馬國偉

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033600）

沿煤掘巷快速成巷技術(shù)被廣泛應(yīng)用到煤礦掘進行業(yè)中，巷道支護穩(wěn)定性問題制約著沿煤快速成巷技術(shù)的發(fā)展。本文結(jié)合13202皮帶巷一起冒頂事故案例，深入分析研究了煤巷頂板冒落機理及其影響因素，提出了補強支護方案,為本礦類似巷道支護設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 13202皮帶巷地質(zhì)條件及冒落段概況

13202皮帶巷沿煤層頂板掘進，煤層為黑色，塊狀條帶狀均有，半暗淡型，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩(wěn)定，厚0.10～0.30m，下層夾矸厚0.10～0.90m。直接頂為泥巖,厚度0～3.26m,平均厚度2.65m，灰黑色，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)?；卷敒橹写至Ｉ皫r，厚度0～15.72m，平均厚度7.53m，灰白色，粒狀結(jié)構(gòu)。底板有一層平均厚度為0.90m的泥巖和數(shù)層較厚的中細粒砂巖，粒狀結(jié)構(gòu)。

13202皮帶巷所在煤層平均厚度為3.76m，傾角9.7°，巷道斷面為矩形，巷道寬度5.0m，高3.6m。

13202皮帶巷封閉期間在720～730m、320～960m段發(fā)生了頂板冒落事故，頂板冒落巖石幾乎充滿巷道，頂板冒高達到2～2.3m，巖塊最大約1.0×1.0×0.5m，冒落區(qū)大量的錨桿發(fā)生了破斷，錨索大部分仍懸掛在頂板之上，部分錨索發(fā)生了破斷。

2 冒頂機理分析

如圖1及圖2所示，巷道正上方被錨梁加固，不會出現(xiàn)裂縫。虛支撐點A處的裂縫向下張開，伴隨著鄰近工作面回采采動、頂板水和風化等作用，其擠壓作用和摩擦力越來越小,所有上覆巖體會沿巷道邊沿整體塌垮。又因這一過程是在礦壓作用下逐步形成的，因此一般發(fā)生在掘進頭后部已錨支區(qū)。

3 影響頂板冒落的因素

3.1 動壓影響

13202皮帶巷臨近13203工作面，兩者間凈煤柱寬度20m，13203工作面正在回采，已回采3700m左右，13203工作面在回采過程中，采空區(qū)殘余支承壓力在煤柱側(cè)集中，13202工作面皮帶巷在受到13203工作面回采期間的采動影響以及采空區(qū)側(cè)支承壓力的影響礦壓顯現(xiàn)明顯。

3.2 直接頂巖層穩(wěn)定性差

13202皮帶巷大部分頂板為灰白色細～粗粒砂巖，但局部砂巖下有一層灰色泥巖，厚度約1～2.0m，很不穩(wěn)定，容易破碎冒落。通過觀察冒落區(qū)現(xiàn)場，冒落下來的矸石為泥巖，可以判定錨桿錨固區(qū)發(fā)生了冒落，當深部錨索無有效支護時，導(dǎo)致了更大范圍內(nèi)頂板的冒落。

圖1 頂、幫支護及冒頂原理圖

圖2 巷道冒頂示意圖

3.3 巷道頂板支護強度弱

13202皮帶巷作為強動壓煤巷，雖然大部分頂板為砂巖，埋深淺，但巷道原支護設(shè)計強度偏弱，錨索間距過大，巷道頂板中部2.7×2.0m范圍無錨索，導(dǎo)致巷道頂板端部及中部無強力有效的支護強度。結(jié)合現(xiàn)場觀測：頂板冒落巖層順錨索發(fā)生脫落，而錨索仍懸掛在頂板上，說明錨索的作用沒有充分得到發(fā)揮。此外，頂板錨桿初期預(yù)緊力低，托板傳力效果差，不能夠有效擠壓圍巖，導(dǎo)致巖層逐層脫落。

3.4 巷道幫部支護弱

13202皮帶巷兩幫采用了相同的支護材料進行支護，巷道受到鄰近回采工作面動壓影響時，會發(fā)生嚴重片幫、鼓幫現(xiàn)象，兩幫移近量達到500～700mm，伴隨著幫部位移，巷道頂板跨度逐漸加大，大大降低了頂板穩(wěn)定性。

4 巷道補強支護設(shè)計

對巷道頂板進行窺視，孔深10m，間距20～30m布置一組，如圖3所示，分析巷道頂板內(nèi)部是否存在離層。根據(jù)窺視結(jié)果，巷道直接頂為泥巖且無離層，基本頂為中粗粒砂巖?；谧詿崞胶夤霸恚O(shè)計巷道補強支護方案為：巷道中部補打3根錨索，規(guī)格Φ21.6×5500mm，錨索用鋼帶串聯(lián)，間距1650mm，排距2.0m；巷道兩幫和頂板上破壞的錨桿必須重新補打，除工作面?zhèn)让簬屯猓溆噱^桿均采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ22×2600mm，配合W鋼護板，表1為具體補強參數(shù)，圖4為巷道補強支護方案圖。

圖3 鉆孔窺視探測

表1 支護方案的具體參數(shù)

結(jié)合相關(guān)礦山壓力理論，建立相似模擬物理模型并利用FLAC3D數(shù)值軟件進行一系列的模擬與驗證。通過比較分析所成巷道在采用原有支護方案以及采用加強支護方案不同條件下，巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及頂?shù)装逡七M量的大小，以分析加強支護方案的合理性，本文對FLAC3D數(shù)值相似模擬的結(jié)

果進行了切片處理，模擬的結(jié)果如下。巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律：

圖5 原有方案巷道周邊應(yīng)力分布圖

圖6 加強方案巷道周邊應(yīng)力分布圖

通過圖5、圖6中的描述，相較于原有巷道支護方案，采用新的設(shè)計加固方案，巷道圍壓逐漸增加，錨桿（索）支護起到了很好的效果，使巷道圍巖重新維持了三維應(yīng)力狀態(tài)，三維應(yīng)力狀態(tài)可以有效保障圍巖的穩(wěn)定性。綜合考慮，加固方案優(yōu)于原有方案。

巷道圍巖變形規(guī)律：

圖7 原有方案巷道圍巖變形圖

圖8 加強方案巷道圍巖變形圖

通過圖7、圖8描述，原有方案留巷穩(wěn)定后，回采幫與非回采幫的變形量分別為30mm和100mm，頂板下沉量91mm，而底板臌起量是40mm。采取加固方案的支護形式后，留巷穩(wěn)定時回采幫與非回采幫的變形量為32mm和43mm，頂板下沉量和底板臌起量分別為25mm和10mm。可以看出加固方案是優(yōu)于原有方案的。

5 結(jié)論

（1）通過分析巷道冒頂機理，得出巷道頂板冒落失穩(wěn)危險點即當巷道上覆巖層失穩(wěn)后，巖體沿巷道頂板邊緣整體塌跨。

（2）13202皮帶巷為強烈動壓巷道，直接頂為泥巖，穩(wěn)定性較差。通過縮短錨索間距，采用“高預(yù)緊力、高強度錨桿（索）、網(wǎng)+鋼帶”支護方案，可有效預(yù)防冒頂事故的發(fā)生。

（3）從原有方案到新的加固方案，不管是應(yīng)力集中還是應(yīng)力峰值的位置都在向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中系數(shù)逐漸減小，加固方案的改變能有效地減少和控制巷道周圍破碎區(qū)和巷道表面位移，且對圍巖的穩(wěn)定有重大的影響。