李偉業(yè)

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 033199）

1 工程概況

木瓜煤礦10-201 綜采工作面位于盛地溝村一帶，靠近二盤區(qū)的準(zhǔn)備巷道，工作面位于本礦井南側(cè)邊界，開采煤層的工作面屬于石炭系上統(tǒng)太原組的9#和10#煤，煤層含夾層，厚度約為0.35～0.7 m。該工作面設(shè)計(jì)走向長度為1081 m，傾向長245 m，煤層厚度5.81～7.73 m，煤層傾角3°～14°，屬于較穩(wěn)定煤層。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

10-201 工作面開采采用單一走向長壁綜合機(jī)械化采煤法。由于煤層厚度較大，在工作面推進(jìn)過程中，兩側(cè)的順槽巷道頂板和圍巖變形量大，導(dǎo)致行人困難、運(yùn)輸不便等情況，工作面回采被迫暫時停止，需要對大采高下工作面順槽巷道進(jìn)行圍巖破壞機(jī)理分析和控制措施研究[1-5]。

2 工作面順槽圍巖破壞機(jī)理分析

2.1 順槽圍巖破壞特征

（1）10-201 工作面順槽的應(yīng)力分布規(guī)律分析。工作面順槽的掘進(jìn)導(dǎo)致地應(yīng)力局部區(qū)域重新分布，沿巷道徑向方向會產(chǎn)生彈性區(qū)和塑性區(qū)。當(dāng)工作面開始推進(jìn)時，兩側(cè)順槽再次受到采動影響，塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，圍巖產(chǎn)生明顯變形破壞。當(dāng)順槽附近圍巖應(yīng)力大于圍巖所能承受的極限荷載時，圍巖結(jié)構(gòu)破壞，引發(fā)冒頂、片幫等。當(dāng)順槽附近圍巖失穩(wěn)破壞后，進(jìn)一步導(dǎo)致深部圍巖應(yīng)力發(fā)生集中現(xiàn)象。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。支護(hù)結(jié)構(gòu)是維護(hù)順槽圍巖穩(wěn)定的重要手段，合理的支護(hù)有利于增強(qiáng)圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而一旦布置不當(dāng)或支護(hù)材料不合適，將有可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)，具體如下：

① 支護(hù)結(jié)構(gòu)和順槽圍巖剛度關(guān)系。支護(hù)前，應(yīng)當(dāng)使支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和順槽附近圍巖的剛度匹配。當(dāng)順槽附近圍巖剛度更大時，支護(hù)機(jī)構(gòu)控制變形能力不夠，引發(fā)圍巖煤壁出現(xiàn)非均勻變形破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)局部承載力增加以至于出現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度更大時，會造成順槽附近圍巖內(nèi)部逐漸積聚彈性能量，引發(fā)圍巖局部區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象，也易使支護(hù)結(jié)構(gòu)材料被破壞。

② 支護(hù)結(jié)構(gòu)和順槽圍巖強(qiáng)度關(guān)系。通過支護(hù)結(jié)構(gòu)約束圍巖的結(jié)構(gòu)變形是控制巷道穩(wěn)定的重要方式，但圍巖區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力變化也會作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是出現(xiàn)局部應(yīng)力集中時，會嚴(yán)重破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)材料，導(dǎo)致圍巖發(fā)生一定程度的變形。

③ 支護(hù)結(jié)構(gòu)與順槽圍巖結(jié)構(gòu)關(guān)系。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇非常重要，一般均質(zhì)材料適用于順槽附近圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、節(jié)理裂隙較少的情況。如果圍巖內(nèi)部節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在多種斷層面和層理面時，會導(dǎo)致圍巖滑移變形出現(xiàn)一定的差異，引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)材料被破壞。

（3）順槽圍巖兩幫應(yīng)力分布。10-201 工作面煤層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度略低于頂板泥巖。當(dāng)布置準(zhǔn)備工作面時，巷道兩側(cè)的煤層可能會發(fā)生松動，如果不加以合理控制，會導(dǎo)致兩幫煤層沿著和巖層的層理結(jié)構(gòu)向順槽內(nèi)部擴(kuò)展變形，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)被破壞。

2.2 順槽圍巖破壞形式

（1）拉裂破壞。拉裂破壞分為兩幫拉裂破壞和頂板拉裂破壞，如圖1。兩幫拉裂破壞時，由于在水平應(yīng)力的作用下，順槽圍巖兩幫出現(xiàn)彈塑性破壞變形，分別產(chǎn)生彈性區(qū)和塑性區(qū)，表現(xiàn)形式為頂板下沉、底鼓。頂板拉裂破壞則是在上覆巖層荷載的作用下，頂板受力產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過頂板自身承受能力時，頂板產(chǎn)生變形破壞。工作面直接頂為泥巖，抗拉強(qiáng)度低，極易發(fā)生頂板拉裂破壞。

圖1 巷道兩幫和頂板拉裂破壞示意圖

（2）剪切破壞。由于工作面采高大且直接頂為泥巖，其承載荷載能力較低，導(dǎo)致順槽兩幫圍巖淺部產(chǎn)生一系列的剪切破壞面，進(jìn)而發(fā)生片幫現(xiàn)象，如圖2。

圖2 順槽兩幫圍巖剪切破壞示意圖

圖 3 頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.3 順槽圍巖破壞失穩(wěn)機(jī)理

圍巖中的弱結(jié)構(gòu)體是導(dǎo)致順槽圍巖失穩(wěn)破壞的主要因素。巷道開挖后，弱結(jié)構(gòu)體由于應(yīng)力重新分布而受到破壞，導(dǎo)致圍巖發(fā)生變形破壞。10-201 工作面上部直接頂為泥巖，再上部為灰?guī)r，屬于單一巖性弱結(jié)構(gòu)頂板，其圍巖破壞失穩(wěn)機(jī)理為：

頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖3 所示，設(shè)順槽埋深為H，寬度為l，得到模型的擾度最大值為：

3 工作面順槽圍巖破壞控制措施分析

3.1 控制措施

（1）選擇合理的支護(hù)參數(shù)。在工作面兩側(cè)順槽開挖前后，順槽圍巖會發(fā)生一定量的變形，直至順槽附近圍巖區(qū)域應(yīng)力重新分布形成平衡。但在這個過程中，支護(hù)強(qiáng)度的大小對順槽圍巖影響較大。支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度過高，圍巖內(nèi)積聚的能量得不到釋放，有可能破壞煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)；支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度過低，又將導(dǎo)致圍巖變形嚴(yán)重，空間通道不夠，影響工作面的正常使用。后期工作面開采時，頂板覆巖的荷載將作用于兩側(cè)順槽煤柱上，煤柱尺寸和支護(hù)強(qiáng)度不夠，也極易引發(fā)順槽圍巖失穩(wěn)。

（2）改善圍巖強(qiáng)度。順槽圍巖存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小、裂隙較發(fā)育并含有軟弱夾層，普通的支護(hù)措施難以控制圍巖大面積變形，可通過注漿技術(shù)改善其圍巖強(qiáng)度，預(yù)防圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形。

（3）選擇合理順槽斷面尺寸。工作面兩側(cè)的順槽高跨比不同也會影響到順槽圍巖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。順槽斷面尺寸越大時，穩(wěn)定性就越不好，圍巖變形程度大，大采高順槽變形更加嚴(yán)重，回采過程極易出現(xiàn)底板下沉、片幫等現(xiàn)象。所以，針對不同地質(zhì)條件下的工作面，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)順槽斷面尺寸。

（4）提高支架工作阻力。工作面上覆巖層的荷載壓力主要由順槽兩幫煤柱和工作面液壓支架共同承擔(dān)，液壓支架的選取非常重要，一旦液壓支架抗阻能力不夠，會造成兩幫煤柱承載壓力過大，順槽釋放壓力會造成煤壁變形嚴(yán)重。

3.2 運(yùn)輸順槽加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)

（1）順槽頂板支護(hù)。錨桿直徑23 mm，長度2300 mm，間排距800 mm×900 mm，頂部兩側(cè)的錨桿與一側(cè)邊界的距離550 mm，與另一側(cè)邊界的距離500 mm。錨索Φ17.8 mm×600 mm，間排距2.5 m×3 m。鋪設(shè)8#鐵絲網(wǎng)對頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行護(hù)表支護(hù)。

（2）順槽巷道的左幫選擇玻璃鋼錨桿，錨桿Φ20 mm×1500 mm，間排距設(shè)計(jì)為 800 mm×900 mm，搭配塑料網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同支護(hù)。

（3）順槽巷道的右?guī)鸵策x擇玻璃鋼錨桿，錨桿Φ16 mm×1500 mm，間排距800 mm×900 mm，搭配8#鐵絲網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同支護(hù)。支護(hù)示意圖如圖4。

圖4 運(yùn)輸順槽支護(hù)示意圖（mm）

3.3 支護(hù)效果觀測

通過位移傳感器對順槽圍巖頂板和兩幫的變形情況進(jìn)行監(jiān)測，用以檢驗(yàn)本支護(hù)方案的支護(hù)效果。選擇在距離工作面約150 m 內(nèi)布置2 組監(jiān)測點(diǎn)，分別監(jiān)測順槽圍巖兩幫和頂板的變形量。以監(jiān)測點(diǎn)2的監(jiān)測結(jié)果為例進(jìn)行分析，如圖5 和圖6。

從圖5 可以明顯看出，測點(diǎn)與工作面距離小于100 m 時，兩幫和頂板才開始出現(xiàn)變形，隨著與工作面距離的降低，整個曲線變形呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。其中，當(dāng)測點(diǎn)與工作面距離為10 m 時，圍巖頂板和兩幫的累計(jì)下沉量都最大，頂板累計(jì)下沉量為10.6 m，兩幫累計(jì)下沉量為8.5 m，該值均在安全生產(chǎn)的要求以內(nèi)。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)2 的圍巖變形曲線

圖 6 運(yùn)輸順槽頂板離層變化曲線

由圖 6 可知，當(dāng)工作面距離監(jiān)測點(diǎn)斷面約35 m時，頂板離層量開始變大，且隨著距工作面距離的減小，離層量的增加值則越多。當(dāng)工作面距離監(jiān)測點(diǎn)為0 時，離層量達(dá)到最大。順槽頂板1.5 m 位置處離層量為5.2 mm，順槽頂板3.0 m 位置處離層量為9.5 mm，據(jù)此可以認(rèn)為頂板離層量變化均較小，工作面順槽圍巖穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)語

（1）研究工作面的基本概況，利用彈塑性極限平衡理論分析了工作面大采高順槽圍巖破壞特征，得出大采高順槽的破壞形式為拉裂破壞、剪切破壞兩種情況。

（2）為更好控制大采高順槽圍巖變形破壞，提出了多種順槽圍巖破壞的控制措施，主要圍繞選擇合理支護(hù)參數(shù)、改善圍巖強(qiáng)度、隔絕地下水、選擇合理順槽斷面尺寸及提高支架工作阻力提出的措施。

（3）通過對工作面順槽采取加強(qiáng)支護(hù)控制圍巖變形情況。由現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可知，頂板最大累計(jì)變形量為10.6 mm，兩幫最大累計(jì)變形量為8.5 mm；由頂板離層量結(jié)果分析可知，順槽頂板巖層穩(wěn)定性相對較好，符合安全開采的需求。