杨鹏彬,张 瑾,段 凯,申创华
(山西锦兴能源有限公司, 山西 吕梁 035300)
随着我国煤矿产能的日益增长,其开采强度也随之增强,巷道强矿压显现时有发生,增加了矿井生产成本,威胁着矿井安全生产[1-2]。强矿压显现是煤岩体中聚集的能量缓慢或突然大量释放,破坏煤岩体,造成人员伤亡和井巷及设备破坏的矿井动力灾害；
当能量缓慢释放时,强矿压主要以巷道大变形的方式显现[3-5]。而当矿井同时开采两层煤时,下煤层回采必然受到上煤层开采的影响,当采掘接续紧张时,下煤层回采巷道围岩先后经历了掘进、上煤层工作面开采、本煤层上区段工作面开采、本工作面超前支承压力的影响,导致围岩持续变形,时常会发生强矿压显现问题[6-7]。
为解决上述问题,我国采矿工作者展开了大量的研究。张传玖[8]以布尔台煤矿42204工作面为工程背景,分析了上覆遗留煤柱条件影响下下煤层回采巷道的强矿压问题,提出了水压致裂弱化顶板的治理方法,现场试验表明,压裂后顶板周期来压步距减小、来压强度降低,有效减小了过煤柱期间的强矿压显现问题。孙向峰[9]针对某矿厚煤层工作面回采巷道底鼓的问题,提出了底板切槽卸压的方案,切槽深度为3 000 mm、宽度为400 mm,现场实践表明，该技术可有效减少巷道底鼓变形,使得巷道底鼓量平均降低了53.8%。张军华、吴燕等[10]针对红石岩煤矿回采巷道底鼓严重的问题,提出了在巷道底板切槽卸压治理的方法,确定切槽参数为深1 200 mm、宽600 mm,并进行了现场试验,取得了良好的应用效果。高晓旭、石新禹等[11]针对应力型底鼓形式,提出了“帮脚锚杆+底角锚杆+混凝土”的复合支护技术,实测结果表明,优化支护后巷道底板底鼓量最大不超过16 mm,底鼓最大变化量不超过2 mm/d。杨冉、郝兵元等[12]针对南关煤业巷道底鼓问题,提出了多因素底板切槽参数的确定方法,并制定了南关煤业底板切槽参数为深度4 000 mm,宽度300 mm,现场实践表明,该方法使得巷道底鼓量降低了49.1%。
本文基于肖家洼煤矿8号煤层与13号煤层同采的技术条件,以其221302材料顺槽强矿压显现、底鼓严重为工程背景,提出采用底板切槽卸压技术减少巷道底鼓量,并采用数值模拟的方法预计了底板切槽卸压降低底鼓的效果。
1.1 煤层开采概况
肖家洼煤矿位于山西省吕梁市兴县,井田范围属于河东煤田,目前同时开采8号及13号煤层。其中，8号煤层属于二叠系山西组地层,13号煤层属于石炭系太原组地层,属于该煤田内典型的“石炭-二叠”双系煤层开采矿井,两层煤层间距70 m左右。8号煤层采用综采，13号煤层采用综采放顶煤的方法开采。目前,13号煤层回采巷道围岩变形严重,属于巷道围岩内聚集的能量缓慢释放的表现,强矿压显现导致巷道支护多次补强、底板多次起底(如图1所示)，增加了工人的劳动强度,提高了巷道维护成本,影响了矿井安全生产,亟需对13号煤层回采巷道强矿压显现问题进行治理。
图1 巷道底板鼓起
在肖家洼煤矿井田范围内,选取两个采区中间部分1 000 m×1 000 m范围为研究对象,其地表等高线如图2所示；
选取其周边钻孔,对其岩层分布情况进行分析,作为双煤层同采工作面数值模型建立的依据,结果汇总见表1。
表1 岩层分布情况汇总
图2 研究区域地表等高线
1.2 221302材料顺槽概况
在工作面回采的基础上,以13号煤层221302工作面材料顺槽为例,分析巷道围岩变形机理及强矿压控制技术,其顶底板岩性见表2所示。
表2 221302材料顺槽顶底板岩性
当前,221302工作面材料顺槽宽5.4 m,高3.7 m,支护方式为锚杆索联合支护。顶板每排采用7根Φ20 mm×2 200 mm螺纹钢锚杆,间排距800 mm×800 mm；
每排采用3根Φ21.6 mm×11 500 mm锚索,间排距1 600 mm×1 600 mm,三三布置。巷道采煤帮布置4根Φ27 mm×2 200 mm玻璃钢锚杆,间排距900 mm×800 mm。巷道非采煤帮布置4根Φ20 mm×2 200 mm螺纹钢锚杆,间排距900 mm×800 mm。在上述支护条件下,该巷道围岩变形严重,通过对巷道顶底板移近量和两帮移近量的实地观测可知,巷道累计两帮移近量最大达到700 mm以上;巷道累计顶底板移近量达到1 450 mm以上,且以底板鼓起量为主。期间为了保证巷道的正常使用,对底板进行了3次起底作业,每次起底后在底板喷混凝土100 mm硬化。综上所述,明确13号煤层回采巷道的围岩应力演化机理,揭示其围岩变形特征,提出适用于肖家洼煤矿的巷道围岩变形防治技术措施,是亟需解决的工程难题。
2.1 采场数值模型及模拟流程
为确定13号煤层回采巷道从掘进开始的全历程围岩应力分布特征,根据1.1节中所划定的研究区域,结合矿井实际地表的等高线及表1中各地质分层的厚度,建立三维数值模型,模型长度1 000 m，宽度800 m，如图3所示。
图3 双煤层开采数值模型
由图3可知,模型中包含从地表至太原组内全部岩层。其中，在8号煤层和13号煤层中分别布置4个工作面：8号煤层工作面长度为264 m,13号煤层工作面长度为250 m,区段煤柱均为30 m,上下煤层工作面内错27 m布置,如图4所示。
(a)8号煤层工作面
由图4可知,数值模型中将8号煤层和13号煤层分别设置了两个采区,每个采区布置两个工作面。在肖家洼煤矿的实际开采过程中,采用了采区间跳采的方式对两个煤层进行开采。因此,在模拟过程中,工作面的回采按照8-1-1工作面→8-2-1与13-1-1工作面→8-1-2与13-2-1工作面→8-2-2与13-1-2工作面→13-2-2工作面的顺序进行开采,且13-2-2工作面的推进只模拟一半。将图4(b)中的红色虚线范围设置为监测区域,以分析其超前支承压力对巷道围岩应力场的影响。
2.2 巷道数值模型及模拟流程
为模拟221302材料顺槽的变形特征,根据表2中参数建立巷道数值模型,共划分5个煤岩层。模型高度为43.86 m,模型宽度设置为50 m,巷道尺寸为5.4 m×3.7 m,数值模型如图5所示。
图5 221302材料顺槽数值模型
根据2.1节中流程进行数值模拟后,可以将13号煤层回采巷道的围岩应力场演化过程划分为4个阶段:①掘进阶段(未受二次扰动);②受上区段工作面侧向支承压力影响;③受8号煤遗留煤柱影响;④受本工作面超前支承压力影响。在以上4个阶段内选取特征位置,提取6个纵剖面内的应力场分布情况。其中，①～③阶段内各取1个特征位置，④阶段内选取3个特征位置(分别为距离工作面70，40，10 m),将上述特征位置依次编号为①～⑥号,其位置如图4(b)中黑色短线所示。巷道模型的应力边界以采场模型中4个阶段内的6个纵剖面处模拟所得的应力为依据,这6个应力边界的依次施加反演了13号煤层回采巷道的应力演化过程。因此,将巷道模型的厚度设置为1 m,以准确反演各个纵剖面的应力状态。
通过Fish语言将各特征位置的垂直应力逐步施加至巷道模型作为应力边界。以上方法的实现过程中,主要包括以下两部分内容。
1)各特征位置的垂直应力提取。在提取过程中,以巷道模型建立的尺寸为依据,本文中巷道模型的最上层为老顶岩层,高度为43.86 m,模型宽度为50 m。因此,在上述6个特征位置的老顶岩层上部设置测线(50 m),确定测线起始坐标,通过Fish语言,按照一定的间隔设置应力提取点,将各点的应力值依次提取并保存为txt文件,提取各特征位置下的测线垂直应力分布曲线。
2)各特征位置的边界应力施加。将提取出的6条垂直应力曲线按照节点数量分别填入FLAC3D软件中的Table数据栏中,通过Fish语言调用功能,利用apply命令,按照开采顺序逐步添加至巷道模型的上表面,作为应力边界。
2.3 13号煤层回采巷道围岩应力场演化过程
为了更好地反演肖家洼煤矿13号煤层巷道在不同阶段下的围岩应力场,根据2.2节所述方法,按照43.86 m×50 m的范围,在2.1节数值模拟不同开采条件下的老顶岩层上表面应力值进行提取,包括:①模拟区域未受影响时应力曲线;②模拟区域受上区段工作面侧向支承压力影响时应力曲线;③模拟区域受8号煤遗留煤柱影响时应力曲线。绘制曲线如图6所示。
图6 侧向支承压力及8号煤遗留煤柱影响下应力曲线
由图6可知,未受扰动情况下,模型应力边界基本为一水平线,各点应力值平均为7.01 MPa,以此作为本章数值模拟初始平衡的应力边界,再根据图中曲线对应力边界上各节点应力值逐步加载。当本工作面开始回采后,为了研究超前支承压力对巷道围岩应力场的影响,分别在距离工作面70,40,10 m位置选取剖面,提取应力值如图7所示。
图7 超前支承压力分布曲线
由图7可知,当本工作面开始回采后,其超前支承压力对巷道围岩产生了较大影响,且随着与工作面距离的增加,影响逐渐减小。以图6、图7中6条曲线为巷道数值模型的应力边界条件,分别模拟计算不同阶段内巷道围岩移动变形情况。
3.1 现支护条件下巷道围岩变形
基于以上数值模拟方法,以221302材料顺槽当前支护参数为依据,建立巷道数值模型(如图8所示)；
再根据图6、图7中应力曲线逐步设置应力边界条件,对各种情况下巷道的位移情况进行分析,包括顶板下沉量、底板鼓起量、两帮移近量。
图8 221302材料顺槽现支护方案数值模型
由于数值模拟中采用了摩尔库伦弹塑性本构模型,因此在上部边界应力的作用下模型被不可避免地整体压缩,导致在云图图例中直接读取的顶板下沉值和底板鼓起值与实际计算结果存在偏差。因此,以巷道两帮中间节点的垂直移动值为基础,将其与初始状态下的节点纵坐标的差值作为修正参数,将图例中顶板下沉值与修正参数相减,底板鼓起值与修正系数相加，最终得到相应参数的变化值。
3.1.1顶底板变形结果分析
221302材料顺槽在现支护条件下的垂直位移云图如图9所示。
(a) 未受二次扰动
由图9可知,221302工作面材料顺槽从开挖掘进开始,巷道围岩垂直位移不断增加,主要表现为巷道顶板下沉和底板鼓起。巷道在未受到二次扰动条件下,顶板下沉值为112 mm,底板鼓起值为336 mm，如图9(a)所示;巷道在受到上区段工作面侧向支承压力影响条件下,顶板下沉值为171 mm,底板鼓起值为418 mm，如图9(b)所示;巷道在受到8号煤层遗留煤柱影响条件下,顶板下沉值为196 mm,底板鼓起值为458 mm,如图9(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承压力影响条件下,距离工作面70 m时,顶板下沉值为262 mm,底板鼓起值为543 mm,如图9(d)所示;距离工作面40 m时,顶板下沉值为290 mm,底板鼓起值为577 mm,如图9(e)所示;距离工作面10 m时,顶板下沉值为335 mm,底板鼓起值为617 mm,如图9(f)所示。数据汇总见表3所示。
表3 现支护巷道顶底板垂直位移模拟结果
由表3可知,目前的支护形式对巷道顶板下沉起到了一定的控制作用,但由于未对底板进行支护,使得底板鼓起严重,且在受到侧向支承压力及本工作面超前支承压力时,底鼓增量最为明显。
3.1.2两帮移动变形结果分析
221302材料顺槽在现支护条件下的水平位移云图如图10所示。
(a) 未受二次扰动
由图10可知,221302工作面材料顺槽从开挖掘进开始,巷道围岩水平位移不断增加,主要表现为巷道两帮向巷道轴线的移近。巷道在未受到二次扰动条件下,左帮移近量为126 mm,右帮移近量为126 mm，如图10(a)所示;巷道在受到上区段工作面侧向支承压力影响条件下,左帮移近量为198 mm,右帮移近量为208 mm,如图10(b)所示;巷道在受到8号煤层遗留煤柱影响条件下,左帮移近量为230 mm,右帮移近量为240 mm,如图10(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承压力影响条件下,距离工作面70 m时,左帮移近量为326 mm,右帮移近量为336 mm,如图10(d)所示;距离工作面40 m时,左帮移近量为363 mm,右帮移近量为372 mm,如图10(e)所示;距离工作面10 m时,左帮移近量为422 mm,右帮移近量为426 mm,如图10(f)所示。数据汇总如表4所示。
表4 现支护巷道两帮水平位移模拟结果
由表4可知,目前的支护形式对巷道两帮围岩变形起到了一定的控制作用,在受到侧向支承压力及本工作面超前支承压力时,两帮移近量增量最为明显。
综上所述,现支护方案在一定程度上减少了巷道围岩的移动变形,但由于在底板中未做支护处理,因此巷道底鼓现象较为严重,已经成为了该巷道维护的主要问题。鉴于此,本文提出了采用底板切槽卸压的方法,以降低底板鼓起量,减少巷道维护成本。
3.2 巷道底板切槽卸压后围岩变形
3.2.1底板切槽卸压参数
底板切槽卸压参数主要包括切槽的深度和宽度。其中,切槽深度决定了底板应力释放的范围,由于当切槽深度小于巷道宽度的一半时,切槽范围内的岩层抵抗变形的能力较小,对底鼓的治理效果将会大打折扣,因此现场施工时,切槽深度一般大于巷道宽度的一半。卸压槽宽度的选取与底板岩性有关,当底板岩层为中等强度的岩性时,卸压槽宽度约为0.3～0.4 m；
底板岩层岩性强度较低时,卸压槽宽度应略大于此值。
肖家洼煤矿221302材料顺槽宽5.4 m、高3.7 m,且底板为泥岩,较为软弱。根据上述巷道底板切槽卸压的工程经验,对于肖家洼煤矿221302材料顺槽,底板切槽深度应略大于巷道宽度的一半(2.7 m),故本文中确定切槽深度为3 m;由于底板强度较低,切槽宽度应略大于0.4 m,故切槽宽度确定为0.5 m。根据以上底板切槽参数,运用数值模拟方法,在现支护条件下,对巷道底板进行切槽,从巷道围岩垂直位移和水平位移两个方面出发,对其底鼓治理效果进行预测分析,切槽后数值模型如图11所示。
图11 底板切槽数值模型
3.2.2顶底板变形结果分析
221302材料顺槽底板切槽后巷道围岩垂直位移如图12所示。
(a) 未受二次扰动
由图12可知,巷道在未受到二次扰动条件下,顶板下沉值为119 mm,底板鼓起值为185 mm，如图12(a)所示;巷道在受到上区段工作面侧向支承压力影响条件下,顶板下沉值为169 mm,底板鼓起值为277 mm，如图12(b)所示;巷道在受到8号煤层遗留煤柱影响条件下,顶板下沉值为192 mm,底板鼓起值为318 mm，如图12(c)所示;巷道在受到本工作面超前支承压力影响条件下,距离工作面70 m时,顶板下沉值为264 mm,底板鼓起值为401 mm，如图12(d)所示;距离工作面40 m时,顶板下沉值为288 mm,底板鼓起值为434 mm，如图12(e)所示;距离工作面10 m时,顶板下沉值为331 mm,底板鼓起值为475 mm，如图12(f)所示。将上述底板切槽条件下顶板下沉值及底板鼓起值数据汇总,与未切槽条件下的计算结果进行对比,见表5所示。
(f) 超前工作面10 m
表5 巷道顶底板垂直位移模拟结果
由表5可知,相较于底板未切槽巷道,当底板切槽后,顶板下沉值基本不变;但底板鼓起值显著降低,在超前支承压力影响前,底鼓值预计降低30.57%～44.94%；
当受到超前支承压力影响后,降低幅度有所减小,但仍保持在23.03%～26.15%范围内。
3.2.3底板切槽后巷道围岩水平位移
由图13所示,221302工作面材料顺槽底板开挖卸压槽后,巷道在未受到二次扰动条件下,左帮移近量为172 mm,右帮移近量为165 mm，如图13(a)所示;受到上区段工作面侧向支承压力影响条件下,左帮移近量为217 mm,右帮移近量为226 mm，如图13(b)所示;受到8号煤层遗留煤柱影响条件下,左帮移近量为238 mm,右帮移近量为251 mm，如图13(c)所示;受到本工作面超前支承压力影响条件下,距离工作面70 m时,左帮移近量为329 mm,右帮移近量为346 mm，如图13(d)所示;距离工作面40 m时,左帮移近量为358 mm,右帮移近量为366 mm，如图13(e)所示;距离工作面10 m时,左帮移近量为441 mm,右帮移近量为445 mm，如图13(f)所示。将上述底板切槽条件下巷道两帮移近量值数据汇总,与未切槽条件下的计算结果进行对比,见表6所示。
(a) 未受二次扰动
由表6可知,底板切槽对巷道两帮的移近量影响有限,仅在巷道切槽后初期使得两帮变形量较未切槽时增大30%,其余各阶段内切槽对两帮移近量影响均较小。
表6 巷道两帮水平位移模拟结果
1)肖家洼煤矿13号煤层回采巷道强矿压显现的应力源主要包括:掘进、上区段工作面侧向支承压力、8号煤遗留煤柱、本工作面超前支承压力;
2)提出了“大-小”模型衔接巷道变形模拟方法,先通过大模型(采场模拟)模拟得出巷道围岩的应力分布,并将其结果提取,通过Fish语言施加在模拟巷道的小模型中作为其应力边界。通过以上方法,就可在巷道模型中考虑其周边采场对其应力场的影响。
3)基于肖家洼煤矿221302材料顺槽实际支护条件,反演了其不同阶段的巷道围岩移动变形量,并针对底鼓现象,提出了采用巷道底板切槽卸压的防治方法；
通过数值模拟手段预计在超前支承压力影响前,底鼓值预计降低30.57%～44.94%,当受到超前支承压力影响后,降低幅度有所减小,但仍保持在23.03%～26.15%范围内。