郝 佩
(山西焦煤 西山煤电集团斜沟矿,山西 吕梁 033602)
随着煤矿开采机械化与智能化水平的发展,矿井产能日益增大,为满足高强度开采需求,协调采掘平衡,回采巷道普遍布置于煤层中,煤层巷道存在顶层厚度大,围岩强度低,巷道变形严重等特征[1]. 尤其是在特厚煤层综合放顶煤开采条件下,煤层回采巷道将会受到强烈的动载作用,使围岩产生严重的冲击破坏。多位学者对特厚煤层条件下巷道应力冲击显现特征进行了研究。潘一山等[2]建立了深部条件下厚煤层的复合冲击致灾模型,探讨了煤层开采过程中的应力冲击影响因素。姜福兴等[3]探究了应力冲击的迟滞性特征,提出了高地应力蠕变冲击机理,并推导了蠕变冲击判定公式。夏永学等[4-5]探究了煤层大巷在地质构造条件下的复合冲击机制,并提出了超长孔水平分段压裂防治巷道冲击地压技术。吴拥政等[6]通过建立深部冲击地压影响下巷道力学模型,总结了卸压与支护的协调防冲击原理。焦建康等[7]根据实际工程问题,提出了深部卸压+浅部加强支护+表面联合支护的围岩支护体系。斜沟矿采用理论分析与数值模拟方法,探究了厚煤层条件下巷道应力冲击显现特征,并提出了特厚煤层巷道让压支护技术,以提高巷道围岩稳定性。
斜沟矿23110工作面位于13#煤层21采区,工作面倾斜长度平均242.45 m,可采走向长度2 811.6 m,工作面煤层厚度平均14.53 m,属于特厚煤层,煤层倾角平均7.9°,采用综放开采方式。两巷沿煤层底板掘进,顶煤厚度为8～10 m,属于特厚煤层回采巷道,23110泄水巷宽4.8 m、高3.7 m,采用锚网索联合支护方式,具体支护形式见图1. 巷道顶板为煤、碳质泥岩与泥岩等岩性较弱的岩体,容易受到强烈的开采扰动影响,尤其是在顶煤放出的来压过程中,易产生剧烈的顶板下沉与变形,并具有显著的应力冲击特征,造成大冒顶现象与煤壁崩裂片帮现象。其中,顶板冒落会导致锚索瞬时拉伸破断,锚杆连同顶煤松脱滑落,煤壁片帮时会伴随有煤块与碎屑的喷射现象,对工作面安全生产造成了隐患。
图1 巷道原有支护系统
根据特厚煤层巷道布置条件,对巷道顶板形成的板壳结构建模,见图2[8]. 假设巷道顶板为均匀且连续的弹性介质,则可得到顶板的挠度方程,见式(1):
(1)
图2 厚煤层条件下巷道冲击破坏力学模型
式中:D为板壳结构的抗弯刚度,N/mm2;ω(x,y)为板壳结构的挠度方程;Fx、Fy、Fxy为板壳结构不同方向的受力,N.
考虑到此模型为二维结构,可将式(1)转换为式(2):
(2)
将模型边界设置为简支边界条件,见式(3):
(3)
则满足该边界条件的挠度方程见式(4):
(4)
式中:A为挠度方程中的常量;a为巷道上方煤层梁结构的长度,可近似表示为巷道的宽度,m;m为正数参数,m≥1.
将式(4)与式(2)进行联立可得到式(5):
(5)
进而可得:
(6)
式中:E为巷道上方煤层梁结构的弹性模量,GPa;μ为巷道上方煤层梁结构的泊松比;h为巷道上方煤层梁结构的厚度,m.
当m=1时,得到巷道上方煤层梁结构的最小破坏阈值应力σcr见式(7):
(7)
忽略应力波接触模型边界时的透射波与反射波,则可将巷道上方煤层梁结构所受的应力σs表示为静应力与动应力组合的形式,即式(8):
σs=σj+σde-ηl
(8)
式中:σj为巷道上方煤层梁结构静载应力,MPa;σd为动载应力,MPa;η为动载能量衰减系数;l为应力波传播距离,m.
当σcr<σs,可得到式(9):
(9)
根据式(9)分析可知,巷道上方煤层梁结构发生应力冲击破坏的强度与围岩所受的静应力,冲击应力与梁结构的长度呈正比,而与梁结构强度、梁结构厚度、应力波传播距离呈反比关系。对于巷道支护而言,应尽可能地降低巷道上方梁结构的离层量,增加梁结构的强度与厚度,以提高围岩抵抗应力冲击的能力。
3.1 数值模型的建立
根据23110泄水巷的地质条件,采用FLAC3D建立数值模型(图3),模型长100 m,宽105 m,厚10 m. 模型采用摩尔-库伦强度准则,根据实际地应力,在模型的水平方向施加15.6 MPa的水平应力和6 MPa的地应力,同时固定模型的底部边界。首先采用静力加载方式使模型达到初始地应力平衡状态,随后采用动力加载方式,在冲击震源位置设置频率为50 Hz的余弦式应力波,应力冲击荷载为60 MPa(1×107J),以此模拟厚煤层开采条件下产生的应力冲击对巷道围岩的矿压显现特征。根据斜沟煤矿13#煤层与顶底板钻孔取芯测试的岩石力学数据,确定数值模拟岩性参数见表1.
表1 数值模拟岩性参数
图3 巷道围岩应力冲击数值模型
3.2 应力冲击时空演化特征
为探究在冲击震源影响下,巷道围岩的动力响应特征,对不同应力冲击传播时间下的应力波波速进行监测,得到应力冲击时空演化特征,见图4. 根据图4可知,冲击震源位置的震动能量会以震源位置为中心,以球面形式向岩层内部快速传播,在应力波传递的过程中引发岩层内部微观质点的震动,质点的震动又进一步消耗应力波的能量,使传递波速逐渐降低。在传播时间为0 s时,震源附近具有最高的传播速度,约为0.56 m/s,并且不受方向的限制。当传播时间为0.02 s时,应力波已经传递到巷道区域位置,此时,应力波速度已经下降至0.13 m/s,在0.03 s时,由于围岩吸收了能量,应力波的传递速度进一步下降,仅传递至巷道两帮区域,波速约为0.082 m/s. 当应力波传递时间为0.06 s时,影响区域囊括了巷道底板位置,此时巷道底板岩层仅产生质点的低速震动消耗残余应力波能量。
应力波的时空演化特征类似于“水波”传递,巷道围岩的质点震动速度存在顶板>帮部>底板的物理特征。因此,在冲击应力作用下,巷道围岩在顶板与帮部承受强烈的应力扰动作用。顶板与帮部的应力向巷道内部空间传播,由于巷道内部空间无固体介质,应力将会大幅度作用于巷道的刚性支护结构,最终导致支护结构的失效。同时由于应力的“水波”传递特征,巷道围岩会由浅入深发生分层次破坏,导致围岩的多级破裂,同时在顶板表现为拉伸破坏形式,在帮部产生剪切破坏形式。在巷道的支护设计中应基于围岩的动力学受力特征进行设计。
4.1 多级让压支护设计
根据数值模拟结果可明确得出冲击应力作用下的围岩力学响应特征,因此,可针对性地采取支护措施。在传统的特厚煤层巷道支护中,由于锚杆的预紧力低,锚固深度浅,锚固界面统一失稳,循环冲击作用下锚索疲劳损伤,导致巷道围岩浅层表面完整性差、深层围岩离层量大等问题。根据岩层中应力的“水波”传递特征,选用了多级让压支护技术,即在巷道顶板中采取短锚索+中锚索+长锚索的多级支护体系,由浅入深地增加巷道围岩的支护性能,锚索的可拉伸性有助于将冲击荷载转换为锚索的轴力,通过让压管对轴力进行缓冲卸压,降低锚索的颈缩,也降低了锚索的损伤程度,通过梯次让压的形式增加锚索支护系统抵抗循环应力冲击波的能力。支护设计见图5.
图5 厚煤层巷道多级让压支护设计
4.2 工程应用
为检验支护方案设计的可靠性,对围岩的变形量以及锚杆锚索的轴力情况进行分析,结果见图6,由图6(a)可知,优化后巷道顶板、底板、帮部变形量分别降低了52.89%、68.78%、60.19%. 由图6(b)可知,采用多级让压支护方案的锚索轴力最大值不超过25 kN,同时不同支护位置与支护深度的锚索具有近似的轴力分布区间,表明支护体系处于均匀受力状态,相比于原有支护体系具有更可靠的长期稳定性。
图6 厚煤层巷道多级让压支护条件下矿压特征
1) 采用板壳力学理论建立了厚煤层条件下巷道冲击破坏力学模型,通过分析表明巷道上方煤层梁结构发生应力冲击破坏的强度与围岩所受的静应力,冲击应力与梁结构的长度呈正比,而与梁结构强度、梁结构厚度、应力波传播距离呈反比。
2) 运用数值模拟方法探究斜沟矿23110泄水巷在应力冲击下的围岩动力学响应特征,分析表明应力波的时空演化特征类似于“水波”传递,巷道围岩的质点震动速度存在顶板>帮部>底板的物理特征。巷道围岩会由浅入深发生分层次破坏,导致围岩的多级破裂,同时在顶板表现为拉伸破坏,在帮部产生剪切破坏。
3) 根据理论分析与数值模拟结果,提出了多级让压支护体系,通过梯次让压的形式增加锚索支护系统抵抗循环应力冲击波的能力。监测结果表明围岩变形量降低,支护体系处于均匀受力状态,相比于原有支护体系具有更可靠的长期稳定性。
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