文元件中的粘性單元控制。不同元件模型代表不同區域圍巖與支護系統的變形特性,其中深部煤體表現為彈性變形特性,對巷道圍巖無直接影響。巷道與支護系統表現為理想彈塑性變形特性,容易發生頂板的破斷與垮落變形。采空區與上方頂板表現為粘彈性變形特性,代表頂板垮落后逐漸壓實在矸石堆的變化過程。

2 無煤柱自成巷圍巖變形規律

無煤柱自成巷技術應用過程中,隨著頂板切落的動態變化,巷道變形共分為3個階段。第1個階段為工作面進行回采對巷道頂板產生擾動應力影響,由于采空區上方頂板尚未斷裂,因此,表現為采動的支承壓力壓縮煤體和巷道自護系統,覆巖發生大量變形;第2階段為頂板彎矩與撓度達到極限,滿足頂板破斷的閾值點,此時巷道頂板發生破斷與垮落,因為頂板的垮落過程與覆巖結構密切相關,所以在垮落的過程中會受到巖塊之間的水平擠壓力以及剪切摩擦力,覆巖結構如圖2所示。

圖2 圍巖變形第2階段覆巖結構Fig.2 Overburden structure of the 2nd stage of surrounding rock deformation

巷道變形的第2階段,頂板沿切頂線發生垮落,根據砌體梁結構理論對鉸接點的力學狀態進行分析。巷道上方頂板巖塊A與采空區上方頂板巖塊B的接觸面抗滑力fk見式(1)。

fk=(Tcosθ-Rsinθ)tanφ

(1)

式中,θ為切縫角度,(°);T為水平擠壓力,MPa;R為接觸面剪切力,MPa;φ為摩擦角,(°)。

當巖塊之間的鉸接結構發生失穩,采空區上方頂板發生回轉變形,需要滿足巖塊B向下滑動力fh>fk,其中巖塊B向下滑動力fh見式(2)。

fh=Rcosθ+Tsinθ

(2)

根據極限平衡狀態分析,即fh=fk,可推導式(3)

(3)

綜上分析,采空區上方頂板巖塊在垮落過程中,需要克服下滑的摩擦力,下滑的摩擦力與巖塊的厚度、切縫角度等參數有關,巖塊越厚擠壓力面積越大,所受摩擦力也隨之增加,切縫角度同時決定了摩擦角度的大小。為使巷道頂板所受動壓最小,要保證切縫參數的合理設計,以及保障巷道內部的支護系統具有有效的自護能力,其中,恒阻大變形錨索可以在此階段起到主要的支護作用,可以充分適應頂板的沖擊來壓以及持續大變形。

第3個變形階段為頂板破斷以后,逐漸壓實在垮落矸石堆上的持續變形過程,巷道圍巖的主要變形狀態為巷道上方頂板受采空區上方頂板發生旋轉下沉或者整體發生沉降的過程。此時沿空巷道的結構已經趨于穩定,承載力主要由采空區矸石以及上覆巖層提供,巷道與圍巖的結構模型如圖3所示。

圖3 圍巖變形第3階段覆巖結構Fig.3 Overburden structure of the 3rd stage of surrounding rock deformation

在巷道穩定階段,可推導直接頂垮落高度計算式見式(4)。

(4)

式中,MS為直接頂垮落高度,m;H為煤層厚度,m;KA為碎脹系數;SS為基本頂下沉高度,m。

根據公式分析可知,矸石的碎脹系數與基本頂垮落高度有直接關系,基本頂的下沉高度與直接頂的高度和矸石的碎脹系數有密切聯系。通過設計切頂高度可對頂板的垮落形態進行控制。根據關鍵塊結構與巷道寬度,可得關鍵塊下沉量與巷道頂板下沉量關系見式(5)。

LS/l=SS/S

(5)

式中,LS為關鍵塊長度,m;l為巷道長度,m;S為巷道頂板下沉量,m。

根據關鍵塊與基本頂碎脹關系可推導巷道頂板旋轉下沉量見式(6)。

(6)

對公式進行分析,分析不同參數對于巷道頂板旋轉下沉量的作用關系。當煤層厚度增加時,巷道控頂高度將會增加,頂板下沉量將會增加;當頂板垮落高度增加時,垮落的矸石堆將會更高,對于采空區上方頂板的支撐效果更好,頂板下沉量將會降低;當巖石碎脹系數增加時,矸石堆對于采空區上方頂板的支撐效果更好,頂板下沉量將會降低。當關鍵塊的長度越小時,采空區上方頂板的懸臂長度將會越小,頂板的下沉量將會降低。

3 巷道礦山壓力工程監測

以黃陵二礦北二巷無煤柱自成巷工作面為例,進行礦壓顯現規律的監測,用以部分驗證巷道3階段變形規律。北二巷工作面主采4號煤層,工作面煤層平均傾角5°,煤層賦存狀態較穩定,平均厚度4.5 m,頂板以粉砂巖、細砂巖為主,底板以泥巖、粉砂巖為主。在工作面開切眼方向布置2個監測測站,分別距離開切眼20 m和40 m。對巷道頂板變形量以及切頂護幫支架壓力進行監測。

巷道頂底板移近量與工作面推進距離關系如圖4所示。

圖4 巷道頂底板移近量與工作面推進距離關系Fig.4 Relations of roadway roof and floor movement and advancing distance of working face

1號測站與2號測站頂底板移近量的演化趨勢近似相同,但數值略有差異,其中1號測站頂板的最大移近量約為46 mm,2號測站的頂底板最大移近量約為115 mm?？傮w而言,頂底板的移近量共表現出3階段的演化趨勢,其中第1階段為工作面推進距離測點0～30 m,即監測的第0～15 d,此時巷道頂底板移近量無明顯變化,移近量較小,頂底板與圍巖的完整程度較高,屬于初始穩定階段。隨著工作面的逐漸推進,由30 m推進至150 m附近時,即監測的第15～60 d,巷道的動壓異常明顯,頂板發生動態破壞,由采空區上方頂板斷裂巖塊的回轉下沉作用導致巷道頂底板移近量迅速增加,在工程現場,實體煤壁側發生一定的片幫,當切縫效果較好時,片幫層度較低。此階段可稱為劇烈變形階段。當工作面繼續推進,推進至150 m,即工作面推進的第60～150 d后,頂板的動態運動基本停止,移近量處于緩慢增加的過程,即采空區上方頂板斷裂巖塊逐漸壓實在采空區矸石堆上,并逐漸達到受力平衡狀態,此階段可稱為穩定壓實階段。

在黃陵二礦無煤柱自成巷留巷期間對支架支護強度進行監測,繪制切頂護幫支架支護強度與工作面推進距離關系如圖5所示。

圖5 切頂護幫支架支護強度與工作面推進距離關系Fig.5 Relationship between support strength of roof cutting and advancing distance of working face

根據支架的監測數據可知,兩支架的演化趨勢大體相同,2號測站支架的最大支護強度為37 MPa,高于1號測站支架的最大支護強度29 MPa。在工作面推進的0～30 m,即監測的第0～15 d過程中,支架的支護強度無明顯變化,基本保持在初始支撐力,進一步驗證了此時頂板在此階段數據穩定階段。當工作面繼續推進,推進至30～150 m,即監測的第15～60 d時,支架的支護強度開始快速攀升,即表明采空區上方頂板巖塊發生動態失穩破斷,在鉸接點傳遞力學的作用下,巷道上方頂板受到劇烈影響,進入快速變形與支承壓力升高階段,直至破斷巖塊逐漸接觸并壓實到采空區矸石堆上。隨之進入穩定壓實階段,即工作面推進到150 m,工作面推進的第60～150 d后,此時支架的支護強度已經發生明顯的降低,矸石堆被逐漸壓實,頂板受到矸石堆的支撐力也逐漸增加,當矸石堆、頂板巖層、巷道圍巖、支護系統形成穩定整體以后,無煤柱自成巷達到相對穩定狀態,巷道圍巖無明顯的大變形,支護系統的工作阻力也逐漸區域穩定。綜上所述,通過對頂底板移近量以及切頂護幫支架的支護強度進行監測,驗證了無煤柱自成巷技術實施過程中,巷道圍巖存在3個變形階段,分別為初始穩定階段、劇烈變形階段以及穩定壓實階段。

4 結論

(1)無煤柱自成巷技術在使用過程中,巷道圍巖、支護結構以及上覆巖層將會形成支護系統,其中包括:巷道圍巖自身的力學承載機制、恒阻大變形錨索(NPR)的支護強度、巷道內部其余支護體的支護強度、采空區矸石堆與頂板的力學結構。力學結構中基本頂、直接頂、煤體和底板組成的損傷破裂體。恒阻大變形錨索(NPR)和其余支護結構組成的圣維南體。采空區矸石堆和頂板組成的開爾文體。

(2)頂板切落的動態變化,巷道變形共分為3個階段。第1階段為工作面回采對巷道頂板產生擾動應力影響,第2階段為頂板破斷垮落的動態變化階段,第3階段為頂板壓實在采空區的穩定過程。當煤層厚度較低、頂板垮落高度較高、巖石碎脹系數較高、關鍵塊長度越小時,頂板的下沉量將會降低。

(3)通過對黃陵二礦的礦壓規律進行監測,驗證了巷道存在3階段變形特征,其中工作面推進0～30 m為第1階段,30～150 m為第2階段,150 m之后為第3階段,歸結為初始穩定階段、劇烈變形階段以及穩定壓實階段。