陳曉慶

（霍州煤電集團(tuán)大地煤業(yè)有限公司，山西 吉縣 042202）

0 引 言

煤層在沉積構(gòu)成期間經(jīng)常夾帶有軟弱夾矸層，這些軟弱夾層使得巷道圍巖的強(qiáng)度及完整性降低，當(dāng)軟弱夾層位于頂板時，容易發(fā)生頂板離層，甚至冒頂事故，而當(dāng)軟弱夾層位于巷道兩幫時，容易引起巷道片幫、煤柱外錯滑移、錨桿脫落等事故，嚴(yán)重威脅井下安全生產(chǎn)[1-2]。

目前，對于巷道支護(hù)的研究主要集中于深部高應(yīng)力環(huán)境下的大變形巷道支護(hù)，通過分析井下應(yīng)力特征，提出以提高錨固強(qiáng)度及注漿加固的方式優(yōu)化支護(hù)參數(shù)；對于含軟弱夾層巷幫破壞機(jī)制的研究相對較少，已有的研究表明，軟弱夾層改變了巷道的破壞準(zhǔn)則，且夾層位置的不同對于巷道應(yīng)力集中程度、圍巖穩(wěn)定性及錨固性能的影響具有顯著的差異[3-5]。

本文以桑峨煤礦12305 輔運(yùn)巷為工程背景，針對厚煤層含軟弱夾矸巷道開采過程中出現(xiàn)巷幫擠出、外錯滑移的現(xiàn)象，通過現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬的方法探究了巷道副幫滑移失穩(wěn)機(jī)理，并提出了針對性的支護(hù)方案，為類似條件的巷道支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

桑峨煤礦井田內(nèi)主要可采煤層為2上、2、3、9 號煤，均為近水平煤層，煤層間開采順序為下行式開采。其中，2 號煤層位于山西組下部，煤層厚度0.60～4.47 m，平均厚度2.62 m，煤層層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，煤層直接頂板為粉砂巖、泥巖，底板為泥巖；3 號煤層位于山西組下部，上距2 號煤層0.35～2.40 m，平均1.08 m，煤層厚度0.50～1.90 m，平均厚1.04 m，為薄-厚煤層，3 號煤層頂板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖、粉砂巖，煤層層位穩(wěn)定，含夾矸0～1 層，結(jié)構(gòu)簡單，屬大部可采的穩(wěn)定煤層。2、3 號煤層頂?shù)装寰唧w情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

由于開采初期2、3 號煤層為極近距離煤層，在首采區(qū)范圍內(nèi)，兩層煤之間的夾層厚度為0.3～2.10 m，平均僅為1.03 m，且夾層巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，強(qiáng)度小、易破碎、穩(wěn)定性差，不宜支護(hù)。單獨開采2 號煤層后，3 號煤層將無法開采，故設(shè)計將2、3 號煤層及其夾層矸石一并采出，在2+3 號煤層一采區(qū)內(nèi)布置大采高綜采工作面。12303 工作面為首采工作面，巷道沿2 號煤層頂板布置，12305 工作面與其相鄰。

2 巷道圍巖變形破壞特征

2.1 巷道外部破壞特征

在工作面回采后，對12305 輔運(yùn)巷圍巖變形情況跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)巷幫有明顯的向采空區(qū)側(cè)滑移的現(xiàn)象，滑移錯動距離達(dá)到20～40 cm。另外，由于夾矸大部分為泥巖，強(qiáng)度低，遇水后容易膨脹變形，因此，在巷幫夾矸層周圍出現(xiàn)了大面積片幫及夾矸擠出，導(dǎo)致網(wǎng)片嚴(yán)重兜矸，托盤破壞及錨桿斷裂等安全隱患頻發(fā)。

為了揭示巷道受工作面采動影響的圍巖變形規(guī)律，在12305 輔運(yùn)巷超前工作面100 m 范圍內(nèi)進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測，共布置2 個測點進(jìn)行觀測。

巷道圍巖變形規(guī)律如圖1 所示，在超前工作面100 m 范圍內(nèi)，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?2 mm，兩幫收斂量最大為13 mm。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，巷道在超前支承壓力范圍內(nèi)的變形量不大，但巷道煤柱幫沿夾矸層向采空區(qū)側(cè)錯動滑移的距離達(dá)到了80 cm，說明巷道滑移變形主要受相鄰工作面回采的影響，本工作面的采動對其影響不大。

圖1 巷道圍巖變形規(guī)律

2.2 巷道內(nèi)部破壞特征

在距工作面200 m 處布設(shè)窺視鉆孔，鉆孔布置如圖2 所示。頂板布置3 個鉆孔，孔深均為10 m，其中，靠近兩幫的1 號及3 號鉆孔與垂直線傾斜60°布設(shè)；兩幫各布置3 個鉆孔，孔深均為3 m，靠近底板的6 號及9 號鉆孔與水平線成30°夾角。

圖2 窺視鉆孔布置圖

通過觀測得出巷道圍巖的內(nèi)部破壞特征如下：

1）頂板的3 個鉆孔內(nèi)均出現(xiàn)有較多的垂直裂隙，副幫側(cè)鉆孔內(nèi)的垂直裂隙發(fā)育程度較高，表明頂板有側(cè)向水平位移的趨勢。垂直裂隙主要分布在頂板3～6 m 的范圍內(nèi)，6 m 之外的頂板完整度較好，表明頂板的破壞松動范圍在6 m 之內(nèi)。

2）巷道兩幫受夾層的影響，破壞較明顯。巷道正幫夾矸層附近向里1.6 m 的范圍內(nèi)煤體破碎，并出現(xiàn)鉆孔堵塞的現(xiàn)象，2.5 m 之外的煤體較為完整；巷道副幫2 m 范圍內(nèi)的裂隙發(fā)育程度高，隨后裂隙逐漸減少，巷幫內(nèi)部3 m 之外的煤體較為完整。根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果得出巷道圍巖的破壞松動特征如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖破壞特征

2.3 泥巖夾矸層性質(zhì)分析

桑峨煤礦2 號與3 號煤層之間存在近1 m 厚的泥巖夾層，其強(qiáng)度較低，在巷道開挖及工作面回采時會逐步擠出，存在較大的安全隱患。因此，需要對夾層的成分性質(zhì)進(jìn)行分析，在工作面夾矸層中取樣進(jìn)行X—礦物成分衍射分析，得出該夾層為黏土礦物泥巖，主要成分為蒙脫石及高嶺石，其含量分別為57%、25%。高嶺石的吸水性極強(qiáng)，且易軟化，蒙脫石遇水后易膨脹變形，可塑性強(qiáng)。由分析結(jié)果可知，該夾矸層性質(zhì)軟弱，因此巷道頂板及煤柱幫也就容易沿著該軟弱層面滑移失穩(wěn)。

3 巷道變形數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D有限差分模擬軟件，根據(jù)桑峨煤礦工程地質(zhì)條件及煤層賦存特征建立模型，模型尺寸為：長×寬×高=100 m×100 m×50 m，模型頂部施加5.4 MPa 的應(yīng)力邊界條件，以模擬上覆巖層壓力，模型四周及其底部施加位移及速度邊界條件。模擬中，煤巖體單元的破壞采用庫倫摩爾本構(gòu)模型，模擬中各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

模擬結(jié)果如圖4、圖5 所示，巷道兩幫有明顯的外錯滑動，實體煤側(cè)的巷幫向自由空間擠出，位移量達(dá)到了90 mm 左右，靠采空區(qū)側(cè)的煤柱幫沿夾層錯動，位移量達(dá)130 mm，導(dǎo)致巷道呈倒臺階式的變形。由圍巖塑性區(qū)分布特征可知，巷道主要以拉破壞和剪切破壞為主，集中出現(xiàn)在巷道的兩幫，其中副幫側(cè)的塑性破壞深度達(dá)到了4 m 左右。另外，巷道頂板上方垂直應(yīng)力較集中，最大應(yīng)力值為10 MPa，且呈單峰式分布，表明巷道頂板承載的支承壓力較大，容易發(fā)生事故。

圖4 巷道塑性區(qū)分布特征

圖5 巷道垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)上述分析可知，相鄰工作面回采的側(cè)向支承壓力使得巷道頂板承受較大的應(yīng)力集中，使其垂直裂隙發(fā)育程度較高，而軟弱夾層的存在，為頂板圍巖及巷幫向采空區(qū)側(cè)的錯動位移提供了滑移面，在采動應(yīng)力的作用下，發(fā)生滑移失穩(wěn)，導(dǎo)致了巷道的變形難以控制，這就是含軟弱夾層巷幫滑移失穩(wěn)的機(jī)理。

4 含弱夾矸巷道支護(hù)方案

4.1 含弱夾層巷道對策

根據(jù)自然平衡拱理論，當(dāng)巷道兩幫進(jìn)行了有效支護(hù)后，頂板上方的平衡拱會逐漸縮小，而對于含軟弱夾層的巷道，其頂板及兩幫都容易垮落，上方的平衡拱會逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致頂板冒落。因此，加強(qiáng)對巷幫的控制時保證軟弱夾層巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵。如圖6 所示。

圖6 巷道自然平衡拱演化

進(jìn)行巷道支護(hù)設(shè)計時，若自然平衡拱的高度較小，則僅使用錨桿即可對其進(jìn)行控制，若自然平衡拱的高度超過了錨桿的支護(hù)范圍，則需采用錨索對錨桿支護(hù)范圍外的平衡拱進(jìn)行加固，使圍巖整體處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以提高巷道穩(wěn)定性。根據(jù)桑峨煤礦含軟弱夾層巷道的破壞機(jī)理，提出了頂板、兩幫差異化控制原則，并建立了含軟弱夾層巷道的平衡拱支護(hù)模型，如圖7 所示。圖7 中，h為自然平衡拱的拱高，m；H為煤層巷道的高度，m；Lz為巷道正幫（回采幫）的破壞深度，m；Lf為巷道副幫（煤柱幫）含軟弱夾層處的破壞深度，m；W0為煤層巷道的寬度，m。

圖7 含弱夾矸層巷道支護(hù)模型

4.2 支護(hù)方案

根據(jù)含軟弱夾層巷道滑移失機(jī)理及自然平衡拱支護(hù)模型，對巷道具體支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

1）巷幫錨桿支護(hù)參數(shù)。根據(jù)圍巖剪切破壞機(jī)理，巷道兩幫的破壞深度為：

式中：L為巷幫破壞深度，m；φ為巷幫煤體內(nèi)摩擦角，取 °；H為巷道高度，取m。

根據(jù)現(xiàn)場實測可知，12305 輔運(yùn)順槽正幫軟弱夾矸處的破壞深度為2.5 m，副幫軟弱夾矸處的破壞深度為3.0 m，說明理論計算值要偏小。因此，綜合分析認(rèn)為兩幫的支護(hù)錨桿長度應(yīng)為2 400 mm，由于副幫的變形較嚴(yán)重，需在其夾矸處補(bǔ)打一排長度為4 000 mm 的加長錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)工程經(jīng)驗，為便于施工管理，幫錨桿排距定為1 000 mm。

2）巷道頂錨索長度確定。根據(jù)自然平衡拱理論，頂板自然平衡拱的拱高可由下式計算：

式中：W0為巷道寬度，取5.5 m；P為巷道附近的原巖應(yīng)力，取5.0 MPa；σt為頂板巖層抗拉強(qiáng)度，取0.3 MPa。將上述參數(shù)代入計算得頂板自然平衡拱高度h=4.4 m。

則頂板錨索長度Ls 可由下式確定：

式中：hg為錨索錨固長度，取1 400 mm；lw為錨索外露段長度，取200 mm。則錨索長度Ls = 4 400 +1 400+200=6 000 mm。

3）頂錨桿、錨索間排距。12305 輔運(yùn)巷的斷面較大，結(jié)合組合拱原理及以往工程經(jīng)驗，頂板錨桿間排距為1 000 mm，錨索間排距一般為錨桿的2 倍或3倍，確定錨索的間距為2 000 mm，排距為3 000 mm。

4）具體支護(hù)方案。頂板安裝6 根錨桿，錨桿φ20 mm，長度為2 400 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每根錨桿采用2 根快速樹脂錨固劑錨固，并保證每根錨桿預(yù)緊力不小于80 kN；頂錨索采用φ17.8 mm 的鋼絞線，長度為6 000 mm，間排距為2 000 mm×3 000 mm，每排安裝3 根快速樹脂錨固劑，保證每根錨索預(yù)緊力不小于180 kN。

由于夾矸層主要位于兩幫，因此需加強(qiáng)巷幫的支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，副幫側(cè)的破壞最嚴(yán)重。先采用φ24 mm，長度2 400 mm的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，布置3 排，第1 排與第2 排間距1 000 mm，第3 排與第2 排間距1 800 mm，在第2 排與第3 排之間補(bǔ)打一排φ22 mm，長度4 000 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，配合鋼帶控制夾矸層附近的變形，錨桿排距均為1 000 mm。正幫采用φ27 mm，長度2 400 mm 的玻璃鋼錨桿支護(hù)，并掛塑鋼網(wǎng)加強(qiáng)控制，為防止夾矸層泥巖擠出，通過噴射混凝土對巷幫夾矸層進(jìn)行封閉處理。支護(hù)方案如圖8 所示。

圖8 支護(hù)方案

4.3 應(yīng)用效果分析

為驗證該支護(hù)對策的效果，將其應(yīng)用于井下，并在回采過程中對巷道的圍巖變形情況進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果如圖9 所示。

圖9 巷道位移監(jiān)測曲線

觀測結(jié)果表明，采用該支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装宓淖畲笞冃瘟繛?2 mm，兩幫的收斂情況也得到了明顯的改善，最大移近量為68 mm。且回采時夾矸層未擠出，支護(hù)構(gòu)件未發(fā)生破壞，巷幫的滑移錯動及片幫等安全隱患得到了有效的控制。

5 結(jié) 論

1）通過現(xiàn)場圍巖變形觀測得出，巷道的變性破壞主要變形為巷幫側(cè)的錯動滑移，主要受相鄰工作面的采動影響，本工作面回采對巷道的變形影響不大。

2）夾矸層礦物成分分析及數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，夾矸層泥巖的強(qiáng)度較低，遇水易軟化膨脹，為巷幫及頂板提供了滑移面，在相鄰工作面采動應(yīng)力的作用下，頂板產(chǎn)生大量垂直裂隙，并帶動巷幫沿夾矸層滑移失穩(wěn)。

3）針對巷道的變性破壞特征及滑移失穩(wěn)機(jī)理，提出了針對性的支護(hù)對策，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的控制效果。