周鵬舉 梁國棟 李紀寶
(中煤新集能源股份有限公司新集二礦,安徽 淮南 232000)
我國煤礦地下開采占比超過80%[1],隨著淺埋煤炭資源不斷開采與枯竭,目前正以每年10~15 m的速度逐漸向深部延伸。受到“三高一擾動”的影響,深部工作面礦壓預測和防治等問題將長期存在和更加突出[2]。
采前合理的工作面設計是保障安全開采的前提,針對深部沿空巷道圍巖穩定性這一技術問題,我國學者采用理論分析、數值模擬和工程實踐等方法[3-4],對無煤柱、小煤柱、中大煤柱等不同的工況和條件進行了研究[5-6],成果對煤柱留設和圍巖控制具有指導作用。但是深部沿空掘進巷道圍巖結構穩定性的類型和影響因素復雜、多變,還沒有普遍適用的原理和方法。
中煤新集二礦具有采深大、厚堅硬頂板、留設中等寬度煤柱等典型特點,深部工作面沿空開采過程中潛在“煤柱-頂板”失穩的問題,一直困擾著設計和生產。為了保證安全采掘工程,需要提前辨識深部沿空巷道圍巖結構特征,并分析掘進、回采過程中巷道圍巖結構的穩定性?;诖?,該文以新集二礦深部08 工作面沿空風巷為實際背景,闡釋深部沿空巷道圍巖結構特征,評估沿空掘進與回采巷道圍巖穩定性,形成適用于深部沿空巷道圍巖結構“預測-評估-控制”為核心的方法和技術,可為相似條件礦井工作面區段煤柱留設、礦壓分析等提供借鑒。
新集二礦08 工作面位于二水平1 煤組2301 采區東翼,為采區第三個1上煤工作面。待研究的深部08 工作面風巷緊鄰06 采空區(回采時間:2022年6 月—2023 年5 月),區段煤柱寬度為10 m,巷道設計全長870 m,斷面寬和高為5.2 m、3.5 m,底板標高-653.4~-676.8 m,地面標高+13.0~+26.2 m。06 工作面寬度為180 m,平均周期來壓步距15 m。08 工作面風巷布置如圖1。
圖1 深部08 風巷平面布置(m)
1上煤厚約4.4 m,單軸抗壓強度10~12 MPa。直接頂為厚約5 m 砂質泥巖,抗拉強度平均0.7 MPa;基本頂為厚約12 m 中砂巖,抗拉強度平均1.4 MPa;底板為砂質泥巖,厚約1.9 m,抗拉強度約0.6 MPa。頂底板柱狀信息見表1。
表1 工作面頂底板柱狀
當前主要問題:06 采空區回采結束時間相對較短,08 工作面風巷與06 采空區之間預留10 m 中等寬度煤柱,沿空巷道掘進過程中必然造成煤柱塑性擴展,導致局部承載強度降低。如果煤柱處于“彈-塑”過渡狀態,具有掘進誘發煤柱彈性破壞和引起頂板結構失穩的可能性,增加巷道維護和潛在危險。根據工程類比,該礦周邊的相似條件礦井深部沿空巷道在掘進或回采過程中,均出現了不同程度的巷道破壞和支護失效等情況。
因此,需要針對08 工作面風巷典型深部沿空巷道圍巖基本條件,預測和評估沿空巷道圍巖結構穩定性狀態,為下一步掘進和回采工程提供依據。
沿空巷道形成后,巷道煤壁受到采掘擾動和支承壓力變化影響,從煤壁邊緣到深部,將形成破裂區、塑性區和彈性區,其中破裂區和塑性區稱為極限平衡區。設極限平衡區的寬度L1,彈性區的寬度L2,計算公式:
式中:Kd為動壓系數;m 為煤層厚度,m;A為側壓力系數;φ為煤體內摩擦角,(°);K為應力集中系數;γ為覆巖層平均重度,kN/m3;c為煤體內聚力,MPa;β=1/A;f=tanφ',φ'為煤層與頂底板接觸面的內摩擦角,(°)。
08 風巷實際埋深約h=700 m,煤層厚度m=4.4 m,煤層內摩擦角φ=35.6°,煤層內聚力c=0.8 MPa,覆巖層平均容重γ=25 kN/m3,側壓力系數A=0.6,應力集中系數取K=1.5~2,動壓系數取Kd=1.2~1.4,β=1/A=1.67,f=tanφ'=tan15°=0.27,計算結果L1≈7~9 m,L2=5~9 m。因此,2L1≥10 m,則沿空巷道掘進后10 m 區段煤柱不存在彈性區分布(即煤柱中間的彈性區寬度為0),進一步分析得到10 m 煤柱整體處于塑性狀態。
06 工作面回采過程中,基本頂周期破斷運動的同時,能夠沿著采空區邊界形成“側向斷裂”效應。06 采空區基本頂的斷裂線位于08 工作面實體煤壁內側,根據彈性基礎梁力學模型[7],可求得基本頂斷裂線與煤壁之間的距離X0:
式中:a和b為基本頂巖梁撓曲變形方程特征解,工程上大致取a=b,根據經驗和本礦地質條件,近似取a=b=0.18 m-1;M為煤壁位置等效力矩,近似取45 MPa·m;P為煤壁受到剪力,近似取0.5×106N;N為煤壁受到軸力,近似取1.2×106N;t為Winkler 地基經驗參數,近似取500 MPa;EI為基本頂巖梁抗彎剛度,經驗取1.45×1011N·m2。
通過進一步計算分析,得到06 采空區基本頂斷裂線相鄰08 工作面煤壁之間的距離為X0≈3.7 m??紤]煤壁圍巖變形不均、局部頂板厚度和力學參數變化,預計X0≈3~5 m,平均取X0=4 m。
06 工作面回采過程中基本頂側向斷裂跨度大小,主要由06 工作面寬度和周期來壓步距等參數決定,參考“兩端固支”周期破斷力學模型的研究結果[8],確定06 采空區基本頂的關鍵巖塊側向斷裂跨度LK(單位:m),表達式:
式中:S、d分別為沿空工作面寬度和周期來壓步距,m。
根據相鄰的06 工作面寬度S=180 m、周期來壓步距d=15 m,估算06 采空區基本頂的關鍵巖塊側向斷裂跨度大小為LK=16 m,考慮基本頂厚度和力學參數變化等,預計LK=13~17 m。
工作面回采后,基本頂關鍵巖塊可能存在懸臂梁結構和砌體梁結構2 種形態。影響不同形態的主要因素或條件:開采高度、關鍵層距煤層高度。通過分析關鍵層下部巖層垮落、碎漲后是否能超過關鍵層保持穩定結構的最大回轉量,辨析關鍵巖塊“懸臂”或“砌體”形態。關鍵巖塊“懸臂”結構形成條件:
式中:ΔJ為關鍵巖塊回轉量,m;Δmax為能夠懸臂梁結構必要的最大回轉量,m;KS為關鍵層底部垮落巖層碎漲系數;hL為關鍵層距煤層高度,m;h為關鍵層厚度,m;q為關鍵層承受載荷,kN/m2;σc為關鍵層破斷巖塊等效抗壓強度,σc=0.35[σ];[σ]為關鍵層極限抗壓強度,MPa。
根據開采條件和經驗,近似取Ks=1.15、hL=5 m、h=12 m、[σ]=85 MPa、q=0.025×34.5=0.86 MPa,計算得到關鍵巖塊回轉量ΔJ=3.65 m。而能夠懸臂梁結構必要的最大回轉量Δmax=8.15 m,因此,ΔJ<Δmax,不滿足關鍵巖塊“懸臂”結構形成條件,即關鍵巖塊形成了砌體梁結構。
基于以上結果,08 風巷掘進之前,相鄰的06采空區基本頂關鍵巖塊呈砌體梁結構,關鍵巖塊長度約13~17 m,一側觸矸點位于06 采空區內,一側斷裂點位于08 工作面實體煤壁內側,留設10 m 區段煤柱處于塑性狀態。得到了08 風巷頂板圍巖結構特征與參數,如圖2。
圖2 08 風巷圍巖結構及參數(m)
深部沿空巷道圍巖結構穩定性特征,是煤柱留設、頂板結構及采掘擾動等綜合因素“耦合”的結果,其相互作用過程與結果復雜,通過數值模擬巷道頂板運動和圍巖應力等,進一步確定巷道圍巖結構穩定性。
以08 工作面沿空風巷為工程背景,建立FLAC3D數值計算模型,模型長308 m,寬300 m,高150 m,共計234 000 個單元,244 610 個節點,采用摩爾-庫倫準則,取水平應力與垂直應力一致。如圖3。
圖3 數值模擬模型
數值模擬結果如圖4。留設10 m 區段煤柱條件下,掘進期間圍巖塑性區、垂直應力和位移情況:
圖4 掘進期間模擬結果
1)巷道兩側塑性發育,煤柱處于塑性狀態,說明受到掘進擾動和側向支承應力作用,煤柱內部裂隙貫穿,不具有彈性核。
2)應力集中區域從煤柱向實體煤側轉移,煤柱雖有一定的應力集中,但相對較小,煤柱同時具有一定支承強度和保持穩定。
3)巷道掘進對圍巖變形和運動影響較大,煤柱幫變形量300~400 mm,表現為圍巖塑性膨脹和體積擴容,圍巖運動范圍偏向巷道頂底板,采空區圍巖運動不明顯。
為論證08 工作面回采期間圍巖結構穩定性,繼續在留設10 m 區段煤柱基礎上,模擬本工作面回采。參照相鄰06 工作面周期來壓步距,每次采15 m,共采150 m,如圖5 所示?;夭善陂g圍巖變形和應力演化情況:
圖5 回采期間模擬結果
1)當工作面回采150 m 時,煤柱幫變形在工作面前方50 m 處開始加速,在工作面附近變形速度達到峰值,工作面端頭處煤柱幫變形量約為400 mm,在工作面后方100 m 處趨于穩定,最大變形量達1200 mm。穩定采空區位置距回采工作面約200~300 m。
2)工作面回采150 m 時,工作面前方75 m 處煤柱內最大垂直應力開始增加,直到采空區后方110 m 處最大垂直應力達到峰值,約為37.5 MPa。
模擬得到的08 工作面風巷掘進以及08 工作面回采不同階段相應的巷道圍巖關鍵參數及特征,基本與理論分析結果相吻合。同時,巷道掘進和回采過程中,留設的10 m 煤柱與巷道圍巖、頂板形成了砌體結構,該結構基本滿足掘進及回采不同階段對采空區隔離,以及“煤柱-頂板”穩定控制等作用,并能夠保持相對的完整和穩定。
在滿足其他高應力區治理與檢驗等安全防控條件情況下,新集二礦08 工作面風巷具備了掘進和回采的基本條件。
煤柱幫與實體煤幫的支承應力有差異,應力主要集中在實體煤幫。為降低沿空巷道應力集中和增加巷道整體穩定性,實現巷道“低應力”環境,需對實體煤幫集中應力實施卸壓和檢驗。
參照《煤層鉆孔卸壓防治方法》,08 工作面風巷實體煤側潛在的高應力區采取大直徑鉆孔卸壓,卸壓孔布置參數:孔直徑150 mm、孔間距3 m、孔深10~15 m(根據實際情況微調),距迎頭小于20 m,鉆孔距巷道底板約1.0 m。鉆孔布置如圖6。
圖6 卸壓鉆孔示意圖(m)
主要采用鉆屑法檢測。通過考察每米鉆進排出煤粉量,如果超過或接近臨界指標時,說明具有高應力風險或未達到卸壓效果,同時考察鉆進時動力顯現,常見有聲響、吸(卡)鉆、鉆孔沖擊,或大于3 mm 煤粉顆粒組分超過30%等情況,作為判定卸壓效果的輔助指標,見表2。
表2 鉆屑法檢驗指標
1)深部沿空巷道圍巖結構穩定性與煤柱留設、頂板結構、采掘擾動等因素緊密相關,中等寬度煤柱需要重點分析煤柱彈塑性狀態,避免采掘期間煤柱由彈性向塑性變化造成“煤柱-頂板”結構失穩。
2)新集二礦08 工作面沿空風巷圍巖關鍵參數及特征:10 m 煤柱處于塑性狀態,06 采空區基本頂斷裂線與煤壁距離約為4 m,關鍵巖塊側向斷裂的跨度為13~17 m,關鍵巖塊形成砌體梁結構。
3)數值模擬結果表明,新集二礦08 工作面沿空風巷留設的10 m 區段煤柱,巷道掘進、回采期間巷圍巖彈性變化、垂直應力和位移結果等均可控,掘進及回采階段巷道圍巖結構保持相對穩定。
4)提出了深部沿空巷道圍巖高應力“卸壓-檢驗”技術方法,結合08 工作面風巷的基本條件和分析結果,設計了鉆孔卸壓參數和煤粉檢驗指標。