基于高强稳阻吸能支柱的切顶卸压沿空留巷围岩控制技术

2023-09-02刘春晖周海洋尹嘉帝

山西焦煤科技 2023年6期

王晖,刘春晖,郝阳,,周海洋,尹嘉帝

(1.霍尔辛赫煤业有限责任公司, 山西长治 046100;2.中国矿业大学力学与土木工程学院, 江苏徐州 221116;3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 江苏徐州 221116)

传统的沿空留巷技术[1]通常以煤矸石、木棍、支柱等作为支护材料,支护能力有限,不能满足沿空留巷过程中对巷道的支护要求。切顶卸压自动成巷[2]是以何满潮院士提出的“切顶短臂梁”理论为指导的一种新型无煤柱开采技术。巷道顶板沿预定方向、预定深度成功切开后,要考虑“护得住”问题[3]. 只有有效地解决巷旁支护问题,降低顶板下沉带来的压力,将其转移到巷旁支护体,才能有效提升巷道的安全性,保证回采的安全性[4]. 然而,在切顶卸压巷旁支护施工过程中,由于木点柱和普通单体支柱支撑力不足,有可能导致掩护挡矸系统效果不佳,容易将挡矸支架压架。另一方面,回采过程中,木支柱的支护阻力在100 kN左右,受到采动压力后容易造成木支柱破坏,无法有效与巷旁支护体协同控制巷道围岩变形。因此,以霍尔辛赫煤矿3502切顶卸压沿空留巷为背景,利用数值计算,分析高强稳阻吸能支柱下与普通单体支柱顶底板变形、应力、塑性区特征,对比分析高强稳阻吸能单体支柱对于切顶卸压沿空巷道的控制优势。

1 切顶卸压沿空留巷工程概况

1.1 工程地质背景

霍尔辛赫煤矿3502综采放顶煤工作面位于矿井五盘区,该工作面北侧现未布置工作面,西侧为村庄保护煤柱线,南侧为盘区准备巷道,东侧为正在回采的3501工作面。工作面煤层底板标高为+368～+430 m. 3502工作面运输顺槽长度1 191.8 m,进风顺槽长度1 175 m,回风顺槽长度1 172.3 m,切眼长度201 m,设计推进长度701 m. 在3502工作面进风顺槽进行切顶卸压沿空留巷,3502工作面工程平面图见图1.

图1 3502工作面工程平面图

根据3502工作面进风顺槽取芯结果,顶底板岩性柱状图见图2. 进风顺槽含厚度为1 m的砂质泥岩伪顶,直接顶和基本顶分别为厚度为2.37 m和4.90 m的砂岩,因此,顶板为层状顶板。直接底为0.37 m的泥岩,遇水易膨胀软化,基本底为砂岩,厚度3.65 m.

图2 煤层顶底板综合柱状图

1.2 巷旁支护体概况

沿空留巷巷旁支护体所采用的三维纺织结构柔性模板由外部加筋纤维布和内部拉筋组成,为封闭的三维纺织结构。3502工作面进风顺槽柔模混凝土沿空留巷墙体强度不低于C50,浇灌完成后,再把混凝土打上对拉锚索加固,形成主体。

工作面每推进一个循环,拉架后,在顶网和架间锚索的掩护下,紧跟支架尾快速支设一排单体支柱。在单体支柱和顶网的支撑及掩护下,在两根单体支柱之间支设一根木点柱。挂设柔性模板前将单体液压支柱撤回,见图3.

图3 支架尾支护断面图

在单体液压支护间安装一块挡矸板(4 000 mm×3 500 mm×30 mm),挡矸板跟随工作面推进,围护待浇筑空间,见图4.

图4 挡矸板支护断面图

1.3 高强吸能单体支柱原理

高强稳阻吸能单体支柱能够产生高强支撑力,可保持恒阻支护力500 kN左右,长距离支护400～1 000 mm,单体支柱实物图、结构示意图、载荷-位移曲线见图5. 图5中的曲线为单体支柱吸能测试的5次试验结果。从图5可以看出,5次试验结果趋于一致,高强吸能单体支柱在达到额定工作阻力之前,体现出良好的线弹性特性;而当达到额定工作阻力后,体现出良好的塑性流动特性,其流动的变形(位移)量与柱杆外露段长度相等。

图5 高强稳阻吸能单体支柱实物图、结构示意图及载荷-位移曲线图

吸能单体支柱的主体部分包含柱杆、柱筒及轴承钢珠,见图6. 柱筒内壁刻一斜面,通过柱杆受到顶板的压力,带动轴承钢珠挤压柱筒,使其产生沿顶板方向的支撑力起到支护作用。

图6 高强吸能单体支柱内部结构及原理图[5]

2 数值模型

根据3502工作面及回风顺槽的几何特征和支护方式建立模型。模型采用平面应变模型,长、宽、高均为150 m,模型两侧及底部均为位移约束。模型煤岩单元采用莫尔-库伦强度模型,分别考虑普通单体支柱、高强稳阻吸能单体支柱下沿空巷道、混凝土墙的变形、应力、塑性区特征。三维模型的网格划分见图7.

图7 数值计算图

木垛支护屈服强度为100 kN,当其达到屈服强度后,丧失承载能力,其单元本构模型采用应变模型。

高强稳阻吸能单体支柱屈服强度500 kN,保持恒阻下缩,下缩距离1 000 mm,其单元采用理想弹塑性模型。

3 计算结果

3.1 变形特征

提取顺槽顶底板及附近区域的变形云图可以得到,高强稳阻吸能单体支柱有效减少了顺槽顶板下沉量,从而减轻了两帮承受顶板的压力。高强稳阻吸能单体支柱在额定工作阻力下,相比木垛支护状态,顶板下沉量减少了78%,两帮移近量减少了39%. 不同支护状态下顺槽变形云图见图8.

图8 不同支护状态下顺槽变形云图

3.2 应力特征

图9为不同支护状态下,顺槽附近垂直应力云图。从图9可以得到:1) 木垛、高强稳阻吸能单体支柱分别与混凝土墙组成了协同承载结构,共同分担上覆岩层下沉带来的应力集中。由于高强稳阻吸能单体支柱、木垛距离采空区近,承担了主要的上覆岩层重量,承受了约17 MPa的垂直应力。然而,木垛由于支护不足,不能有效控制顶板下沉。2) 高强稳阻吸能单体支柱支护下,顺槽顶板拉应力区域的应力状态得到明显改善,证明该支柱具有良好的改善应力状态的作用。

图9 不同支护状态下顺槽垂直应力分布特征图

3.3 破坏特征

图10为不同支护状态下顺槽塑性区分布特征:1) 木垛在受到上覆岩层压力作用下产生了塑性屈服,造成承载力下降,不能减少围岩和混凝土墙的塑性区范围。2) 高强稳阻吸能单体支柱能够保持500 kN的恒定支护阻力阻止顶板下沉,有效减小了混凝土墙和围岩的压力,从而减小了塑性区范围。相比普通木垛支护,高强稳阻吸能单体支柱减小了围岩86%的塑性区范围。