回采巷道離層破碎型頂板失穩(wěn)機(jī)理與控制實(shí)踐

王紅兵

（山西晉煤集團(tuán) 澤州天安靖豐煤業(yè)有限公司，山西 晉城048012）

井下煤巖體由不同時(shí)代形成的層狀巖石組成，煤層與上方堅(jiān)固巖層之間往往夾有一層至數(shù)層不穩(wěn)定巖層。不穩(wěn)定巖層上方巖層具有厚度大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，不易受到巷道開挖影響，具有較好的自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定巖層具有強(qiáng)度低、層厚小、節(jié)理裂隙發(fā)育程度高等特點(diǎn)，易在外界擾動的影響作用下出現(xiàn)離層或變形破壞，這層巖石又被稱為離層破碎頂板巖層〔1－2〕。對于離層破碎型頂板最常用的支護(hù)方式為錨桿／錨索支護(hù)和金屬支架支護(hù)，錨桿／錨索支護(hù)控制破碎頂板主要發(fā)揮的是其懸吊作用，可將破碎頂板錨固在上方堅(jiān)固巖層中，但鑒于國內(nèi)諸多煤礦頂板和煤體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，普通錨桿／錨索控制離層破碎型頂板效果并不理想；金屬支架主要包括U型鋼支架和工字鋼梯形棚支架，這類支架支護(hù)效果不佳，勞動強(qiáng)度高，綜合經(jīng)濟(jì)性較差。有關(guān)資料顯示，離層破碎型頂板在采掘過程中最易引發(fā)頂板冒漏，而國內(nèi)頂板冒漏事故往往占據(jù)礦井事故死亡人數(shù)的50%以上，故如何控制離層破碎型頂板顯得尤為重要?，F(xiàn)以山西靖豐礦為例，進(jìn)行離層破碎型頂板控制機(jī)理和控制實(shí)踐研究。

1 離層破碎型頂板失穩(wěn)機(jī)理

通過對采掘工作面的現(xiàn)場觀察，結(jié)合國內(nèi)對離層破碎型頂板支護(hù)研究，認(rèn)為離層破碎型頂板失穩(wěn)主要形式為頂板冒漏，引起該類頂板出現(xiàn)頂板冒漏的原因是圍巖自穩(wěn)性能力差，即使采取了相應(yīng)的支護(hù)措施，也難以保證頂板的穩(wěn)定。根據(jù)離層破碎型頂板冒漏的形式，將其分為松脫型冒漏、擠壓型冒漏和推垮型冒漏三種〔3－4〕。松脫型冒漏主要發(fā)生在巷道掘進(jìn)過程中，巷道開挖后巖體應(yīng)力重新分布，離層破碎型頂板會出現(xiàn)潛在冒漏趨勢，若支護(hù)不及時(shí)，輔以巷道開挖擾動作用變會造成巷道出現(xiàn)松脫型冒漏，松脫型冒漏的主要特征是巷道頂板冒漏區(qū)存在明顯的不規(guī)則斷茬狀；擠壓型冒漏主要是受到巷道變形影響作用造成巷道兩幫煤巖體向頂板擠壓，促使頂板彎曲下沉，在此過程中破碎頂板出現(xiàn)擠壓型冒頂，擠壓型的最明顯特征是伴隨著巷道的收斂變形；離層破碎型頂板失去了上方堅(jiān)固巖層的依存和控制，在自重作用下依存在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)受到水平外力的作用時(shí)會造成上方破碎頂板橫向移動，最終導(dǎo)致推垮型頂板冒漏的出現(xiàn)，推垮型冒漏多出現(xiàn)在采場空間內(nèi)。另外，松脫型冒落若控制不及時(shí)，冒落區(qū)上部巖層會出現(xiàn)大量的裂隙，錨固強(qiáng)度和圍巖穩(wěn)定性急劇降低，可能導(dǎo)致錨固區(qū)內(nèi)出現(xiàn)頂板離層，甚至出現(xiàn)錨固區(qū)內(nèi)頂板整體冒落。

2 離層破碎型頂板承載結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性力學(xué)分析

學(xué)者趙志堂在研究離層破碎型頂板支護(hù)時(shí)提出該類頂板承載結(jié)構(gòu)關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化承載拱結(jié)構(gòu)〔5〕。關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)適用于關(guān)鍵層距離巷道頂板較近的薄層狀離層破碎頂板，該力學(xué)結(jié)構(gòu)分析見式（1）所示。

式中：P0為支護(hù)體系承載強(qiáng)度，kPa；W0為關(guān)鍵層下方巖體自重，kPa；k0為頂板巖體抗拉系數(shù)，取2.5～4.0；P1為支護(hù)體系初始支護(hù)強(qiáng)度，kPa；W為松動巖體自重，kPa；k1為頂板巖體防松動系數(shù)，離層破碎型巖層一般取1.5～2.0。

由分析可知，滿足頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵在于：① 支護(hù)體系的承載力超過關(guān)鍵層下方巖體自重；② 支護(hù)體系的初始力超過松動巖體的自重。

強(qiáng)化承載拱結(jié)構(gòu)適用于關(guān)鍵層距離巷道頂板較遠(yuǎn)的厚層狀離層破碎頂板，該力學(xué)結(jié)構(gòu)分析見式（2）所示。

式中：P2為支護(hù)體系提供的巖體滑移剪切面上的抗剪力；k2為抗剪系數(shù)，一般取3.0～4.0；J0為支護(hù)范圍內(nèi)巖體下滑極限剪力。

由分析可知，滿足頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵在于：① 支護(hù)范圍內(nèi)不存在弱面離層；② 支護(hù)體系提供的巖體滑移剪切面上的抗剪力不低于支護(hù)體系范圍內(nèi)破碎巖體下滑產(chǎn)生的極限剪切力。

3 支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的提出

當(dāng)前支護(hù)理論認(rèn)為，提高支護(hù)體系的強(qiáng)度有助于提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，故高強(qiáng)支護(hù)錨桿得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是對于煤層賦存條件和圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回采巷道，尤其是對于離層破碎型頂板巷道而言，這種支護(hù)方式不能夠完全促使離層破碎頂板與上方堅(jiān)固圍巖體形成統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，難以發(fā)揮高強(qiáng)錨桿所具備的懸吊作用和組合拱作用，在采掘工程擾動或者礦山壓力作用下極易出現(xiàn)支護(hù)體系的失效?？导t普教授通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)提出了高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)理論〔6〕，該理論認(rèn)為：①巷道圍巖變形主要包括圍巖出現(xiàn)離層、開裂和滑動等不連續(xù)變形和圍巖的彈塑性連續(xù)性變形；② 高預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系可以有效阻止支護(hù)區(qū)圍巖的離層和改善圍巖深部應(yīng)力狀態(tài)；③預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系所提供的預(yù)應(yīng)力可以擴(kuò)散到深部圍巖體內(nèi)，即使支護(hù)力較小也可以對巷道圍巖變形起到較好的控制效果?；诖耍刹捎酶邚?qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿／錨索配合相應(yīng)的W鋼帶、金屬網(wǎng)等來預(yù)防離層破碎型頂板冒漏。

高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿采用無縱筋螺紋鋼加工制成，其強(qiáng)度和延伸率與高強(qiáng)度錨桿相符，其與普通錨桿相比主要具備的優(yōu)點(diǎn)為：① 能夠給予圍巖體提供較大的預(yù)緊力，在及時(shí)支護(hù)狀態(tài)下即可滿足巷道松動巖體所需穩(wěn)定載荷；② 通過扭矩螺母和雙重減摩墊圈的使用最大限度的提高錨桿預(yù)緊力，同時(shí)減摩墊圈的變形可直接顯示預(yù)緊力錨桿安裝效果。高預(yù)應(yīng)力錨索可配合W鋼帶形成錨索桁架，錨索桁架將巷道頂角處深部巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的錨固點(diǎn)，這樣可將錨索張拉力直接作用于頂板錨固區(qū)，可有效預(yù)防離層破碎型頂板冒漏發(fā)生。

4 工程應(yīng)用實(shí)踐

4.1 工作面概況

3307工作面位于靖豐礦3采區(qū)東北部，其南部為3305工作面采空區(qū)，北部為3309工作面回風(fēng)巷，東部為實(shí)體煤。該工作面所采煤層為山西組3＃煤層，煤層厚度為4.2～5.6m，平均5.2m；煤層傾角為6°～12°，平均8.5°，煤體松軟易碎，節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，屬于穩(wěn)定可采厚煤層。工作面設(shè)計(jì)走向和傾向長度分別為1725m和130m，巷道規(guī)格（高×寬）為3900mm×5200mm，底板標(biāo)高為－420 m～－470m，采用U型通風(fēng)方式和機(jī)械化一次采全高開采技術(shù)。工作面頂?shù)装鍘r性較復(fù)雜，上部和底部各含一層0.5～0.75m的泥巖，直接頂為厚5.6～7.2m的泥巖－砂質(zhì)泥巖－煤線互層，基本頂為厚6.2～11.5m的粗粒砂巖－粉砂巖。

4.2 巷道支護(hù)實(shí)踐

根據(jù)離層破碎型頂板失穩(wěn)機(jī)理和離層破碎型頂板承載結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性力學(xué)分析，確定采用高預(yù)應(yīng)力錨桿／錨索配合W鋼帶對巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。3307工作面回采巷道支護(hù)見圖1。

圖1 3307工作面回采巷道支護(hù)示意

具體支護(hù)參數(shù)確定如下：

（1）頂板支護(hù)：采用屈服極限為500MPa的Φ22×2400mm型高預(yù)緊力錨桿，錨固深度為1200mm，錨桿間排距為800mm×800mm；采用預(yù)緊力不低于150kN的Φ17.8×8500mm錨索，錨固深度為1650mm，錨桿采用三花狀布置，間排距為1600mm×800mm；配合錨桿和錨索使用的W鋼帶長為3000mm，寬為80mm。

（2）兩幫支護(hù)：采用預(yù)緊力不低于300N·m的Φ22×2000mm型高預(yù)緊力錨桿，錨固深度為800mm，錨桿間排距為800mm×800mm；配合錨桿使用的 W鋼帶長為3000mm，寬為80mm。

為了掌握預(yù)緊力錨桿／錨索配合 W鋼帶支護(hù)條件下3307工作面回采巷道穩(wěn)定性，在距離工作面煤壁前方80～20m處布置兩組測點(diǎn)，并在頂板上布置兩組頂板離層儀，每班對測點(diǎn)處巷道收斂量和頂板離層儀讀數(shù)進(jìn)行記錄。利用“十字交叉”法測得工作面推至測點(diǎn)期間頂?shù)装謇鄯e下沉量和兩幫累積移近量分別為128mm和324mm，且未出現(xiàn)明顯的頂板冒漏現(xiàn)象；兩組離層儀顯示巷道上方巖層離層量為4～7mm，離層不明顯。

5 結(jié)語

離層破碎型頂板是一種特殊類型的頂板，具有強(qiáng)度低、層厚小、節(jié)理裂隙發(fā)育程度高等特點(diǎn)，容易在外界擾動作用下出現(xiàn)離層和破壞，實(shí)踐表明該類型頂板采用普通錨桿／錨索支護(hù)和金屬支架支護(hù)效果并不理想。通過對離層破碎型頂板失穩(wěn)機(jī)理研究，確定了該類頂板冒頂可分為脫松型冒漏、擠壓型冒漏和推垮型冒漏；提出該類頂板的兩種力學(xué)承載結(jié)構(gòu)分別為關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化承載拱結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上提出采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系來控制離層破碎型頂板，取得了成功。鑒于離層破碎型頂板巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)這類頂板的巖性和力學(xué)分析，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐合理確定高預(yù)應(yīng)力支護(hù)體系參數(shù)。

〔1〕袁 亮.淮南礦區(qū)現(xiàn)代采礦關(guān)鍵技術(shù)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（1）：8－12.

〔2〕武華太.高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)在大斷面巷道中的應(yīng)用〔J〕.煤礦開采，2010，15（4）：68－70.

〔3〕張 農(nóng)，袁 亮.離層破碎型煤巷頂板的控制原理〔J〕.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2006，23（1）：34－38.

〔4〕王同旭，麻洪蕊，鄭文海.預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)防止巷道冒頂?shù)臋C(jī)理與措施〔J〕.煤礦安全，2009，（ZK）：119－121.

〔5〕康紅普，姜鐵明，高富強(qiáng).預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)〔J〕.煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（7）：721－726.