朱曉慶

（同煤集團(tuán)雁崖煤業(yè)有限公司，山西 大同037031）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對(duì)煤炭的消耗量與日俱增，2012年我國煤炭開采總產(chǎn)量達(dá)到36.6億噸，然而在此過程中，煤礦安全問題并未得到根本性的改變，每年都有數(shù)以千計(jì)的工人死于煤礦事故，尤其是在煤礦頂板事故及其控制技術(shù)方面，從2001年后，頂板事故死亡人數(shù)開始超過瓦斯、涌水等單項(xiàng)事故死亡人數(shù)，在煤礦事故中開始占據(jù)主導(dǎo)地位，其所占比例從1998年的26.5%逐漸增加到2006年后的40%左右，并有進(jìn)一步上升的趨勢(shì)（見圖1）。

圖1 各類事故死亡人數(shù)所占比例

巷道跨度及頂板巖性無疑是影響巷道頂板穩(wěn)定性的兩大重要因素〔1－3〕，為適應(yīng)機(jī)械化開采的發(fā)展，巷道跨度逐漸增加，尤其是回采面切巷部分，在同煤集團(tuán)雁崖煤礦二疊紀(jì)山4＃層三盤區(qū)的8301首采工作面，其切巷跨度達(dá)到7.8m，給頂板的變形破壞帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)，此外，該切巷上部存在較厚的高嶺巖、煤線、泥巖等軟弱圍巖，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的發(fā)揮。本文以上述切巷為研究對(duì)象，分析大跨度巷道頂板冒落破壞的機(jī)理，提出“重減跨－強(qiáng)護(hù)表－建整體”的支護(hù)理念，并進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，效果良好。

1 工程概況

雁崖煤礦8301工作面位于1070水平，山4＃層三盤區(qū)西翼。工作面西部、南部為實(shí)煤區(qū)，東部為盤區(qū)輔運(yùn)巷、皮帶巷、回風(fēng)巷，北部為8302工作面，正在掘進(jìn)中。工作面距上部14＃煤層層間距為270～330m，距地表的距離為400～458m。設(shè)計(jì)走向長度2072.4～2106.6m，可采走向長度1842.5m，傾斜長度228m，煤層厚度為3.4m，容重1.47t／m3。

山4＃煤層為半亮型、暗淡型煤，玻璃光澤，塊狀，總厚度為2.9～4.2m，煤層中普遍含有2～3層夾石，局部含有1層夾石，夾石巖性為黑色炭質(zhì)泥巖，灰黑色砂質(zhì)泥巖，灰褐色高嶺巖。直接頂以高嶺巖為主，老頂為泥巖，二者之間還含有1層煤線，軟弱頂板總厚度達(dá)到20多米，詳細(xì)地質(zhì)情況見圖2。

圖2 鉆孔地質(zhì)柱狀

2 大跨度切巷特厚軟弱頂板破壞機(jī)理分析

造成巷道頂板冒落破壞的本質(zhì)是圍巖體的破碎，而破碎則由眾多裂縫相互交錯(cuò)形成，當(dāng)拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度后，頂板出現(xiàn)拉裂縫，而剪應(yīng)力超過巖體的抗剪強(qiáng)度后，頂板也會(huì)產(chǎn)生剪裂縫。對(duì)于雁崖煤礦8301工作面切巷來說，巷道的大跨度和頂板的軟弱巖體無疑是造成巷道頂板冒落破壞的重要因素。

2.1 跨度對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)，巷道頂板可以簡(jiǎn)化為均布載荷q和兩端張力S作用下兩邊固支的無限長薄板進(jìn)行計(jì)算（見圖3）。

圖3 巷道頂板計(jì)算模型

對(duì)撓度曲線方程式（1）進(jìn)行求導(dǎo)：

可推導(dǎo)得到最大撓度為：

式中：w為巖層撓度，m；n、an為系數(shù)；l為巖層寬度，m；S為巖層張力，kN／m；E為巖層彈性模量，MPa；h為巖層厚度，m；μ為巖層泊松比。

由式（2）可知，隨著巷道跨度的增加，其頂板最大下沉量呈4次函數(shù)增加，對(duì)于8301工作面切巷，其跨度為該工作面順槽跨度（4.8m）的1.625倍，其它條件不變時(shí)，前者變形是后者的6.97倍。頂板下沉量的增加勢(shì)必引起下表面巖體內(nèi)部拉應(yīng)力的上升，而巖體的抗拉強(qiáng)度往往只有抗壓強(qiáng)度的1／10左右，使得巖體率先出現(xiàn)拉裂縫。在頂板穩(wěn)定性控制時(shí)，應(yīng)采取一定的措施，盡量降低頂板的跨度。

2.2 巖性對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響

頂板巖性對(duì)其穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在自身對(duì)外部荷載的承載力和對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力兩個(gè)方面，8301工作面切巷頂板是20多米厚的高嶺巖、煤線和泥巖等軟弱巖體，該類巖體裂隙發(fā)育、粘聚力和內(nèi)摩擦角小，尤其是兩層巖體之間的煤線，使原本不良的頂板地質(zhì)條件變得更加惡劣，下部高嶺巖和上部泥巖在煤線處發(fā)生離層的可能性增加，巖體整體性下降，承受外部荷載的能力較低。此外，軟弱巖體的彈性模量較硬巖低，根據(jù)式（2），彈性模量的下降也增加了頂板的表面沉降，加速了頂板的變形破壞。

頂板巖性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載影響方面，隨著支護(hù)技術(shù)的提高，錨桿、錨索是目前常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)技術(shù)的要求，錨桿錨索得到良好支護(hù)效果的前提就是要有一定厚度的穩(wěn)定巖體，為錨桿、錨索支護(hù)效果的發(fā)揮提供足夠的抗拔力。軟弱圍巖中安裝錨桿后，錨固劑在錨桿與巖層之間形成的粘結(jié)力降低，使錨桿在達(dá)到屈服荷載前就發(fā)生滑動(dòng)，阻礙支護(hù)效果的發(fā)揮；即便通過加長錨固來消除上述影響，在錨固段，錨桿自身拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為巖體的剪應(yīng)力，當(dāng)巖體抗剪強(qiáng)度不足時(shí)，錨固段周圍巖體發(fā)生剪切破壞，使錨桿滑動(dòng)，支護(hù)性能降低。

3 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制研究

3.1 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制機(jī)理分析

根據(jù)第2章分析可知，控制8301工作面切巷頂板穩(wěn)定性的本質(zhì)是減小巷道跨度、增加頂板巖體抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，特此提出“重減跨－強(qiáng)護(hù)表－建整體”的支護(hù)理念。

（1）重減跨。減小頂板跨度對(duì)8301切巷的穩(wěn)定性控制具有質(zhì)的作用，但考慮到綜采機(jī)械的需要，實(shí)際跨度又不可能縮減太多，為此，采用木垛和單體液壓支柱組建“活動(dòng)減跨結(jié)構(gòu)”，來減小頂板跨度，同時(shí)又不影響采煤機(jī)具的布置。具體做法如下：在巷道中部布設(shè)承載力較大的方形木垛，頂板兩側(cè)布設(shè)單體液壓支柱，二者頂部架設(shè)π形鋼梁支承上部巖體荷載。隨著綜采液壓支架的布設(shè)到位，逐步拆除上述支承結(jié)構(gòu)。

（2）強(qiáng)護(hù)表。減跨措施是一種被動(dòng)支護(hù)，尤其是木垛，雖然其承載力較高，但只有使巷道發(fā)生變形后，該結(jié)構(gòu)才能起到支護(hù)作用，而在這個(gè)變形過程中，巷道頂板往往發(fā)生拉裂或剪切破壞。因此，除了減跨支護(hù)結(jié)構(gòu)外，頂板還需要布設(shè)錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)設(shè)施。

在軟弱圍巖中，錨桿支護(hù)作用機(jī)理更側(cè)重于組合梁理論，在預(yù)緊力作用下形成的壓縮區(qū)相互重疊，最終形成壓縮梁來抵抗上部荷載作用（見圖4），在圖中可以發(fā)現(xiàn)，錨桿預(yù)緊力形成的壓縮區(qū)并不是一個(gè)完整矩形，彼此錨桿之間仍然存在非壓縮區(qū)，頂板變形后，上述區(qū)域巖體將率先發(fā)生破壞，為了控制這些薄弱區(qū)域，在8301工作面頂板支護(hù)時(shí)，增加強(qiáng)護(hù)表結(jié)構(gòu)—W型鋼帶，利用W型鋼帶將錨桿聯(lián)系到一起，提高了錨桿支護(hù)的整體性，更重要的是，鋼帶的增加承擔(dān)了頂板下沉產(chǎn)生的拉應(yīng)力，降低了頂板巖體內(nèi)部的拉荷載，保護(hù)了頂板的穩(wěn)定性。

圖4 錨桿支護(hù)機(jī)理及其不足

（3）建整體。巷道支護(hù)是整體工程，頂板巖體最終要坐落于兩幫上，兩幫的穩(wěn)定與否，直接決定頂板的穩(wěn)定。在加強(qiáng)頂板支護(hù)的同時(shí)，也要重視兩幫的支護(hù)，建立巷道的整體支護(hù)系統(tǒng)。為此，在8301巷切巷主要采取“錨桿＋金屬網(wǎng)＋鋼帶”的聯(lián)合控幫技術(shù)。

3.2 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制技術(shù)實(shí)施

根據(jù)文章研究，結(jié)合礦區(qū)以往工程案例，8301切巷掘進(jìn)時(shí)采用兩次成巷技術(shù)，掘進(jìn)跨度分別為4.8m和3.0m，詳細(xì)支護(hù)參數(shù)如下：

（1）8301工作面切巷頂板支護(hù)。單體液壓支柱：距兩幫0.5m，排距1200mm；井字形木垛：一次成巷靠近工作面?zhèn)炔贾茫啪嗤瑔误w液壓支柱。

左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22mm、長度為2500 mm，間排距為600mm×1000mm；配合W型鋼帶，規(guī)格為長×寬×厚＝5100mm×250mm×4mm及長×寬×厚＝3300mm×250mm×4mm；錨索直徑為17.8mm、長度為5300mm，間排距為1500mm×2000mm，每排5根錨索，配300mm×300mm×16mm普通方鐵托板；金屬網(wǎng)為50 mm×50mm。

（2）8301工作面切巷兩幫支護(hù)。左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，Φ22mm×2000mm，間排距為900mm×1000mm，每排3根錨桿；配合W型鋼帶，規(guī)格為450mm×280mm×4 mm；金屬網(wǎng)為50mm×50mm。

（3）效果檢測(cè)。在8301切巷施工過程中，通過對(duì)頂板觀測(cè)，其下沉量變化規(guī)律見圖5。

圖5 掘巷過程中切巷頂板沉降變化規(guī)律

由圖5知，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力釋放，頂板下沉量逐步上升，一次成巷過程中，頂板下沉量為20.6mm；受二次成巷的擾動(dòng)，原本穩(wěn)定的頂板繼續(xù)下沉，開挖完成11天后，基本保持穩(wěn)定，二次成巷過程中，頂板沉降量為11.4 mm，為一次成巷的55.47%。整個(gè)切巷成巷過程中，頂板最大下沉量為32.4mm，滿足切巷安全使用的要求。

4 結(jié)語

通過雁崖煤礦8301工作面切巷實(shí)踐，對(duì)大跨度切巷特厚軟弱頂板破壞機(jī)理及控制技術(shù)，得到以下主要結(jié)論：

1）巷道頂板下沉量隨著巷道跨度呈4次函數(shù)增加，彈性模量較低的軟弱巖性也加速了8301工作面切巷頂板的下沉，同時(shí)也增加了錨桿錨固段巖體剪切破壞的概率，阻礙了錨桿支護(hù)效果的發(fā)揮。

2）減小巷道跨度對(duì)切巷頂板穩(wěn)定性控制具有質(zhì)的作用，同時(shí)，加強(qiáng)頂板支護(hù)整體性及提高巖體抵抗拉荷載的能力也決定著頂板穩(wěn)定性控制的效果。

3）實(shí)踐表明，“重減跨－強(qiáng)護(hù)表－建整體”的支護(hù)理念具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，8301工作面切巷成形全過程中，頂板最大沉降量為32.4mm，保證了巷道的安全生產(chǎn)。

〔1〕孔祥義，吳士良 .綜放大斷面煤巷錨網(wǎng)支護(hù)礦壓規(guī)律〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2001，3（1），8－10，55.

〔2〕梁賽江 .深井綜放工作面支承壓力分布及圍巖控制研究〔D〕.青島：山東科技大學(xué)，2007.

〔3〕韋四江，勾攀峰，于春生 .大斷面破碎硐室圍巖蠕變模擬及控制技術(shù)〔J〕.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2013，30（4）：489－494.