某煤礦煤巷破壞特征理論分析

王海龍

（山西汾西瑞泰正中煤業(yè)， 山西 靈石 031300）

1 工程背景

1.1 礦區(qū)工程地質(zhì)概況

某煤礦煤層埋藏深，所采煤層屬于二疊系地層。龍?zhí)督M官山段、下老山亞段和王潘里段分別為A、B、C煤組含煤層位。自下而上，A煤組2層煤均不可采；B煤組主要由4層煤組成，其中主采煤層為B4；C煤組主要由17層煤組成，其中只有3層煤局部可采。B4煤為本礦主采煤層。B4煤埋藏于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，直接充水含水層為龍?zhí)督M老山段和官山段砂巖含水巖組。老山段和官山段含水性弱，且下伏茅口組灰?guī)r埋深大，裂隙不發(fā)育，含水性弱，且井田內(nèi)已發(fā)現(xiàn)斷層的導(dǎo)水性差，礦坑充水主要是煤系裂隙水，因此礦井水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單。煤層厚0.4～3.99 m，平均厚 2.24 m，傾角一般為 8°～12°，向斜北翼一般厚2.0～3.5 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～較簡(jiǎn)單，為全區(qū)可采穩(wěn)定型煤層，煤質(zhì)較好，煤質(zhì)為瘦煤～焦瘦煤。煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，巖性松軟，極易垮落，厚度0.1～0.4 m左右。直接頂為深灰色粉砂巖，夾薄層狀細(xì)砂巖條帶及煤線，厚度為3.5～13.0 m，一般為7.0～8.0 m。裂隙普遍發(fā)育，下部含炭質(zhì)泥巖。老頂：為灰白色石英細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為 5～8，內(nèi)摩擦角為 81～87°，厚度3.0～5.0 m。按照地質(zhì)條件分類，確定煤層頂板為II類。偽底：為深灰色泥巖或黏土巖，遇水膨脹，厚度為2.0～0.4 m。直接底：上部為淺灰色泥質(zhì)粉砂巖，厚約5.0 m左右，遇水膨脹。

1.2 實(shí)驗(yàn)工作面概況

307工作面埋深為910 m，位于東二下山采區(qū)，東為東二采區(qū)未開發(fā)區(qū)；西為東二運(yùn)輸機(jī)下山及東二回風(fēng)下山；南為東二采區(qū)未開采區(qū)；北為306采空區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料得知此區(qū)域的地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，斷層發(fā)育。煤層厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均傾角12°。工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見表1所示。307工作面平面圖見圖1所示。

圖1 307工作面平面布置圖

表1 煤層頂?shù)装鍘r性表

2 煤巷原支護(hù)方式

煤巷采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)方式，煤巷斷面近似梯形，頂板順煤層傾向開挖，為了保證凈高不小于2.6 m，必要時(shí)進(jìn)行破底。斷面尺寸見下頁圖2。

支護(hù)方式的主要參數(shù)：頂板、兩幫分別采用錨網(wǎng)索梁、錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)方式。

圖2 煤巷原支護(hù)方案示意圖（mm）

1）頂板兩幫均采用無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，頂板安裝5根，兩幫安裝9根。錨桿直徑為Φ20 mm，長(zhǎng)為2.4 m，排間距均為750 mm×850 mm。

2）頂板安裝3根錨索，長(zhǎng)度為 9 m，直徑為Φ15.24 mm，間排距為1.70 m×0.85 m。

3）頂板兩幫錨桿托板厚度分別為10 mm、8 mm，邊長(zhǎng)不小于150 mm。錨桿螺母采用扭矩螺母，扭矩為 150 N·m。

3 煤巷圍巖變形破壞特征與分析

可采B4煤層水平深度為（-850 m），煤層松散，頂?shù)装鍘r性強(qiáng)度較差，為典型的深部高應(yīng)力巷道，處于這種復(fù)雜環(huán)境下的煤層巷道更加難于維護(hù)，巷道變形十分嚴(yán)重，尤其是沿空掘巷。煤巷在開挖掘進(jìn)及工作面回采過程中，由原來的2.6 m×3.2 m（高×寬），斷面縮小為1.4 m×1.8 m（高×寬），頂?shù)滓平科骄鶠?～2 m，兩幫收斂量平均為0.5～1.0 m。礦區(qū)巷道頂板是較厚的復(fù)合頂板，頂板間夾有數(shù)層煤線，煤層內(nèi)充滿高濃度的瓦斯氣體，煤體較松散，底板為巖性強(qiáng)度較低的炭質(zhì)泥巖。在高應(yīng)力的作用下，煤層巷道變形強(qiáng)烈，支護(hù)體失效。

圖3 煤巷頂板整體下沉現(xiàn)場(chǎng)圖

從圖3可以看出錨桿錨索鋼梁支護(hù)體結(jié)構(gòu)隨著頂板的下沉而同步下沉，這種變形特征主要表行為：由于巷道的開挖，頂板在高應(yīng)力作用下懸露的頂板破壞嚴(yán)重，造成鋼梁被壓彎，甚至被扭曲，隨著頂板的變形下沉，錨桿錨索失效，致使整個(gè)支護(hù)體結(jié)構(gòu)失效[1]。

圖4煤巷巷幫幫鼓現(xiàn)場(chǎng)圖，由于煤層松散，在高應(yīng)力作用下，兩幫幫鼓十分嚴(yán)重，多處局部相對(duì)錨桿鼓出500 mm左右。從圖中可以看出梯子梁被嚴(yán)重扭曲，金屬網(wǎng)被撕裂，失去護(hù)壁作用。有時(shí)整個(gè)幫部均出現(xiàn)強(qiáng)烈的垮冒和掏空等現(xiàn)象，使錨桿失去支護(hù)作用，同時(shí)兩幫整體向巷道內(nèi)擠壓嚴(yán)重。

圖5煤巷底板底鼓現(xiàn)場(chǎng)圖，煤巷底板一般不進(jìn)行加固處理，就成為整個(gè)巷道斷面的薄弱環(huán)節(jié)，在垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力的雙重作用下底板破壞變形嚴(yán)重。底鼓后的底板變得十分不平整，造成軌道、溜子傾斜不能正常使用，頂?shù)装逑鄬?duì)高度（0.8～1.4 m）不能滿足行人、運(yùn)料的需求，這就不得不進(jìn)行臥底，每次臥底高度在0.4～0.6 m，臥底周期一般為1～2個(gè)月。由于頂板下沉，兩幫內(nèi)擠，底鼓嚴(yán)重，致使巷道斷面急劇縮小，不能滿足通風(fēng)、運(yùn)料、行人正常生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行。

圖4 煤巷巷幫幫鼓現(xiàn)場(chǎng)圖

圖5 煤巷底板底鼓現(xiàn)場(chǎng)圖

通過對(duì)煤巷的實(shí)地觀測(cè)了解到，巷道在采用原支護(hù)形式下，巷道在掘進(jìn)期間開挖（沿空掘巷）75 d時(shí)間內(nèi)，兩幫移近總量為560 mm，平均移近速率為7.5 mm/d，兩幫收縮明顯部位占2/5以上；頂板下沉總量達(dá)420 mm，下沉速率為5.6 mm/d；底板臌出量達(dá)1 500 mm，底臌速率為20 mm/d，遠(yuǎn)超過允許變形量?；夭善陂g巷道變形更為劇烈，頂板下沉量達(dá)到600～800 mm，底板單次臥底達(dá) 0.4～0.6 m，累計(jì)臥底達(dá)數(shù)次，兩幫收縮量達(dá)到1 300～2 000 mm，變形為強(qiáng)烈的四周來壓、整體收斂、變形強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，同時(shí)也給人身安全帶來了嚴(yán)重的安全威脅。

由于巷道頂板為典型的復(fù)合頂板，由多層厚度較小層理、節(jié)理和裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低的軟弱煤巖層相間構(gòu)成，各巖層之間黏結(jié)力較弱甚至無黏結(jié)力，松散、破碎，巷道網(wǎng)兜現(xiàn)象嚴(yán)重，冒落現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，幫部相對(duì)錨桿鼓出現(xiàn)象普遍。

4 支護(hù)方式支護(hù)失效機(jī)理分析

礦區(qū)為典型的深井開采，深部巖體的形成歷史較為久遠(yuǎn)，巖體內(nèi)存在的構(gòu)造應(yīng)力對(duì)礦井的影響也較大，巷道開挖后，巖體較為破碎，造成巷道尤其是工作面煤巷的穩(wěn)定性很差，面對(duì)此種狀況采用高強(qiáng)度“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)+槽鋼+梯子梁”的聯(lián)合支護(hù)方式，巷道變形量依然較大，頂板、兩幫、底板的破壞均較為嚴(yán)重，致使巷道無法正常使用。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查和分析，造成巷道發(fā)生大變形的原因可能主要有以下幾個(gè)方面[3-4]：

1）頂板錨索的懸吊作用發(fā)揮不利。礦區(qū)煤層的直接頂為厚度在8～10 m復(fù)合型頂板，主要成分是強(qiáng)度較低的巖體組成，比較松散破碎，且其中夾有煤線，煤線的分布并不均勻，薄厚不一。頂板長(zhǎng)度為9m錨索的恰好整個(gè)位于其中，沒有固定在強(qiáng)度較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的巖層中，就不能形成穩(wěn)定的支護(hù)系統(tǒng)，錨索也就不能充分發(fā)揮其的懸吊作用，導(dǎo)致錨索與頂板同步下沉。如錨索正好錨固在較厚的煤線范圍內(nèi)，錨索也就不能發(fā)揮作用，如圖6中所示錨索錨固端（A點(diǎn)）和錨頭（B點(diǎn)）是同步下沉的，錨索的懸吊和拉伸作用無法充分發(fā)揮。

2）頂板、兩幫錨桿失效。在礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)做的錨桿抗拉拔試驗(yàn)得知，錨桿安裝質(zhì)量較差，預(yù)緊力、抗拉拔力均達(dá)不到要求。致使錨桿沒能發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)的作用，巷道掘進(jìn)初期支護(hù)不利，造成巷道圍巖破壞范圍較大，自承能力下降，隨之應(yīng)力峰值向兩幫深部轉(zhuǎn)移，由于兩幫淺部的破碎致使頂?shù)装宓目缍认鄬?duì)變大，頂?shù)装鍘r體在水平應(yīng)力作用下更容易發(fā)生破壞，尤其是底板不進(jìn)行支護(hù)，底板就成為整個(gè)巷道最薄弱的部位，也就成為上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移的突破口，造成底板巖層不斷向巷道內(nèi)空鼓出，巖體遭到破壞，這樣就形成了一個(gè)惡性破壞循環(huán)，導(dǎo)致整個(gè)巷道破壞失穩(wěn)。加之鋼筋梯子梁和金屬網(wǎng)強(qiáng)度和剛度也較小，不能有效地起到護(hù)表的作用，致使錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。可知，在這種已經(jīng)破壞的松散煤體中進(jìn)行錨桿支護(hù)（如圖6），錨固端（C點(diǎn)）和錨頭（D點(diǎn)）是同步移動(dòng)的，錨桿桿體并沒有發(fā)揮出應(yīng)有的拉伸作用。

3）沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度不合理。經(jīng)過了解和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得知礦區(qū)沿空側(cè)護(hù)巷煤柱寬度的確定是由經(jīng)驗(yàn)類比法來取得的，從現(xiàn)場(chǎng)巷道變形破壞的情況來看，煤柱幾乎完全遭到破壞而向巷道內(nèi)空產(chǎn)生大變形而失穩(wěn)，變形量達(dá)到500～1 000 mm，最終導(dǎo)致巷道難于維護(hù)而失穩(wěn)?？梢妼?duì)于沿空掘巷，護(hù)巷煤柱寬度直接關(guān)系到回采巷道的穩(wěn)定性，以及煤炭回收率問題?？芍褐鶎挾冗^小時(shí)，將增加巷道的支護(hù)和維護(hù)難度和成本，甚至?xí)?dǎo)致巷道最終失穩(wěn)破壞；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度過大時(shí)，煤柱受力亦不合理且大量的浪費(fèi)煤炭資源。在深井復(fù)雜環(huán)境下實(shí)行沿空掘巷的技術(shù)，不同于淺部開挖，簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)的支護(hù)就能維護(hù)煤柱以及巷道的穩(wěn)定。因此，煤柱合理寬度的確定就成為深部沿空掘巷技術(shù)能否應(yīng)用成功的關(guān)鍵所在。

以上只是分析了礦區(qū)較常見的錨桿錨索失效的原因，在現(xiàn)場(chǎng)也有少數(shù)的錨索被拉斷現(xiàn)象，這說明此部分錨索的錨固端是錨固在較穩(wěn)定巖層上，由于錨索本身強(qiáng)度較低，不能承擔(dān)上覆巖層壓力而超過錨索極限強(qiáng)度發(fā)生斷裂。

圖6 煤巷支護(hù)特點(diǎn)

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析可知，煤礦深部巷道造成煤巷發(fā)生大變形的主要原因：煤層埋深大，應(yīng)力集中程度高，煤體較為松散，頂板錨索的懸吊作用發(fā)揮不利，頂板、兩幫錨桿支護(hù)作用失效，沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度不合理五個(gè)方面所造成的，因此迫切需要有效地支護(hù)手段來解決這些復(fù)雜條件下的煤巷支護(hù)問題，有效的支護(hù)手段需要保證在掘巷初期將巷道變形量控制在允許的范圍內(nèi)，把圍巖的累積變形量控制在錨固體允許的變形范圍之內(nèi)，最終保持巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。