張國輝

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在煤炭資源開采過程中的頂板災(zāi)害預(yù)防是煤礦安全工作的重中之重。近年來，煤礦發(fā)生頂板事故的事故起數(shù)及死亡人數(shù)均居煤礦事故中的前幾位。其中，掘進(jìn)工作面發(fā)生災(zāi)害事故最多，關(guān)鍵是由掘進(jìn)工作面的空頂所引起的，且由于開掘的卸壓作用導(dǎo)致附近圍巖應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。若在開掘后難以及時(shí)采用臨時(shí)支護(hù)及永久支護(hù)手段加以維護(hù)，則易出現(xiàn)冒頂、片幫等情況，在松軟破碎圍巖、復(fù)合頂板、斷層等條件下，此種情況尤為嚴(yán)重。了解大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性的影響因素及控制技術(shù)對(duì)礦井的安全生產(chǎn)工作意義重大。為此，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，得出了許多寶貴的結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)。孫曉明等[1]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的分步開挖進(jìn)行模擬，且在開挖完成后模擬巷道的錨網(wǎng)支護(hù)，還有掘進(jìn)巷道圍巖變形程度等和掘進(jìn)工作面之間距離的影響關(guān)系。常聚才等[2]利用數(shù)值模擬手段，對(duì)開挖前、后巷道的圍巖應(yīng)力演化過程及特征等進(jìn)行較為全面的分析，得出巷道圍巖應(yīng)力場的變化及巷道圍巖的破壞特征。宮守才[3]通過全煤巷道兩幫塑性區(qū)力學(xué)模型的建立和分析，得出在巷道塑性區(qū)的彈塑性應(yīng)力解及其寬度，推導(dǎo)并驗(yàn)證了煤幫在塑性區(qū)內(nèi)的位移表達(dá)式。李樹清等[4]通過全煤巷道兩幫塑性區(qū)力學(xué)模型的建立和分析，結(jié)合彈塑性極限平衡理論推導(dǎo)并驗(yàn)證了煤巷兩幫塑性區(qū)范圍和應(yīng)力大小公式，并基于計(jì)算公式給出了影響煤幫塑性區(qū)寬度及應(yīng)力大小的支護(hù)范圍及支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)。張華磊等[5]建立巷幫圍巖層的力學(xué)模型并結(jié)合大采高工作面回采巷道幫部圍巖的失穩(wěn)特點(diǎn)，把注漿錨索的支護(hù)方式首次用于片幫治理。謝廣祥等[6]實(shí)測分析了關(guān)于綜放工作面的回采巷道圍巖應(yīng)力分布以及支架荷載等，得出綜放面回采巷道圍巖應(yīng)力分布特征。朱德仁等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水平應(yīng)力對(duì)煤幫穩(wěn)定性影響顯著，通過采取及時(shí)有效的手段加固巷道煤幫使得水平應(yīng)力得到控制，對(duì)于保持巷道圍巖的整體穩(wěn)定性以及減小巷道圍巖的松動(dòng)破壞都有很好的效果。以上研究成果為大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)奠定了很好的基礎(chǔ)。為此，通過理論分析等手段，研究大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定性及控制技術(shù)，以期為類似條件下的大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)的圍巖穩(wěn)定性提高及控制提供參考。

1 工程概況

1.1 煤層賦存條件

曹家灘煤礦122109工作面煤層賦存條件簡單，可采2-2號(hào)煤層煤種為不粘煤，煤層厚度11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤層傾角0～4°。工作面范圍內(nèi)煤層底板標(biāo)高為+959.81～+972 m，煤層埋藏深度為294.5～341 m，平均埋深318 m左右。122109工作面煤層直接頂、基本頂板均屬易軟化的中硬類巖石。直接頂以細(xì)粒砂巖、中厚層泥巖等巖性為主，基本頂巖性以粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖等節(jié)理不發(fā)育的巖層為主，偽頂巖性以砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖為主。煤層底板主要由粉砂巖、細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖組成，是較軟類底板，屬Ⅲ(b)類。該區(qū)地貌單元可分為沙丘沙地、風(fēng)沙灘地和黃土梁峁地貌。根據(jù)前期勘探及三維地震資料，本工作面范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)斷層、巖漿巖及大的褶皺構(gòu)造，但煤層沿走向或傾向方向有小型起伏，對(duì)回采施工影響不大。工作面的順槽、切眼在掘進(jìn)過程中均沒有發(fā)現(xiàn)斷層、撓曲構(gòu)造及火成巖侵入等。

1.2 巷道平面布置

122109綜放工作面巷道布置4條，即1條主運(yùn)順槽、1條輔運(yùn)順槽和2條回風(fēng)順槽。其中主運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽平行布置于工作面一側(cè)，2條回風(fēng)順槽(內(nèi)回風(fēng)順槽、外回風(fēng)順槽)平行布置于另一側(cè)，工作面兩側(cè)外順槽將作為下一個(gè)工作面的順槽使用。主運(yùn)順槽內(nèi)裝備可運(yùn)輸煤炭的膠帶輸送機(jī)，敷設(shè)有排水、壓風(fēng)、消防灑水管路、通信及信號(hào)電纜等，兼作進(jìn)風(fēng)和行人的通道。輔運(yùn)順槽為工作面的進(jìn)風(fēng)巷，敷設(shè)有排水、壓風(fēng)、注氮、消防灑水管路等，作為工作面設(shè)備及材料的運(yùn)輸通道，兼作工作面進(jìn)風(fēng)通道。內(nèi)回風(fēng)順槽為工作面的回風(fēng)巷，敷設(shè)排水、壓風(fēng)、消防灑水管路、通信及信號(hào)電纜等。外回風(fēng)順槽為工作面的回風(fēng)巷，敷設(shè)排水、壓風(fēng)、黃泥灌漿、消防灑水管路、通信及信號(hào)電纜，兼作工作面人員行進(jìn)的通道。

1.3 巷道圍巖變形破壞特征

曹家灘煤礦122109工作面相關(guān)巷道的支護(hù)方案支護(hù)強(qiáng)度普遍較低，施工工序繁瑣，難以適應(yīng)大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)的支護(hù)速度及強(qiáng)度的需求。大斷面全煤巷道的圍巖變形破壞程度與自承能力及支護(hù)強(qiáng)度密切相關(guān)[8]。由于原支護(hù)方案存在著巷道幫部布置的玻璃鋼錨桿及配套托盤、螺母強(qiáng)度不足等問題，以及由于大斷面巷道開挖產(chǎn)生的擾動(dòng)和卸荷作用，導(dǎo)致較大范圍的圍巖破壞、裂隙擴(kuò)展，甚至是片幫現(xiàn)象。

2 大斷面全煤巷道圍巖穩(wěn)定性及控制理論

2.1 巷道圍巖穩(wěn)定性研究理論

在巷道開挖后，由于開掘時(shí)的擾動(dòng)作用使得原巖應(yīng)力由平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致原巖應(yīng)力重新分布，巷道將產(chǎn)生一部分初期變形。當(dāng)工作面開采時(shí)，在采動(dòng)作用的影響下，巷道圍巖應(yīng)力將會(huì)有一次重新分布，且圍巖應(yīng)力的重新分布規(guī)律受諸多條件限制，影響圍巖應(yīng)力重新分布的主要因素有巷道頂?shù)装?、兩幫的巖石力學(xué)性質(zhì)及圍巖的破碎程度等。

122109工作面煤層直接頂、基本頂板均屬易軟化的中硬類巖石。煤層底板主要由細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖等較軟類巖性組成，屬Ⅲ(b)類，因此這里分別研究分析巷道圍巖頂板、底板及兩幫圍巖的運(yùn)移規(guī)律。同時(shí)，根據(jù)已有的理論，可利用頂板巖層穩(wěn)定性判別式解決對(duì)于回采巷道內(nèi)高冒頂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、辨別的難題，具體公式見式(1)

(1)

式中，L為巷道跨度，m；[L]巖層的穩(wěn)定跨距，m；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；fq為強(qiáng)度的影響系數(shù)；fc為采動(dòng)的影響系數(shù)；fm為巖層的埋深影響系數(shù)；fd為地應(yīng)力的影響系數(shù)；fw為巖層的完整性系數(shù)；h為巖層平均厚度，m；Q為某一巖層承受頂板巖層所施加的載荷量，MPa。

巷道圍巖應(yīng)力受開掘擾動(dòng)作用，會(huì)導(dǎo)致巷底卸荷產(chǎn)生彈塑性變形。巷內(nèi)兩幫受垂直應(yīng)力的擠壓作用，巷道在水平應(yīng)力作用下發(fā)生底鼓。巷底發(fā)生拉應(yīng)變及兩幫下沉也會(huì)造成底鼓，巷道底板巖層流變性使得底鼓量與時(shí)間呈正相關(guān)。

2.2 大斷面全煤巷道圍巖控制理論

大斷面巷道開掘時(shí)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜使得巷道圍巖失穩(wěn)，尤其是巷道底板的穩(wěn)定性，因此巷道圍巖控制是高強(qiáng)度綜放開采的關(guān)鍵問題。根據(jù)大斷面全煤巷道破壞失穩(wěn)的機(jī)理可以知道降低巷道圍巖應(yīng)力、增加穩(wěn)定性，選擇合理支護(hù)使得大斷面全煤巷道圍巖得以很好的控制。因此，根據(jù)巷道圍巖應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度及其相互關(guān)系，選擇高效的巷道布置及支護(hù)方式，降低圍巖的水平應(yīng)力，增加圍巖強(qiáng)度，改善圍巖受力條件和賦存環(huán)境，可以有效控制大斷面巷道圍巖的變形、破壞。

結(jié)合馬念杰、丁國峰等[9-10]提出的巷道蝶形破壞理論、圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界隱性方程及塑性區(qū)形態(tài)判別準(zhǔn)則，能夠有效判斷巷道破壞形態(tài)進(jìn)而提出合理有效的支護(hù)手段。巷道圍巖破壞形態(tài)與非等壓應(yīng)力場的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞形態(tài)與非等壓應(yīng)力場的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of failure mode and non-isobaric stress field of roadway surrounding rock

塑性區(qū)形態(tài)判斷系數(shù)τ公式為

(2)

式中，a為巷道半徑，m；r，θ為塑性區(qū)邊界任一點(diǎn)極坐標(biāo)；P1為區(qū)域應(yīng)力場最大主應(yīng)力,MPa；P3為區(qū)域應(yīng)力場最小主應(yīng)力,MPa；C為黏聚力,MPa；φ為內(nèi)摩擦角,(°)；η=P1/P3>1；形態(tài)系數(shù)τ是關(guān)于C，φ，a，P1，P3的常量表達(dá)式。當(dāng)τ→∞時(shí)，巷道破壞形態(tài)為圓形；τ≥1或τ≤0時(shí)，巷道破壞形態(tài)為橢圓形；0<τ<1時(shí)，巷道破壞形態(tài)為蝶形。

3 大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)巷道支護(hù)方案

由于曹家灘煤礦122109工作面，巷道斷面凈寬6 400 mm，凈高4 200 mm，凈斷面積26.88 m2，為大斷面全煤巷道快速掘進(jìn)，在掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性及支護(hù)時(shí)的困難性，結(jié)合蝶形理論等相關(guān)理論依據(jù)，根據(jù)不同地點(diǎn)、不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巷道制定的支護(hù)方案。

3.1 巷道頂?shù)装逯ёo(hù)方案

對(duì)于曹家灘煤礦122109工作面大斷面全煤巷道，由于巷道圍巖為實(shí)體煤，硬度較低，在掘進(jìn)過程中受工作面采動(dòng)影響，容易出現(xiàn)冒頂事故。根據(jù)楊建輝等[11-13]將頂板假設(shè)為連續(xù)梁、板、鉸接拱等，分析頂板的變形失穩(wěn)過程發(fā)展特征。結(jié)合掘進(jìn)面頂板特征及組合梁理論，對(duì)巷道頂板制定針對(duì)性支護(hù)方案：采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂部采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm，共7根，錨索采用φ17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，間排距為2 200 mm×3 000 mm，每排2根。

由于巷道開掘后，周圍復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生較大的底鼓破壞。根據(jù)注漿加固、底板錨索等綜合圍巖控制技術(shù)，結(jié)合122109工作面巷道圍巖變形特征及底鼓原因，提出了留設(shè)500 mm底煤，鋪設(shè)200 mm混凝土的底板硬化的加固方案。

3.2 巷幫支護(hù)方案

煤壁發(fā)生片幫，主要是受巷道頂板壓力及煤體自身的物理力學(xué)屬性的影響，根據(jù)兩幫變形數(shù)學(xué)模型，分析煤幫的變形特點(diǎn)。結(jié)合掘進(jìn)面煤層的力學(xué)性質(zhì)及受力狀態(tài)，提出了回采幫采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，煤柱幫采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm的巷幫支護(hù)方案。

4 巷道圍巖支護(hù)效果檢測

通過針對(duì)性的支護(hù)方案，工作面回采期間，對(duì)工作面前方巷道表面位移進(jìn)行了監(jiān)測，如圖2、3所示?？梢钥闯?，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?85.2 mm；兩幫最大移近量為50.2 mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內(nèi)。由此可見，該種支護(hù)方式對(duì)曹家灘煤礦122109工作面全煤巷道圍巖穩(wěn)定性起到了控制作用，取得了良好的支護(hù)效果。

圖2 巷道頂?shù)装逡平縁ig.2 Approach amount of roadway roof and floor

圖3 巷道兩幫移近量Fig.3 Approach amount of two sides of roadway

5 結(jié)論

(1)明晰了大斷面全煤巷道圍巖失穩(wěn)的影響因素以及各因素的作用機(jī)制；通過利用頂板巖層穩(wěn)定性判別式解決巷道內(nèi)高冒頂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)、辨別的難題，并及時(shí)做出加強(qiáng)支護(hù)的應(yīng)對(duì)措施。

(2)根據(jù)巷道蝶形理論，計(jì)算出巷道的破壞形式，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出有效且及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。

(3)大斷面全煤巷道掘進(jìn)，在不同的應(yīng)力區(qū)域需要采取有針對(duì)性的支護(hù)方式，提升巷道支護(hù)效果。