牛 凱 樊勝杰

（潞安化工集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046000）

許多大型礦井都面臨著大采深頂板應(yīng)力集中，在支護(hù)強(qiáng)度不足，或者支護(hù)措施不合理的條件下，采煤工作面極易出現(xiàn)頂板冒落傷人的事故，且巷道容易變形，增加了維護(hù)工程量。余吾煤業(yè)在工作面回采期間面對頂板圍巖硬度大、堅(jiān)硬層厚等問題，通過數(shù)字建模技術(shù)，預(yù)設(shè)多種不同方式的支護(hù)方案，模擬出頂板圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律，從中挑選出最優(yōu)化的解決方案，確保采面安全回采。

1 概況

余吾煤業(yè)N2106 工作面位于礦井東翼，呈南北向布置，采面東翼緊鄰N2107 工作面，南接風(fēng)井開拓大巷，西面為N2105 工作面采空區(qū)，北翼為實(shí)體未采區(qū)。工作面切眼設(shè)計(jì)長度為300 m，運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長度為2287 m，回風(fēng)巷長度為2258 m，平均煤厚6.2 m，煤層埋深為504～575 m，底板標(biāo)高+460～+490 m。N2106 工作面位置關(guān)系平面布置如圖1。

圖1 N2106 工作面位置關(guān)系平面布置圖（m）

由于N2106 工作面煤層上覆頂板主要為砂質(zhì)泥巖和中粒砂巖、粉砂巖，致密且堅(jiān)硬，在回采過程中不易垮落。根據(jù)相鄰工作面回采期間的初次來壓經(jīng)驗(yàn)分析，老頂在初采初放期間的初次來壓步距應(yīng)該在47 m 左右，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，對安全回采構(gòu)成較大威脅。工作面煤層頂?shù)装鍘r性描述見表1。

表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r性描述

2 工作面上下端頭頂板應(yīng)力分析

采煤工作面向外回采期間，隨著推進(jìn)速度和采空區(qū)懸頂面積的增加，頂板應(yīng)力在動(dòng)態(tài)變化條件下不斷向外釋放、疊加，應(yīng)力強(qiáng)度也處于動(dòng)態(tài)變化過程中。由于煤層頂?shù)装宕嬖谄露绕鸱?，采煤時(shí)為了最大限度提高資源回收率，會(huì)不斷調(diào)整支架和刮板輸送機(jī)的底板坡度，以適應(yīng)煤層賦存狀態(tài)和傾角。在切眼內(nèi)由聯(lián)鎖起來的液壓支架進(jìn)行頂板支承，抵消掉部分上覆煤巖層的自身重力作用壓力，而工作面上、下端頭受到作業(yè)空間條件限制，端頭支架的頂板支撐強(qiáng)度有限，且端頭三角區(qū)域懸頂面積較大，端頭支架無法實(shí)現(xiàn)對頂板的全覆蓋支承，因此，在上下端頭或者兩巷向外推進(jìn)時(shí)遇到構(gòu)造區(qū)、冒落帶和頂板裂隙發(fā)育地帶，極易出現(xiàn)頂板巖石破碎，巷道變形加劇，增加了支護(hù)難度。通過在端頭和超前支護(hù)段巷道打設(shè)液壓邁步支架和單體柱的措施不足以完全抵消頂板作用力，就會(huì)出現(xiàn)冒頂事故[1-2]。

N2106 工作面現(xiàn)采煤厚6.2 m 左右，但支架滿足最大采高僅為3.5 m，工作面采取沿底回采的采煤方式，頂部煤炭通過放頂煤進(jìn)行剝離回采?；夭善陂g兩巷端頭承受壓力最大，巷道支護(hù)變形較快，頂板漏矸、采空區(qū)側(cè)片幫、鼓包等現(xiàn)象頻發(fā)。為有效緩解頂幫壓力對圍巖和支護(hù)材料的影響，擬采取向頂板施工切頂鉆孔以達(dá)到提前卸壓的目的。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)頂板類型和巖石厚度，分析不同類型的鉆孔型號(hào)和施工深度對應(yīng)力場的具體分布影響問題，主要采用FLAC3D聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行數(shù)字模型建立。模型尺寸設(shè)定為長500 m×寬100 m×高500 m，共計(jì)103 850 個(gè)數(shù)據(jù)單元，模擬構(gòu)建煤層頂板圍巖的應(yīng)力場變化分布。同時(shí)，對模型邊界進(jìn)行位移約束，仿照頂板巖層的自重力對模型均勻施加5 MPa 的載荷，最真實(shí)地還原煤層開采條件下的頂板應(yīng)力場變化，查找規(guī)律，制定最優(yōu)化的鉆孔施工方案[3-5]。頂板數(shù)值建模如圖2。

圖2 煤層頂板數(shù)值模擬

3.2 模擬參數(shù)設(shè)定

根據(jù)現(xiàn)有鉆機(jī)型號(hào)和鉆頭尺寸規(guī)格，結(jié)合井下現(xiàn)場施工環(huán)境，待定參加模擬選型的鉆孔直徑有四種，即18 mm、24 mm、30 mm、36 mm。針對不同型號(hào)的鉆孔直徑模擬對圍巖應(yīng)力場分布的變化影響，針對影響結(jié)果分析，再次調(diào)整鉆孔施工間排距。觀察應(yīng)力場變化規(guī)律，經(jīng)過對比，最終確定最優(yōu)化的施工參數(shù)。將鉆孔間距參數(shù)設(shè)定為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm，將施工排距設(shè)定為1000 mm、2000 mm、4000 mm、8000 mm 等，然后兩兩組合開展模擬試驗(yàn)，共計(jì)設(shè)置了16 組切頂鉆孔間排距施工方案。模擬施工參數(shù)見表2。

表2 切頂鉆孔模擬參數(shù)設(shè)置表 mm

3.3 模擬結(jié)果規(guī)律分析

根據(jù)上述方案進(jìn)行模擬計(jì)算，將鉆孔直徑作為橫軸，單元變形量的下降率作為縱軸，依次輸入直徑18 mm、24 mm、30 mm、36 mm 的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如圖3。當(dāng)鉆孔直徑采用18 mm 時(shí)，單元模量下降率達(dá)到23%；采用24 mm 鉆孔施工時(shí)，單元模量急速下降，達(dá)到39%；當(dāng)采用30 mm 鉆孔施工時(shí)，下降率趨緩，達(dá)到43%；當(dāng)采用36 mm 鉆孔直徑時(shí)，下降率達(dá)到46%。根據(jù)數(shù)模結(jié)論和圖形分析，發(fā)現(xiàn)18 mm 直徑鉆孔施工后對煤層頂板影響不大，未能造成較大的頂板下沉和變形，當(dāng)采用30 mm 和36 mm 鉆孔直徑時(shí)，頂板變形率均超過40%，說明大直徑鉆孔對煤層頂板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞影響較大，導(dǎo)致頂板破碎，加劇了圍巖變形，不利于巷道支護(hù)。因此，由綜合數(shù)據(jù)分析，采用24 mm 鉆孔直徑相對合理。

在確定鉆孔直徑選型基礎(chǔ)上，通過調(diào)整施工間排距探索對頂板的破壞作用，分別擬定施工間距為100 mm、200 mm、300 mm 和400 mm，對應(yīng)排距1000 mm、2000 mm、4000 mm 和8000 mm 的4 種方案。不同鉆孔施工間排距對頂板破壞程度分析如圖4。

圖4 不同施工間排距鉆孔對頂板破壞程度分析

由圖4 中鉆孔間排距的變量分析可知，最明顯特征是當(dāng)施工排距達(dá)到2000 mm 左右時(shí)，四種鉆孔不同施工間距條件下，均對頂板變形下降率產(chǎn)生顯著影響，由最大峰值的下降率80%調(diào)減到25%～42%之間。在排距2000 mm 出現(xiàn)影響拐點(diǎn)之后，繼續(xù)增加排距到4000 mm 階段，頂板變形下降率變化速度明顯趨緩。在鉆孔間距為100 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為50%～59%；在鉆孔間距為200 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為40%～44%；在鉆孔間距為300 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為28%～32%；在鉆孔間距為400 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為19%～24%。

在調(diào)整鉆孔施工排距由4000 mm 到8000 mm的過程中，變形模量數(shù)據(jù)又出現(xiàn)急劇變化。在鉆孔間距為100 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為31%～50%；在鉆孔間距為200 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為21%～40%；在鉆孔間距為300 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為13%～28%；在鉆孔間距為400 mm 時(shí)，變形模量下降率變化為6%～19%。

綜上所述，經(jīng)過綜合數(shù)據(jù)分析，為達(dá)到有效控制頂板壓力釋放，且不構(gòu)成頂板圍巖過度破壞的目的，最終確定在上下兩巷端頭靠近煤壁一側(cè)300 mm 處依次由切眼向外開孔，鉆孔施工間距確定為300 mm，施工排距確定為2000 mm。

4 應(yīng)用效果分析

根據(jù)上述模擬頂板受力變化結(jié)果，確定鉆孔施工孔徑為24 mm，施工間排距為300 mm×2000 mm。結(jié)合鉆機(jī)功率能力和場地限制因素，設(shè)計(jì)孔深為7.5 m，遇到堅(jiān)硬巖石時(shí)至少保證不小于7 m孔深。超前施工頂板卸壓鉆孔采用型號(hào)為CXK12（A）的鉆孔內(nèi)窺儀進(jìn)行孔內(nèi)窺視，查看頂板來壓后孔內(nèi)巖石產(chǎn)生的裂隙發(fā)育情況。為便于對比分析，隨機(jī)抽取兩個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證觀察。1#孔觀測成果如圖5 所示。在內(nèi)窺結(jié)果分段截圖中，由開孔0～3.127 m 范圍內(nèi)孔壁光滑，巖石分布均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的破碎現(xiàn)象；在探測至3.345 m 處發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁出現(xiàn)多條縱向裂隙，說明該段巖石承受圍巖應(yīng)力影響較集中；再向深部探測至4.109 m 段時(shí)內(nèi)壁仍然完整光滑，無明顯裂隙，直至孔底未再發(fā)現(xiàn)裂隙痕跡。經(jīng)過孔內(nèi)觀察，總體說明在3～3.5 m 的層位區(qū)間內(nèi)，頂板壓力相對集中，對圍巖的破壞作用較大[4]。

圖5 1#觀測孔內(nèi)窺圖

2#觀測孔窺視結(jié)果如圖6，與1#鉆孔整體結(jié)果相似。在開孔處孔壁下方出現(xiàn)一條縱向裂紋，向深部有延伸趨勢，孔內(nèi)其他巖石較完整；繼續(xù)向里探測，發(fā)現(xiàn)開孔處裂隙已經(jīng)延伸至2.963 m 深度，且裂隙寬度增加，說明縱向裂隙受到水平張力的拉伸影響，直至3.453 m 處裂隙逐漸閉合消失，孔內(nèi)探測不明顯；繼續(xù)探測至接近孔底7.018 m 深度，孔內(nèi)壁光滑平整，未再出現(xiàn)明顯裂隙。綜上分析，整體說明該鉆孔施工區(qū)域頂板受力，巖石破碎。選取施工地點(diǎn)的開孔處巖石，已經(jīng)受到外力擠壓產(chǎn)生裂隙，且不斷向深部斷裂延伸，影響深度為0～3.5 m左右，與1#觀察孔相同，產(chǎn)生裂隙主要影響范圍為頂板上覆巖層3.5 m 深度以內(nèi)，應(yīng)力作用較集中。因此，得出結(jié)論，除去開孔選址的圍巖破碎影響因素外，頂板受力較集中的應(yīng)力分布區(qū)間應(yīng)為2.5～4 m 左右。結(jié)合孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況，該層位容易出現(xiàn)頂板斷裂冒落風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 2#觀測孔內(nèi)窺圖

5 超前卸壓與防范措施

1）經(jīng)過對超前卸壓鉆孔參數(shù)確定和有序施工，確定頂板承載壓力最大的應(yīng)力范圍集中在2.5～4 m左右。按照此規(guī)律，工作面向外推進(jìn)期間，凡在上下巷遇到頂板破碎帶時(shí)，為提前防護(hù)，補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)強(qiáng)度，需要提前打設(shè)6 m 長錨索進(jìn)行頂板維護(hù)，避免出現(xiàn)過破碎帶時(shí)應(yīng)力集中導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生。

2）根據(jù)工作面普通支架和端頭過渡支架的工作阻力數(shù)值觀測規(guī)律分析，每隔15～19 d 就會(huì)出現(xiàn)一次阻力升高現(xiàn)象。結(jié)合對應(yīng)時(shí)間內(nèi)圍巖位移量數(shù)據(jù)結(jié)果，以及頂板斷裂聲響等現(xiàn)象，得出該周期為頂板應(yīng)力釋放周期。據(jù)此規(guī)律，每當(dāng)工作面回采推進(jìn)至臨近該時(shí)間段時(shí)，應(yīng)當(dāng)提前采取減產(chǎn)緩采措施，減少每日推進(jìn)度，避免回采過快，導(dǎo)致頂板懸頂面積增大，釋放應(yīng)力疊加，為采面端頭支護(hù)增加困難。

3）兩巷靠近煤墻側(cè)和采空區(qū)側(cè)巷幫各打設(shè)一路液壓式自移大桿，通過液壓缸的支撐作用，擴(kuò)大頂板支撐面積，在頂板破碎地點(diǎn)輔助打設(shè)單體柱+π 型梁的支護(hù)方式，提高頂板支護(hù)強(qiáng)度。一般在切眼以外30～35 m 兩巷范圍實(shí)施超前加固，可打設(shè)兩排臨時(shí)支護(hù)，在切眼外段20 m 以內(nèi)的高應(yīng)力集中區(qū)域，可以通過打設(shè)三排臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。嚴(yán)格控制好切頂卸壓鉆孔施工與采面推進(jìn)度之間的進(jìn)度關(guān)系，避免造成應(yīng)力疊加和集中釋放，導(dǎo)致頂板受力破壞，造成支護(hù)困難。

4）根據(jù)工作面上下巷原有安裝的頂板離層儀，以及抽查觀測的卸壓鉆孔圍巖裂隙發(fā)育情況，可以總結(jié)出工作面回采進(jìn)度與應(yīng)力釋放范圍的相互影響關(guān)系。當(dāng)回采過快，推進(jìn)度超出應(yīng)力影響范圍時(shí)，頂板堅(jiān)硬巖層不易垮落，可能造成采空區(qū)頂板懸頂無法垮落的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過管控推進(jìn)度，從而有效管理采空區(qū)頂板的垮落進(jìn)度，確保實(shí)現(xiàn)全部垮落管理。

5）切頂卸壓鉆孔施工時(shí)注意觀察開孔位置是否處于裂隙發(fā)育地帶，鉆進(jìn)期間要求鉆機(jī)手詳細(xì)記錄孔內(nèi)情況，比如施工至孔深某一具體位置時(shí)，出現(xiàn)卡鉆、頂鉆現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)分析孔內(nèi)是否揭露裂隙，或者存在塌孔等巖石破碎現(xiàn)象。此外，通過孔內(nèi)返水量的大小變化，也可間接分析裂隙發(fā)育程度，若返水量明顯減小，則要觀察頂板其他地方是否存在滲漏水現(xiàn)象，可判斷裂隙影響范圍和內(nèi)部導(dǎo)通聯(lián)系情況，從而在周邊施工其他鉆孔時(shí)，可采取措施適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆孔位置和間排距，確保鉆孔質(zhì)量。

6 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬與建模分析，明確余吾煤業(yè)N2106 工作面上下兩巷采用切頂卸壓鉆孔的施工參數(shù)。按照間排距300 mm×2000 mm 規(guī)格合理施工，選取鉆頭直徑為24 mm，可達(dá)到有效管控頂板變形下降率在合理區(qū)間的要求，控制了頂板圍巖能夠產(chǎn)生破壞，但變形下降速度不至于對巷道變形產(chǎn)生更大影響的目的，優(yōu)化了支護(hù)施工設(shè)計(jì)。

2）在卸壓鉆孔參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐規(guī)律總結(jié)，發(fā)現(xiàn)工作面來壓周期穩(wěn)定在15～19 d 左右。可根據(jù)支架工作阻力確定周期的始末時(shí)間，從而提前采取緩采降產(chǎn)的措施，有效控制回采進(jìn)度，避免大面積懸頂造成的空頂風(fēng)險(xiǎn)。

3）通過采取鉆孔內(nèi)窺的方法對孔內(nèi)裂隙發(fā)育程度和產(chǎn)生位置進(jìn)行觀察，隨機(jī)抽樣鉆孔后發(fā)現(xiàn)裂隙通常分布在開孔以里2.5～4 m 左右層位，說明該段巖層承受應(yīng)力作用較集中，容易受到擠壓拉伸。據(jù)此結(jié)論可采取有效支護(hù)措施，通過提前打設(shè)加長錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。