特厚煤層回采巷道頂板破壞及其控制研究

王沛楠

（1.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590；

2.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限公司晉圣誠(chéng)南煤業(yè)，山西 晉城048100）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)1萬(wàn)億t，其中厚煤層占45%[1-3]。隨著開(kāi)采強(qiáng)度和機(jī)械化水平的提高，煤礦工作面的生產(chǎn)設(shè)備逐漸增大，煤炭產(chǎn)量大大增加。同時(shí)，根據(jù)通風(fēng)、生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)囊?，巷道斷面越?lái)越大。另外，巷道在煤層底板中布置，巷道三側(cè)均為煤體，與巖層巷道相比，煤體支承強(qiáng)度較低，巷道服務(wù)期間頂板巖移運(yùn)動(dòng)劇烈、兩幫明顯向內(nèi)擠壓；工作面回采過(guò)程中，巷道頂板容易發(fā)生局部或大面積瞬發(fā)性垮冒事故，從而給安全生產(chǎn)帶來(lái)重大影響[4]。為切實(shí)保障特厚煤層巷道頂板支護(hù)安全，促進(jìn)此類(lèi)礦井的安全高效生產(chǎn)，對(duì)回采巷道頂板變形破壞特征和控制的研究具有重要意義。

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)這一方面做了大量的研究和探索[5-7]。薛晟[8]等分析塔山礦1070輔助運(yùn)輸大巷變形破壞特征，提出了“注漿+工字鋼支架+錨桿二次支護(hù)體系”，RS2D驗(yàn)證效果，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐；高鴻宇等[9]提出采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)來(lái)解決巷道強(qiáng)烈變形問(wèn)題，魏臻等[10]通過(guò)對(duì)特大斷面碎裂厚煤層巷道破壞機(jī)制的研究，構(gòu)建了以“彈性梁”為基礎(chǔ)的巷道頂板力學(xué)模型，并對(duì)新型預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了工程應(yīng)用。以某礦30509運(yùn)輸巷作為背景，分析了煤巷頂板的變形破壞機(jī)理，提出了錨網(wǎng)索支護(hù)方案，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 工程概況

30509工作面采厚為4 m，放煤厚度為11.1 m，走向長(zhǎng)度約為1 708 m，傾斜長(zhǎng)度為160 m，煤層埋深307～454 m，傾角為1～8°，平均4°，屬近水平煤層。運(yùn)輸巷斷面為矩形巷道5.2 m×3.6 m，沿底板布置。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2 巷道頂板破壞機(jī)理分析

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)有限元差分軟件FLAC3D對(duì)巷道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)條件下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及塑性場(chǎng)分布進(jìn)行分析，結(jié)果如下頁(yè)圖1所示。

圖1 -1體現(xiàn)了巷道開(kāi)挖之后頂?shù)装灞砻鎳鷰r所受垂直應(yīng)力變化規(guī)律，由于巷道開(kāi)挖導(dǎo)致周邊巖體的支承條件發(fā)生改變，其原始平衡狀態(tài)遭到破壞，巖層邊界的受力情況隨之改變，原巖應(yīng)力重新分布過(guò)程中，巷道頂板淺部圍巖產(chǎn)生巨大的膨脹壓力和強(qiáng)烈的變形，過(guò)度變形導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度顯著降低甚至完全喪失，承擔(dān)荷載的作用明顯減弱，出現(xiàn)卸荷現(xiàn)象；而高應(yīng)力向深部圍巖兩幫轉(zhuǎn)移。

圖1 -2揭示了巷道頂板變形特征，開(kāi)挖后巷道頂板淺部圍巖處于兩向應(yīng)力狀態(tài)下，受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用，巷道頂板淺部圍巖開(kāi)始出現(xiàn)塑形破壞，隨著淺部圍巖破壞區(qū)域快速增大，巷道變形量逐步增加，由于有害變形的惡性發(fā)展，從而引發(fā)頂板圍巖擴(kuò)容、碎漲、離層等現(xiàn)象發(fā)生，致使巷道表面附近圍巖承載能力下降，上位煤層應(yīng)力狀態(tài)由三向應(yīng)力向兩向應(yīng)力傾斜，頂板圍巖再次發(fā)生變形與破壞，但因?yàn)橄虏繋r層尚具有殘存的支承應(yīng)力，因此該處頂板圍巖位移量相比下位巖層要小，最終，伴隨著巷道頂板圍巖集中應(yīng)力不斷向深部移動(dòng)，巖層恢復(fù)到原始應(yīng)力狀態(tài)，圍巖變形逐漸趨于零[11]。

圖1 -3反映了巷道開(kāi)挖后圍巖塑性破壞區(qū)分布情況，開(kāi)挖后巷道頂幫和底板淺部煤體主要受拉剪破壞，深部煤巖體受剪切破壞，巷道圍巖總體呈現(xiàn)出橢圓形狀的塑性破壞區(qū)，巷道圍巖失穩(wěn)破壞以頂板和兩幫為主，底鼓量較小，其中頂板圍巖變形值遠(yuǎn)大于兩幫變形，頂板塑形區(qū)達(dá)到3.1 m，兩幫破碎2.5 m，底板破壞深度為1.8 m。

圖1 無(wú)支護(hù)條件下巷道變化趨勢(shì)圖

3 回采巷道頂板變形控制

3.1 回采巷道頂板破斷控制技術(shù)

根據(jù)特厚煤層回采巷道頂板淺部巖層受剪切-拉伸破壞嚴(yán)重，致使其承載能力減弱，引發(fā)破碎區(qū)惡性發(fā)展，導(dǎo)致塑性區(qū)范圍較大，巷道頂板下沉明顯等特征。設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索頂板控制技術(shù)。如圖2所示。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

特厚煤層回采巷道頂板控制的實(shí)質(zhì)是支護(hù)體適應(yīng)頂板破碎區(qū)巖層的大變形。采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨桿能夠及時(shí)、主動(dòng)地為巷道頂板淺部圍巖提供作用力，使圍巖受力均衡，提高殘余煤巖體強(qiáng)度，從而改善頂板煤體有害變形的擴(kuò)大趨勢(shì)，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性；另外，預(yù)緊力錨桿可將錨固范圍內(nèi)的軟弱巖層壓緊，使其組合成具有一定厚度、強(qiáng)度和抗彎剛度的整體性承載結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到錨固體共同變形、整體承載的目的。同時(shí)，巷道頂板煤體厚度較大，頂板塑形區(qū)破壞范圍已超過(guò)了其錨桿體的錨固范圍，離層常發(fā)生在非錨區(qū)域，頂板下沉和突發(fā)性垮落等現(xiàn)象[12]，造成巷道的嚴(yán)重破壞，因此需要利用預(yù)應(yīng)力錨索錨固深度大、錨固力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)頂煤的控制。預(yù)應(yīng)力錨索將錨固形成的組合梁以及非錨的塑形區(qū)巖層懸吊在頂板深部穩(wěn)固的巖層中，可充分調(diào)動(dòng)深部煤巖體的承載能力，有效阻止組合梁與上覆巖層的離層，并可降低頂板巖層的下沉量，從而有效控制巷道頂板的變形失穩(wěn)。

3.2 頂板破斷控制效果分析

下頁(yè)圖3體現(xiàn)了錨網(wǎng)索支護(hù)條件下巷道的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布及頂?shù)装鍘r移量等情況。由圖3-1巷道圍巖應(yīng)力分布圖可以看出，雖然錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)，特厚煤層回采巷道頂板淺部圍巖應(yīng)力集中區(qū)域仍然很明顯，同時(shí)垂直應(yīng)力大于支護(hù)前相對(duì)應(yīng)范圍的應(yīng)力值，但是相比于無(wú)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)來(lái)說(shuō)頂板應(yīng)力集中程度顯著降低。由圖3-2巷道塑性區(qū)分布可以看出，錨網(wǎng)索支護(hù)巷道頂板圍巖仍處于塑形狀態(tài)，但頂板塑形區(qū)范圍相對(duì)無(wú)支護(hù)巷道頂板塑形區(qū)明顯減小，說(shuō)明錨網(wǎng)索支護(hù)能與圍巖頂板形成協(xié)調(diào)支護(hù)方式，充分發(fā)揮圍巖的自撐能力，更好的穩(wěn)定支撐巷道頂板。另外，圍巖塑性區(qū)均未超過(guò)錨索的錨固范圍，因此，錨網(wǎng)索支護(hù)能夠及時(shí)控制頂板圍巖變形的惡性積累，遏止塑性區(qū)向圍巖深部貫通發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)維護(hù)圍巖穩(wěn)定的目的。由圖3-3中可以看出，施加聯(lián)合支護(hù)后，相對(duì)于無(wú)支護(hù)狀態(tài)，巷道頂板位移明顯降低，其中巷道頂板圍巖的收斂值為406 mm，降幅達(dá)21.5%，控制效果明顯。結(jié)果表明錨網(wǎng)索支護(hù)能夠提高巷道圍巖的完整性，降低應(yīng)力集中程度，從而限制巷道的變形破壞。

圖3 支護(hù)條件下巷道變化趨勢(shì)圖

4 井下工程應(yīng)用

對(duì)30509工作面運(yùn)輸巷回采期間巷道頂板錨桿索受力及離層情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)效果圖

由圖4-1可知，隨著工作面的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頂錨桿和頂錨索受力變化基本一致，距工作面67 m左右時(shí)，錨桿索受力達(dá)到最高點(diǎn)，此時(shí)，錨桿承受載荷為21.52 kN，錨索為34.88 kN，距工作面99～67 m范圍內(nèi)，錨桿的受力增幅為9.54 kN，錨索的增幅為21.3 kN；主要原因是錨索的較高預(yù)緊力，作用范圍大，抗強(qiáng)采動(dòng)能力高；說(shuō)明錨桿索能夠提高巷道頂板錨巖支護(hù)體的承載能力，保持巷道頂板圍巖的整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板主動(dòng)支護(hù)，從而有效限制巷道頂板的變形失穩(wěn)。

由圖4-2可知，測(cè)點(diǎn)距工作面62.8 m時(shí)，深點(diǎn)處的離層值為10.95 mm，淺點(diǎn)處離層值為7.61 mm，隨著工作面的不斷推進(jìn)，巷道頂板的變形量明顯增加，繼續(xù)推進(jìn)約30 m時(shí)，淺基點(diǎn)處的離層值達(dá)到最大38.11 mm，深基點(diǎn)處的離層值達(dá)到最大為39.60 mm，頂板離層主要集中在淺部位置?？傮w看來(lái)，30509工作面回采過(guò)程中運(yùn)輸巷頂板離層量較小，錨桿索支護(hù)效果較好。

5 結(jié)論

1）特厚煤層回采巷道頂板淺部圍巖主要發(fā)生拉伸-剪切破壞，表面圍巖破壞嚴(yán)重，承載能力弱，頂板下沉量大。

2）在提出錨網(wǎng)索頂板控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)值模擬支護(hù)效果，頂板淺部巖層卸荷應(yīng)力集中程度降低，圍巖塑形區(qū)明顯減小，頂板巖移量得到了控制。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐表明，錨網(wǎng)索支護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)特厚煤層回采巷道頂板控制的目標(biāo)，滿(mǎn)足礦井的安全生產(chǎn)要求。