巷道群应力场演化特征与支护技术研究

张 剑,王俊虎,刘爱卿,王国强

(1.中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部,北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013; 4.西山煤电(集团)有限责任公司 杜儿坪煤矿,山西 太原 030000; 5.霍州煤电(集团)有限责任公司,山西 霍州 031400)

煤层集中巷属于典型巷道群布置方式,有关巷道群开挖相互扰动影响因素研究已取得许多学术成果,如KAN J G等[1]研究了深井巷群邻近巷道爆破和掘进扰动的影响因素,采用 FLAC3D模拟方法得到了巷道开挖方式和巷道群层位变化,以及是否采用锚杆支护3个因素对相邻巷道扰动效应的影响规律;卢兴利等[2]研究认为巷道群开挖应减少巷道相互间开挖扰动影响,提出先开挖支护两侧巷道,后开挖支护中间巷道的观点;刘帅等[3]研究指出巷道群后掘巷道打破先掘巷道应力平衡,导致先掘巷道围岩变形剧烈;姜希印等[4]研究了大巷群两侧工作面回采对其稳定性的影响,据此确定了大巷保护煤柱宽度;孙光中等[5]研究了大巷群与工作面平行布置条件下,不同保护煤柱尺寸对巷道群稳定性的影响;郑兵亮[6]研究得出窄煤柱巷道群处于应力增高区;张向阳等[7]研究了巷道围岩属性对其稳定有很大影响,得出强度高岩层变形小于强度低岩层变形。开挖方式和巷间煤柱尺寸也影响着巷道群应力场分布特征和应力集中强度,但相关研究相对较少。

巷道群开挖稳定性的控制方法及技术也获得不少相关研究成果,如孟庆彬等[8]针对淮南朱集西煤矿西翼开拓巷道群围岩受扰动变形破坏特点,提出采用“锚网喷初次支护+预应力锚索加强支护+注浆加固”的锚网索喷注分步联合支护技术;XIAO L G等[9]针对淮南地区某深部煤矿相邻巷道在高地应力条件下的开挖扰动进行了研究,指出相邻巷道扰动效应具有时空特征,应在短时间内安装支护结构,并采取对相邻巷道加固减少扰动的措施;于洋等[10]针对棋盘井煤矿大巷群受到邻近巷道和双翼工作面多次采动应力影响出现剧烈破坏状况,提出大巷群围岩修复加固采用“浅孔注浆+高强让压锚杆”和“深孔注浆+高延伸率让压锚索”为一体的内外圈加固技术。笔者以杜儿坪煤矿南九盘区巷道群开挖为研究对象,研究分步开挖方式下巷道群应力场的演化特征,以及煤柱宽度对应力集中强度的影响,在巷道围岩稳定性评估的基础上,针对性提出胶带巷支护技术,现场应用取得良好效果,可为类似巷道群开挖支护提供有益指导。

1 巷道群应力场演化特征

1.1 巷道布置方式

杜儿坪煤矿南九盘区巷道群布置如图1所示,其中轨道、胶带及回风3条巷道均为布置于2#煤层的半煤岩巷道,方位为N66°E,保护煤柱宽度由上到下依次为16、20、27 m,服务于南九和南十2个盘区,预计使用年限至少15年。

图1 杜儿坪煤矿南九盘区巷道群布置示意图

1.2 构建数值模型

巷道群开挖处于复杂围岩环境,掌握其应力场演化规律,为巷道支护方案设计提供指导。结合南九盘区围岩条件,采用FLAC3D数值计算方法,构建大小为120 m×50 m×50 m的数值模型,划分300 000节单元,如图2所示。采用直角坐标系,xOy平面取为水平面,z轴取铅直方向,并且规定向上为正,满足右手螺旋法则。

图2 FLAC3D数值计算模型图

模型上部为自由边界,四周和底部采用铰支。根据地应力测量结果,z方向垂直应力为13.63 MPa,x方向水平应力为13.67 MPa,y方向水平应力为6.94 MPa,采用莫尔-库仑本构模型,煤岩力学参数见表1[11]。井下按照轨道巷、胶带巷及回风巷依次掘进,模拟也按此分步开挖计算。

表1 煤岩力学参数

1.3 计算结果分析

轨道巷开挖完毕后,巷道群垂直应力分布曲线见图3(a)中巷道相对位置40～60 m区域。可以看出,轨道巷两侧应力增高,煤柱和实体煤侧垂直应力峰值分别为21.5、20.9 MPa,应力集中系数对应为1.58和1.54,煤柱侧应力集中强度略高于实体煤侧;而应力峰值位置与煤柱和实体煤侧水平距离分别为3.20、2.00 m,应力峰值煤柱侧大于实体煤侧。16 m宽煤柱中央垂直应力为16.8 MPa,应力集中系数为1.24,明显大于原岩应力。

(a)轨道巷开挖后

依次再开挖胶带巷后,垂直应力分布曲线见图3(b)中巷道相对位置60～80 m区域。可以看出,胶带巷也出现应力增高现象,与煤柱侧水平距离3.07 m位置垂直应力集中强度达到峰值,应力峰值及其应力集中系数分别为21.0 MPa和1.54;与实体煤侧水平距离2.14 m位置垂直应力集中强度最大,应力峰值和应力集中系数分别为20.8 MPa和1.53。20 m宽煤柱中央垂直应力达到了16.3 MPa,应力集中系数为1.20,大于原岩应力。

最后完成回风巷开挖,垂直应力分布曲线见图3(c)中巷道相对位置80～100 m区域。可以看出,回风巷同样出现应力增高现象,煤柱和实体煤侧峰值应力及其应力集中系数分别为20.3、20.2 MPa和1.49、1.48,与巷帮水平距离分别为煤柱侧2.17 m、实体煤侧2.04 m。27 m宽煤柱中央垂直应力为15.6 MPa,应力集中系数为1.15,仍大于原岩应力。

垂直应力峰值、应力集中系数及距巷帮水平距离与对应宽度煤柱关系曲线如图4所示。

(a)垂直应力峰值和应力集中系数

由图4(a)可知,巷道群采取依次分步开挖方式,因巷间保护煤柱宽度不同,巷道两侧垂直应力分布形态存在差异。随巷间煤柱宽度增大,巷道两侧垂直应力峰值降低,煤柱宽度由16 m增大到20 m直至27 m,巷道煤柱侧垂直应力峰值由21.5 MPa下降到21.0 MPa,再降低到20.3 MPa,而巷道实体煤侧垂直应力峰值也由20.9 MPa下降到20.8 MPa,再降低到约20.2 MPa;相应的应力集中系数也随煤柱宽度增大而减小,巷道两侧应力集中系数依次为1.58、1.54、1.49和1.54、1.53、1.48,煤柱宽度显著影响巷道群应力集中强度,增大护巷煤柱宽度有助于减弱应力集中强度,减轻巷道间应力相互干扰程度。

由图4(b)可知,煤柱宽度不仅决定垂直应力集中强度,而且也关系到应力峰值位置距巷帮水平距离大小。16、20、27 m三种宽度煤柱,巷道煤柱侧垂直应力峰值位置与煤帮水平距离分别为3.20、3.07、2.17 m,随煤柱宽度增大,水平距离呈减小趋势;而巷道实体煤侧垂直应力峰值位置与煤帮水平距离分别为2.00、2.14、2.04 m,随煤柱宽度增加呈先增大后减小特征。巷道群采用依次分步开挖方式,煤柱侧垂直应力峰值位置与巷帮水平距离大于实体煤侧,表明巷道煤柱侧塑性区范围大于实体煤侧。

由图4(c)可知,煤柱宽度分别为16、20、27 m时,煤柱中央垂直应力依次为16.8、16.3、15.6 MPa,应力集中系数对应为1.24、1.20、1.15,尽管加大煤柱宽度,煤柱中央垂直应力及其应力集中系数均减小,但始终大于原岩应力,巷道开挖后始终处于高应力状态,故支护设计应留有足够富裕系数。

2 巷道围岩稳定性评估

2.1 地应力对巷道稳定性的影响

地应力是引起巷道围岩变形破坏的根本驱动力,获取准确的地应力数据是进行巷道支护科学设计的重要抓手。在南九盘区轨道巷采用水压致裂地应力测量方法进行了原位地应力测量[12],结果表明最大水平应力为13.67 MPa,测点埋深为497 m,垂直应力为12.43 MPa,表明南九盘区为中等地应力区[13],侧压系数为1.1,形成以水平应力为主的构造应力场。控制两帮稳定是保持巷道围岩稳定之关键。

地应力场类型也对巷道围岩稳定具有重要影响[14]。进行巷道布置时,必须考虑巷道轴线与最大水平主应力之间的夹角,对于σHV型地应力场,巷道最佳布置方位为巷道轴向与最大水平主应力方向呈固定夹角,由下式确定:

(1)

式中:θ为巷道布置方位与最大水平主应力方向的夹角,(°);σH为最大水平主应力,MPa;σh为最小水平主应力,MPa;σV为垂直主应力,MPa。

南九盘区巷道布置方位为N66°E,由实测得到最大水平主应力方向为N9°E,二者夹角为57°,巷道最佳布置方位与最大水平主应力夹角经式(1)计算为65°,二者相差仅8°,见图5。因此,巷道受到水平主应力方向影响甚小,可见南九盘区巷道群开拓延伸处于理想方位。

图5 巷道布置方位与地应力方向关系

2.2 围岩强度及结构对巷道稳定性的影响

南九盘区围岩综合柱状图见图6。2#煤层顶板为典型复合顶板,由厚1.85 m砂质泥岩,厚0.55 m 2上煤层和厚1.20 m砂质泥岩组成,砂质泥岩中间夹杂薄煤线。

图6 围岩综合柱状图

在井下巷道实地开展了围岩结构观察和围岩强度测量,巷道顶帮煤岩强度分布如图7所示。可以看出:0～0.9 m为砂质泥岩,强度平均值为30.78 MPa;0.9～1.6 m为2上煤层,强度平均值为17.57 MPa;1.6～2.1 m又为砂质泥岩,强度平均值为36.33 MPa,巷道围岩结构观察证实2#煤层顶板确由砂质泥岩及薄煤线组成的复合煤岩顶板,但砂质泥岩和薄煤线厚度变化不定。综合柱状图显示复合煤岩顶板厚度为3.60 m,而围岩结构观察却为2.10 m,相差悬殊,时薄时厚,分布极不稳定,而且发育众多裂隙和破碎带(见图8),由此导致煤岩体强度大小剧烈波动,而且薄弱结构大多位于薄煤线与砂质泥岩结合部位。

图7 顶帮煤岩强度分布

图8 煤岩结构发育特征

锚杆支护主要作用在于控制巷道浅部围岩阻止其离层扩容变形[15]。根据巷道煤岩复合顶板赋存特点,锚杆杆体锚固范围位于薄煤线与泥岩层组合部位。煤岩结合部位由2种不同煤岩介质组成,又发育有裂隙等弱结构面,不仅影响锚杆锚固特性[16],削弱锚杆控制巷道浅部围岩效果,而且巷道浅部围岩存在离层冒落风险,故而控制巷道浅部复合煤岩顶板稳定至关重要。

3 现场试验

3.1 基本地质条件

南九盘区2#煤层3条集中巷沿顶破底掘进,2#煤层埋藏深度为497～592 m,平均深度为540 m,厚度为1.80～2.20 m,平均2.00 m,倾角2°～6°,平均倾角3°,为近水平煤层。

3.2 胶带巷支护方案

选择胶带巷进行现场支护试验,设计其为矩形断面,尺寸为4 600 mm×3 300 mm,采用全断面预应力锚杆联合锚索支护技术,胶带巷支护设计如图9所示。鉴于胶带巷顶板锚杆控制的浅部围岩由砂质泥岩和薄煤线组成,且层厚波动大、煤岩不整合接触面易离层,根据数值模拟结果,巷帮处于应力增高区,承受较大垂直应力。因此,在顶板布置6根、两帮各布置4根高强锚杆,其直径为22 mm、长度为2 400 mm,极限载荷为217 kN,延伸率不低于20%;为确保锚杆杆体与巷道围岩锚固长度和锚固效果,顶板采用1支MSCK2360和1支MSM2380锚固剂实现超长锚固,而两帮采用1支MSM2380锚固剂确保加长锚固。为了确保锚杆控制巷道浅部煤岩形成有效的预应力承载结构[17],采用高预应力锚杆支护技术,锚杆预紧转矩设置为400 N·m,可实现有效预应力达到70 kN以上[18]。

图9 胶带巷支护设计

为了加强胶带巷浅部围岩形成的承载结构,采用锚索加固巷道较深部围岩,与浅部围岩形成双承载结构共同抵抗深部围岩扩容变形破坏,保证巷道围岩整体稳定,因此,在顶板布置2根、两帮各布置2根、直径21.6 mm锚索,其中顶板锚索长度5 300 mm;依据数值计算所得结论,煤柱帮和实体煤帮垂直应力峰值位置分别超过3.0 m和2.0 m,故左帮锚索设计长4 300 mm、右帮锚索设计长3 300 mm,其破断载荷为520 kN。为确保锚杆锚索形成的双承载结构稳定,采用高预应力锚索支护技术[19],锚索预紧力设置为250 kN。锚杆配套规格为150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托板,其承载力超过300 kN;锚索配套300 mm×300 mm×14 mm高强度方形托板,其承载力超过700 kN,以及配套球垫和减摩垫片,有利于实现锚杆锚索高预应力高效扩散和有效传递到深部围岩,保证巷道围岩安全稳定[20]。顶帮再采用厚度3 mm、宽度280 mm、长度4 200 mm/400 mm高强度W钢带及钢护板和钢筋网护表。顶帮锚杆间排距为800 mm×1 000 m,顶锚索间排距为1 200 mm×2 000 mm,左右帮锚索间排距为1 600 mm×2 000 mm。

3.3 支护效果评价

胶带巷掘进期间进行了矿压监测,巷道表面位移与掘进距离变化关系曲线如图10所示。可以看出,随掘进工作面不断向前推进,巷道变形量逐步增大,在30 m后围岩变形趋于稳定,最终顶底板位移稳定在87 mm,两帮位移保持在81 mm,支护效果良好。后期使用期间始终保持稳定,较好地服务于2个盘区煤炭开采,为煤矿巷道群开挖支护提供了有益的指导。

图10 巷道表面位移变化曲线

4 结论

1)数值计算表明,煤柱侧应力集中强度高于实体煤侧,垂直应力峰值位置与煤帮水平距离煤柱侧大于实体煤侧;增大煤柱宽度,则应力集中强度减弱,煤柱尺寸影响应力集中程度,巷道开挖后仍处于高应力状态,支护设计应留有足够富裕系数。

2)地应力实测结果为中等水平,形成以水平应力为主的构造应力场,巷道开拓方位趋向有利于最大水平主应力方向延伸,地应力大小及方向对巷道群稳定影响较小。

3)巷道围岩结构及强度测量证实,巷道顶板是由砂质泥岩和薄煤线组成的厚度变化不定的复合型顶板,因裂隙发育煤岩体强度波动剧烈、稳定性差,控制巷道浅部复合煤岩顶板稳定性非常重要。

4)基于围岩评估和数值模拟结果,胶带巷采用预应力锚杆联合锚索支护技术,现场监测顶底板和两帮最大位移分别为87、81 mm,井下试验取得良好效果,为煤矿巷道群开挖支护提供了有益指导。