基于切頂成巷的巷道頂板危險性分區(qū)試驗研究

郭鵬飛 袁亞迪 高玉兵 鄒寶平 葉鏗鏗 梁洪達

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興312000；2.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.浙江科技學院 土木與建筑工程學院，浙江 杭州310023)

煤炭是我國的主體能源，煤炭開采中巷道圍巖的穩(wěn)定性對煤礦的安全生產(chǎn)具有重要影響，據(jù)不完全統(tǒng)計，巷道頂板事故是煤礦各類事故中發(fā)生頻率最高、死亡人數(shù)最多的事故[1-2].在留煤柱長壁開采模式下，由于巷道圍巖僅受超前支承壓力的影響，在單體液壓支柱等臨時支護下，巷道圍巖能夠保持穩(wěn)定，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要.然而在切頂成巷時，巷道不僅要經(jīng)歷多次動壓的長期影響，而且沿空巷道要在下一工作面回采時使用，初次劃分的堅硬頂板可能由于多次動壓的影響就會變?yōu)橐酌奥涞乃绍涰敯?巷道頂板穩(wěn)定性受圍巖的巖石力學性質(zhì)、開挖方式、斷面支護設(shè)計等多種因素共同影響，即使地質(zhì)條件相似、支護設(shè)計相同的同一巷道，一段時間后也會發(fā)生不同程度的變形破壞,如巷道片幫、頂板風化、圍巖大變形及支護失效等[3-7].因此，基于切頂成巷的巷道圍巖危險性分區(qū)研究對保證切頂成巷技術(shù)的成功實施具有重要意義.

我國的圍巖分級發(fā)展主要經(jīng)歷三大階段：單一巖性指標階段(如巖石抗壓強度、彈模等)；單一綜合指標階段(如RQD法)；綜合指標階段(如BQ法、RMR法、Q法等)[8].RQD、BQ、RMR、Q法都是直接或者間接的從巖石完整程度、抗壓強度、節(jié)理的相關(guān)性質(zhì)等來對圍巖的穩(wěn)定性進行評價，對切頂成巷的巷道圍巖危險性分區(qū)有一定的指導意義.近年來，國內(nèi)外學者針對巷道圍巖穩(wěn)定性分析、穩(wěn)定性評價等開展了大量研究，取得了豐富的研究成果，張農(nóng)[9-10]通過物理模型實驗分析了不同區(qū)域頂板巷道的采動破壞特征，通過采場覆巖運動特征分析，對頂板不同區(qū)域內(nèi)巷道圍巖的裂隙分區(qū)評價，總結(jié)出了沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù).康紅普[11]對巷道掘進、留巷、留巷復用各階段中圍巖、充填體位移與錨桿、錨索受力數(shù)據(jù)分析后,評價了巷道圍巖支護效果并提出深部沿空留巷支護設(shè)計原則.柏建彪[12]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗的方法,研究了深部巷道圍巖穩(wěn)定性問題,提出了深部巷道圍巖控制的基本技術(shù)和控制方法.

綜上可知，現(xiàn)有的研究多集中在對巷道圍巖穩(wěn)定性分析、預留巷圍巖變形特征及支護設(shè)計等方面的研究，已有的研究成果對一定范圍內(nèi)的巷道穩(wěn)定性評價具有重要指導價值.然而，在切頂成巷中，對同一地質(zhì)條件下、同一地點的巷道發(fā)生多次、不同程度動壓長期影響下圍巖危險性分區(qū)的研究較少.因此，本文以禾草溝二號煤礦1105工作面為工程背景，通過理論分析、現(xiàn)場實測等手段，采用單一綜合指標方法，在分析預留巷道頂板危險性主要因素的基礎(chǔ)上，建立巷道頂板危險性評估模型，并通過現(xiàn)場試驗對評估模型進行驗證和優(yōu)化，為成巷前危險區(qū)、較危險區(qū)巷道頂板的支護設(shè)計提供重要參考.

1 工程實例背景

1.1 工程背景

延安市禾草溝二號煤礦地處延安市子長縣境內(nèi)，主采3#煤.1105工作面埋深45 m～59 m，工作面長120 m，順槽長度1 070 m，1105工作面巷道布置如圖1所示.工作面煤層均厚0.80 m，工作面平均采高1.2 m，煤層近水平分布.煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為1.90 m～2.54 m，均厚2.24 m.直接頂上部為細粒砂巖，厚度為5.62 m～10.02 m，均厚7.64 m；細粒砂巖上部為厚19.34 m～31.30 m、均厚24.35m的泥質(zhì)粉砂巖.直接底以泥質(zhì)粉砂巖為主，抗壓強度小，穩(wěn)定性較差.1105工作面鉆孔綜合柱狀圖如圖2所示.為了更清楚地了解1105工作面頂板危險性評價區(qū)間的巖性，對1105回風順槽切縫炮孔進行巖性窺視，繪制出煤層上方局部范圍內(nèi)巖性分布如圖3所示.

圖1 1105工作面巷道布置圖

圖2 1105工作面綜合柱狀圖

圖3 1105回風順槽頂?shù)装寰植繋r性分布

1.2 切頂成巷技術(shù)原理及工藝流程

切頂成巷技術(shù)[13]是在工作面煤層回采前，通過聚能爆破對頂板進行定向預裂，待工作面回采后，在礦山壓力的作用下，頂板沿預裂面垮落形成巷幫，超前工作面定向預裂能夠最大程度減弱采動應(yīng)力對沿空巷道的劇烈影響，優(yōu)化了巷道圍巖應(yīng)力分布.其工藝流程如圖4所示.

(a)恒阻大變形錨索補強支護

2 巷道危險性評估模型

2.1 影響因素分析

巷道頂板安全是多個因素共同作用的結(jié)果，因此找出巷道頂板安全起關(guān)鍵作用的因素至關(guān)重要.結(jié)合實際工程中采煤工藝、工程地質(zhì)條件，通過查閱現(xiàn)有關(guān)于巷道危險性評價的相關(guān)文獻資料[14-18]，目前,對于巷道頂板安全評估的指標主要有8個，如表1所示.基于上述巷道頂板安全影響因素，在切頂成巷中，切頂后待沿空巷道穩(wěn)定后需要撤出部分臨時支護，同時形成的沿空巷道需要在下一工作面回采使用，在這一過程中要經(jīng)受多次動壓的影響，在這一過程中礦井地質(zhì)構(gòu)造、頂板巖石性質(zhì)、頂板巖石抗壓強度、頂板淋水程度基本不受動壓影響，因此,切頂成巷巷道頂板危險性影響因素中不再考慮上述4點.同時頂板下沉量的變化能夠直接反映巷道頂板的穩(wěn)定性；工作面回采前，預留巷道頂板風化破碎，工作面推進過程中破碎頂板處錨桿(索)預緊力大幅下降甚至失效，由于沿空巷道要經(jīng)歷多次動壓影響，會加劇頂板斷裂的發(fā)育程度；切頂成巷中，隨著工作面的推進，采空區(qū)上方直接頂垮落，直接頂與老頂產(chǎn)生離層，頂板分層層數(shù)對上覆巖層離層產(chǎn)生影響.同時依據(jù)現(xiàn)有巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素選取原則——選取指標必須是對巷道頂板穩(wěn)定性有顯著影響，因此，提出了頂板最大下沉量、破碎率、斷裂發(fā)育程度和頂板分層層數(shù)為巷道頂板危險性評估的主要影響因素，巷道頂板危險性評估指標體系如圖5所示.

表1 巷道頂板安全評估指標

圖5 巷道頂板危險性評估指標體系

2.2 評估指標權(quán)重分配

基于選取4個指標，采用改進的AHP法[19-20]對頂板最大下沉量、破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)進行權(quán)重計算.通過建立的影響因素集對各個影響因素進行等級評價，使用判斷矩陣進行各個影響因素權(quán)重向量的計算，計算出各個影響因素權(quán)重向量的大小就是各個影響因素的權(quán)重.計算得出各個影響因素權(quán)重分別為0.111、0.222、0.167、0.500，危險性評估指標權(quán)重系數(shù)如圖6所示.

圖6 危險性評估指標權(quán)重系數(shù)

2.3 評估標準及其歸一化

巷道頂板危險性評估需要確定分區(qū)指標的標準值，基于分區(qū)指標本身的可行性、科學性、代表性和獨立性，結(jié)合國內(nèi)外切頂成巷巷道頂板最大下沉量、破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)的相關(guān)文獻，得出不同影響因素的評價標準，同時把巷道頂板危險性分為危險區(qū)、較危險區(qū)、相對穩(wěn)定區(qū).在巷道頂板危險性評估標準中，為了消除量綱和取值范圍的差異同時方便數(shù)據(jù)的處理，對不同影響因素進行歸一化處理，歸一化后危險區(qū)、較危險區(qū)、相對穩(wěn)定區(qū)的值分別為0.17、0.33、0.50，巷道頂板危險性評估標準如表2所示.

表2 巷道頂板危險性分區(qū)指標評估標準及其歸一值

2.4 危險性分區(qū)綜合指數(shù)法評價模型

綜合指數(shù)法將各項指標轉(zhuǎn)化為同度量的個體指數(shù)，便于將各項指標綜合起來，通過綜合指數(shù)來為綜合評比提供依據(jù)，各項指標的權(quán)數(shù)是根據(jù)其重要程度決定的，體現(xiàn)了各項指標在綜合值中作用的大小.在使用過程中綜合指數(shù)法具有方法簡單、容易理解，能夠彌補單一指標評價體系帶來的誤差和不準確.

基于綜合指數(shù)法，建立了綜合指數(shù)分區(qū)評估模型為：

y=a1k1+a2k2+a3k3+a4k4

(1)

式中：a1、a2、a3、a4分別指頂板最大下沉量、破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)對應(yīng)的權(quán)重值，k1、k2、k3、k4分別指頂板最大下沉量、破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)對應(yīng)的歸一化值，y為巷道頂板危險性分區(qū)綜合指數(shù).根據(jù)綜合指數(shù)y的取值大小,將巷道內(nèi)頂板危險性劃分為3個評價等級見表3.

表3 巷道頂板危險性評估等級

3 工業(yè)性試驗

為了更好地對巷道頂板危險性進行評估，同時為了驗證和優(yōu)化上述巷道頂板危險性評估體系的正確性，分別與頂板破碎率為主要評估因素、頂板最大下沉量為主要評估因素的兩種情況下進行對比.

3.1 破碎率為評估依據(jù)的頂板危險性分區(qū)

在工作面回采之前，由于地應(yīng)力、采動等多種因素造成巷道頂板發(fā)生破碎剝落,如圖7所示，頂板越破碎，巷道頂板發(fā)生冒頂?shù)奈ｋU性越大.以頂板破碎率作為影響頂板危險性的主要因素，對1105工作面回風順槽巷道內(nèi)730 m～1 060 m進行數(shù)據(jù)采集、記錄并繪制頂板危險性分區(qū)圖，如圖8所示.由圖8可知:在距切眼位置730 m～830 m、880 m～889 m、1 009 m～1 014 m、1 050 m～1 060 m頂板破碎嚴重，評估為危險區(qū)；距切眼位置852 m～859 m、889 m～1 005 m、1 030 m～1 040 m評估為較危險區(qū)；剩余位置評估為相對穩(wěn)定區(qū).

圖7 工作面回采前局部頂板破碎區(qū)域

圖8 頂板破碎率為判別依據(jù)的危險性分區(qū)

3.2 最大下沉量為評估依據(jù)的頂板危險性分區(qū)

在切頂成巷中，由于巷道內(nèi)地質(zhì)條件的變化，同一巷道內(nèi)在不同的位置在原有支護施做之后仍會發(fā)生不同程度的下沉,如圖9所示，巷道頂板發(fā)生下沉時，頂板巖層內(nèi)部易產(chǎn)生離層，導致錨桿(索)失效，巷道變形量越大，巷道頂板穩(wěn)定性越差，以巷道大下沉量為主要評估依據(jù)，對1105工作面回風順槽730 m～1 060 m進行頂板最大下沉量數(shù)據(jù)采集并繪制頂板危險性分區(qū)圖如圖10所示.由圖10可知：距切眼760 m～798 m、914 m～950 m、1 006 m～1 009 m、1 030 m～1 040 m，評估為危險區(qū)；距切眼1 050 m～1 060 m巷道段評估為較危險區(qū)；剩余巷道區(qū)段評估為相對穩(wěn)定區(qū).

圖9 局部頂板下沉區(qū)域

圖10 頂板最大下沉量為判別因素的危險性分區(qū)

3.3 綜合指數(shù)法的危險性分區(qū)

采用綜合指數(shù)法以頂板最大下沉量、頂板破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)為依據(jù)進行巷道頂板危險性評價，對1105工作面回風順槽730 m～1 060 m處進行數(shù)據(jù)采集，把相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)中，部分區(qū)段位置巷道頂板危險性分區(qū)綜合指數(shù)如表4所示，將整個巷道區(qū)段采集數(shù)據(jù)進行綜合指數(shù)計算后繪制出巷道頂板危險性分區(qū)如圖11所示.

表4 730 m～838 m及950 m～1 005 m區(qū)間危險性分區(qū)

圖11 綜合指數(shù)法的巷道頂板危險性分區(qū)

由圖11可知：距切眼730 m～838 m、880 m～889 m、914 m～950 m、1 005 m～1 014 m、1 030 m～1 060 m、1 050 m～1 060 m綜合評價為危險區(qū)；距切眼852 m～859 m、950 m～1 005 m為較危險區(qū)；其余位置劃分為相對穩(wěn)定區(qū).通過圖8、圖10、圖11的對比，以頂板破碎率和頂板最大下沉量為主要依據(jù)對巷道頂板危險性評估時，兩者在巷道頂板危險性評估結(jié)果上是不太吻合的，而采用綜合指數(shù)法對巷道頂板危險性評估中，巷道頂板危險性分區(qū)結(jié)果更能全面反映巷道頂板危險性分區(qū)，較前兩種評價結(jié)果更加的準確，同時計算結(jié)果與現(xiàn)場實際情況較為吻合，驗證了該評估方法的可靠性與準確性，為巷道內(nèi)不同區(qū)域的加固與否以及加固方案的設(shè)計提供了重要依據(jù).

4 巷道危險性評價后對危險區(qū)、較危險區(qū)補強支護效果分析

4.1 較危險區(qū)、危險區(qū)補強支護設(shè)計

基于1105工作面回風順槽730 m～1 060 m區(qū)段危險性分區(qū)結(jié)果，為了能夠有效地對巷道頂板下沉、破碎、裂隙發(fā)育進行控制，對危險區(qū)、較危險區(qū)采用增加錨索數(shù)量來控制頂板破碎和裂隙發(fā)育，改變單體支柱排列及組合方式來控制頂板下沉.具體補強支護方案如下：首先，對于較危險區(qū)，在原支護的基礎(chǔ)上，在沿空巷道的巷內(nèi)支護由1根單體支柱加強為一梁兩柱，排距1 m.第二，對于危險區(qū)，在較危險區(qū)補強支護方案的基礎(chǔ)上，沿空巷道巷內(nèi)支護由一梁兩柱加強為一梁三柱，排距0.5 m. 第三， 對于危險區(qū)、 較危險區(qū)超前工作面普通錨索補強支護，沿巷道軸線方向施工普通錨索，距1105工作面回風順槽副幫0.5 m、排距1.6 m，近副幫側(cè)錨索與鉛垂線夾角為10 °；沿巷中線施工普通錨索，排距3.2 m；錨索直徑為21.8 mm，長6.3 m，預緊力不小于18 t，托盤規(guī)格為200 mm*200 mm*10 mm.較危險區(qū)、危險區(qū)補強支護設(shè)計如圖12至圖15所示.

圖12 較危險區(qū)巷內(nèi)支護斷面圖

圖13 較危險區(qū)巷內(nèi)支護俯視圖

圖14 危險區(qū)巷內(nèi)支護斷面圖

圖15 危險區(qū)巷內(nèi)支護俯視圖

4.2 補強支護后成巷效果分析

1105工作面回風順槽730 m～1 060 m區(qū)段補強支護后，分別在危險區(qū)、較危險區(qū)及相對穩(wěn)定區(qū)設(shè)置測站，對各個分區(qū)巷道變形進行監(jiān)測.危險區(qū)、較危險區(qū)和相對穩(wěn)定區(qū)測站分別位于距開切眼810 m、970 m及870 m處.對各個測站記錄數(shù)據(jù)進行整理分析并繪制曲線如下：圖16為巷道補強后頂板下沉量與距工作面距離變化，圖17為巷道補強后兩幫移近量與距工作面距離變化.

圖16 巷道頂板下沉量與距工作面距離關(guān)系曲線

圖17 巷道兩幫移近量與距工作面距離關(guān)系曲線

由圖16及圖17可知,(1)沿空巷道穩(wěn)定后危險區(qū)內(nèi)巷道頂板下沉量明顯高于其他兩個區(qū)域，危險區(qū)巷道頂板下沉量最大值為210 mm，比相對穩(wěn)定區(qū)、較危險區(qū)分別增大70 mm、25 mm.在超前工作面范圍內(nèi)三個區(qū)域測站的頂板下沉量都在逐漸增加，隨著工作面的向前推進，頂板下沉量逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，說明巷道進行危險性分區(qū)后對不同區(qū)域采用補強支護是必要的，在該階段內(nèi)巷道變形速率與巷道頂板分區(qū)相關(guān)性較大，巷道圍巖變形受支護質(zhì)量影響較大；在滯后工作面25 m范圍內(nèi)，三個區(qū)域頂板下沉量均急劇增大，這是由于工作面回采后沿空巷道頂板巖層在采動應(yīng)力的影響下變形劇烈，說明在該階段內(nèi)巷道變形速率與巷道頂板分區(qū)相關(guān)性較小，巷道圍巖變形受上覆巖層回轉(zhuǎn)變形影響較大.(2)由于受到巷道圍巖應(yīng)力、采動等影響，危險區(qū)巷道兩幫移近量比其他兩個區(qū)域顯著增大.危險區(qū)巷道兩幫移近量最大值為26 mm，比相對穩(wěn)定區(qū)、較危險區(qū)分別增大11 mm、6 mm.在超前工作面30 m范圍內(nèi)相對穩(wěn)定區(qū)域兩幫移近量達到最大并趨于穩(wěn)定，在超前工作面40 m范圍內(nèi)較危險區(qū)域兩幫移近量達到最大并趨于穩(wěn)定，在超前工作面50 m范圍內(nèi)危險區(qū)域兩幫移近量達到最大并趨于穩(wěn)定，并且三個區(qū)域穩(wěn)定后的兩幫移近量有一定的差距，說明在超前范圍內(nèi)巷道兩幫移近速率與巷道頂板分區(qū)相關(guān)性較大；在滯后工作面20 m范圍內(nèi)，三個區(qū)域兩幫移近量均急劇增大，隨著工作面的推進，巷道兩幫移近速率逐漸增大，主要受采動應(yīng)力的影響，表明在該階段內(nèi)巷道兩幫移近速率與巷道頂板分區(qū)相關(guān)性較小.(3)沿空留巷前預留巷道的補強支護能夠有效控制沿空巷道圍巖穩(wěn)定性，但留巷前巷道頂板的弱化難以通過補強支護完全消除，錨桿(索)補強支護對頂板完整性的提升是有限的，后期應(yīng)考慮局部注漿等措施進行加強.

5 結(jié)論

(1)針對單一影響因素下切頂成巷的巷道危險性評價方法單一、評價結(jié)果不一致、評價結(jié)果粗糙等問題，提出了考慮多因素共同影響的巷道危險性評價體系.

(2)采用綜合指數(shù)法，引入基于切頂成巷的巷道頂板危險性評估方法，建立了頂板最大下沉量、破碎率、頂板斷裂發(fā)育程度、頂板的分層層數(shù)為主要因素的評估模型.通過現(xiàn)場試驗，驗證了巷道頂板危險性評估模型及方法的合理性與準確性，為巷道內(nèi)不同區(qū)域的加固與否以及加固方案提供重要依據(jù).

(3)沿空巷道頂板在超前工作面0 m～40 m范圍內(nèi)頂板變形速率在逐漸減小，主要是由于巷道圍巖變形受采動、支護質(zhì)量的共同影響；在超前工作面40 m～100 m范圍內(nèi)頂板變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，主要是由于巷道所處位置不在采動影響范圍內(nèi)且開挖后對巷道進行了一定的錨桿(索)支護；在滯后工作面20 m范圍內(nèi)頂板變形速率急劇增大.

(4)基于切頂成巷的巷道頂板危險性分區(qū)結(jié)果，切頂成巷前對危險區(qū)和相對危險區(qū)進行有針對性的補強支護十分必要，補強支護能夠有效控制沿空巷道圍巖的變形，但危險區(qū)內(nèi)巷道圍巖變形量依然較另外兩分區(qū)大，留巷前巷道頂板的弱化難以通過補強支護完全消除，錨桿索補強支護對成巷后頂板完整性的提升是有限的，后期應(yīng)考慮局部注漿等措施進行加強.