西曲礦軟巖巷道頂板冒落機(jī)理及控制研究

李建軍

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

0 引言

隨著煤礦開采逐步向深部延伸，礦井開采面臨越來越復(fù)雜的環(huán)境。由于煤層埋深的增大，井下所有巷道工程都處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，并且地質(zhì)條件更加復(fù)雜，對于軟巖巷道，其維護(hù)難度加大，井下工作環(huán)境十分惡劣[1～2]。山西西曲礦開采煤層埋深較大，達(dá)到850～900m，巷道圍巖強(qiáng)度較低，屬于軟巖巷道，井下巷道在掘進(jìn)和使用過程中，圍巖變形較大，頂板下沉、底臌等現(xiàn)象嚴(yán)重，部分巷道頂板冒落區(qū)范圍極大，對井下安全生產(chǎn)產(chǎn)生巨大威脅[3～4]。這是因為巷道屬于深井工程，巷道處于較高的應(yīng)力水平，尤其是軟巖巷道，其頂板結(jié)構(gòu)較弱，極易出現(xiàn)冒落情況，巷道穩(wěn)定性差[5～7]。

本文針對山西西曲礦18501工作面軟巖巷道頂板大面積冒落的特征，對軟巖巷道頂板結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理進(jìn)行研究，基于其特殊地質(zhì)條件，提出了“錨網(wǎng)索噴+桁架耦合支護(hù)”的軟巖巷道圍巖控制措施，并在現(xiàn)場進(jìn)行了實踐，從而為其他類似條件礦區(qū)軟巖巷道工程提供參考。

1 工程概況

圖1 18501工作面綜合柱狀圖

山西西曲礦位于太原市古郊區(qū)，主要的開采煤層包括4、7、8和9號煤層，其中8號煤層屬于厚煤層，平均厚度為4m，其他煤層屬于薄及中厚煤層，本次研究選擇為18501工作面回風(fēng)巷，18501工作面井下位于南五盤區(qū)南部，北鄰已回采的18502工作面，南鄰已回采的18307工作面，西鄰南983運輸大巷，東鄰西983運輸大巷。工作面上覆上覆4號煤14501、14504采空區(qū)，煤層間距為65米左右。各工作面均留設(shè)保護(hù)煤柱。工作面周邊無相鄰巷道。工作面開采范圍內(nèi)，煤層厚度為3.8～4.4m，平均厚度為4.2m，煤層傾角為1～9°，平均為3°，屬于穩(wěn)定可采煤層。8號煤層結(jié)構(gòu)簡單，中部普遍含有一層泥巖夾矸，夾矸厚度變化不大，18501工作面回風(fēng)巷為軟巖巷道。煤層上方為0.23m的炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為2.4m的石灰?guī)r，直接底板為1.54m細(xì)砂巖，老底為3.13米的粉砂巖。18501工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

2 巷道頂板破壞機(jī)理

2.1 巷道頂板變形破壞特征

由于軟巖巷道埋深較大，處于較高應(yīng)力水平，圍巖強(qiáng)度低，內(nèi)部發(fā)育有大量節(jié)理裂隙，并且由于巷道中有斷層的存在，造成圍巖連續(xù)性分割，穩(wěn)定性較差。巷道掘進(jìn)以及工作面回采會對巷道產(chǎn)生影響，當(dāng)頂板巖層承受的載荷超過其自身承載極限時，造成頂板破壞發(fā)生冒落。頂板冒落高度不同，其特征也不完全相同。根據(jù)頂板冒落高度大小，頂板可分為冒落區(qū)以及冒頂區(qū)，當(dāng)冒落高度超過3m時，其為高冒區(qū)，當(dāng)冒落高度小于3m時，其為冒頂區(qū)。18501工作面回風(fēng)巷頂板部分冒落高度超過3m，因此存在高冒區(qū)。圖2為18501工作面頂板結(jié)構(gòu)模型圖，頂板結(jié)構(gòu)為層理發(fā)育并伴隨有一定豎向節(jié)理的砂巖與石灰?guī)r交互層。

圖2 18501工作面巷道頂板結(jié)構(gòu)模型

2.2 巷道頂板冒落機(jī)理

根據(jù)上述18501工作面回風(fēng)巷頂板破壞特征，結(jié)合現(xiàn)場條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對其進(jìn)行計算，從而分析巷道頂板變形破壞機(jī)理。

圖3為巷道頂板冒落分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出，巷道掘進(jìn)后會在圍巖內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力集中，巷道頂板的破壞過程從巷道表面開始，逐步向圍巖深部傳播，表面圍巖發(fā)生破壞后，其對深部圍巖的限制作用逐步喪失，深部圍巖承受載荷超過其自身承載極限后，發(fā)生變形破壞，直到巖層穩(wěn)定后，冒落區(qū)不再發(fā)生變化。從圖中可以看出，層狀頂板巖層之間存在一定的黏結(jié)力，因此導(dǎo)致頂板巖層破壞變形并不均勻。

圖3 頂板冒落分析結(jié)果

3 巷道穩(wěn)定性控制方法及支護(hù)方案

3.1 影響巷道穩(wěn)定性的主要因素

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場巷道地質(zhì)條件，得出影響巷道穩(wěn)定性的主要因素包括以下幾點：

1）巷道埋深大，圍巖應(yīng)力水平較高。由于18501工作面回風(fēng)巷埋深達(dá)到850～900m，其上覆巖層產(chǎn)生的載荷接近20MPa，考慮有水平應(yīng)力的存在，造成巷道頂板破壞。

2）巷道為軟巖巷道，圍巖強(qiáng)度較低。由于巷道圍巖內(nèi)部節(jié)理裂隙大量發(fā)育，圍巖強(qiáng)度較低，加上巷道部分位置有斷層存在，導(dǎo)致巷道連續(xù)性被破壞。

3）巷道支護(hù)方式較差。由于巷道支護(hù)過程中，未考慮巷道為軟巖巷道以及高應(yīng)力水平圍巖等條件，因此僅采用常規(guī)的錨桿+錨索支護(hù)方式，并且支護(hù)參數(shù)存在一定缺陷，導(dǎo)致巷道支護(hù)強(qiáng)度不夠，巷道頂板下沉以及底臌等現(xiàn)象嚴(yán)重。

3.2 控制方法及支護(hù)方案

1）圍巖控制方法。

結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，可將巷道頂板結(jié)構(gòu)由下到上分為三個部分，分別為易冒落巖層、擠壓變形巖層和穩(wěn)定巖層，如圖4所示。巷道變形過程首先從易冒落巖層開始，其失去穩(wěn)定性后，會向巷道內(nèi)部掉落，形成冒頂區(qū)；其上部擠壓變形巖層由于失去支承作用，會繼續(xù)向巷道內(nèi)部冒落，形成高冒區(qū)，直到高度達(dá)到穩(wěn)定巖層后，能夠承受巷道載荷，不再發(fā)生破壞變形，冒落高度也不再上升，巷道逐步穩(wěn)定。

圖4 巷道頂板巖體冒落分區(qū)

圖5 支護(hù)設(shè)計斷面

過去對于巷道高冒區(qū)通常采用充填的方法進(jìn)行支護(hù)，但這種支護(hù)方法費用較高，工程量大，耗費時間較長。根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場概況，提出利用圍巖自承的能力以及頂板形成的冒落拱的穩(wěn)定性，加以錨網(wǎng)索噴+柔層桁架耦合支護(hù)的支護(hù)技術(shù)。在冒落拱的上部空間采用錨索+金屬網(wǎng)+噴漿進(jìn)行支護(hù)，加固冒落拱圍巖表面強(qiáng)度，冒落拱下部空間采用柔層桁架耦合支護(hù)，限制巷道圍巖的變形，維持巷道穩(wěn)定性。這種支護(hù)方式降低了高冒區(qū)治理的工程量和難度，并為頂板圍巖控制提供了新思路。

2）支護(hù)方案。

圖5為18501工作面回風(fēng)巷現(xiàn)場支護(hù)技術(shù)圖。采用這種方法對頂板圍巖治理時，首先，采用錨索以及金屬網(wǎng)對高冒區(qū)的圍巖補(bǔ)強(qiáng)，并加以噴漿，提高圍巖強(qiáng)度。然后，在高冒區(qū)下部空間安裝柔性桁架和鋼筋網(wǎng)，之后進(jìn)行注漿支護(hù)。注漿液選用混凝土，注漿后其上部空間形成反拱形，巷道冒落后形成了上下兩個空間格局。最后，在澆筑混凝土上打錨索，并在圍巖變形至擠壓柔層桁架時復(fù)噴混凝土進(jìn)行二次支護(hù)，完成高冒區(qū)治理與控制。

3.3 效果分析

為驗證這種支護(hù)技術(shù)治理高冒區(qū)的實際效果，在巷道表面布置位移測站1#、2#。典型測站現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從監(jiān)測數(shù)據(jù)和位移曲線可以看出，巷道采用新支護(hù)技術(shù)治理高冒區(qū)后在較短的時間內(nèi)即可控制住了巷道圍巖變形，最終巷道兩幫移近量為35mm，底臌量為25mm，變形量小且穩(wěn)定時間快。

圖6 測站位移曲線圖

4 結(jié)論

本文對山西西曲礦18501工作面回風(fēng)巷頂板破壞失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了頂板冒落過程。巷道頂板的破壞過程從巷道表面開始，逐步向圍巖深部傳播，表面圍巖發(fā)生破壞后，其對深部圍巖的限制作用逐步喪失，深部圍巖承受載荷超過其自身承載極限后，發(fā)生變形破壞，直到巖層穩(wěn)定后，冒落區(qū)不再發(fā)生變化?；诖俗冃螜C(jī)理，提出了利用圍巖自承的能力以及頂板形成的冒落拱的穩(wěn)定性，加以錨網(wǎng)索噴+柔層桁架耦合支護(hù)的支護(hù)技術(shù)，并在現(xiàn)場進(jìn)行了實踐。實踐結(jié)果表明，巷道采用新支護(hù)技術(shù)治理高冒區(qū)后在較短的時間內(nèi)即可控制住了巷道圍巖變形，效果良好。