特殊地質條件下K2灰巖裸頂支護的研究與應用

吳衛星

（皖北煤電集團臨汾天煜恒昇煤業生產技術部，山西省臨汾市，041000）

特殊地質條件下K2灰巖裸頂支護的研究與應用

吳衛星

（皖北煤電集團臨汾天煜恒昇煤業生產技術部，山西省臨汾市，041000）

根據恒昇煤業開采區域其構造簡單、地應力小、石灰巖頂板厚度大、強度高和分布穩定等特點，通過對井下巷道圍巖物理力學性質、圍巖組分、地應力狀況信息的收集整理，對頂板巖石采樣進行了力學實驗分析及巷道圍巖FLAC3D數值模擬，確定了圍巖的穩定性類型和應力分布，進而對裸頂支護進行全面研究分析，并提出支護設計。井下應用表明，所在區城裸頂支護是可行、高效和安全的。

K2灰巖 井巷支護 裸頂支護 數值模擬 圍巖應力

1 礦井概況

恒昇煤業為皖北煤電集團在山西臨汾整合的煤礦，目前恒昇煤業主采煤層為9＃－10＃煤層，位于太原組下部，平均厚度5.63m，傾角3～6°。9＃－10＃煤層直接頂板為淺海相K2石灰巖，厚12.2～15.10m，平均厚13.09m，全區分布穩定，反映了當時穩定的沉積環境。其底板為海相泥巖，平均厚1.82m，局部相變為砂質泥巖或細砂巖，區內由東往西逐漸變薄，煤層頂底板綜合柱狀圖見圖1，水文地質相對較簡單，煤層賦存也較穩定。井下主要采準巷道布置在K2灰巖下的9＃－10＃煤層中，主要采準巷道的支護形式為頂板采用錨梁網支護，兩幫采用錨桿支護。生產實踐表明：此種支護方式具有成本較高、施工速度慢和經濟技術合理性較差等缺點。本文針對特殊條件下K2灰巖的巖性，通過數值模型模擬，研究了K2灰巖巷道的裸頂支護。

2 巖樣物理力學性質測定

對恒昇煤礦現有采區巷道布置、工作面生產狀況、巷道支護現狀、采空區冒落特征、巖石堅硬程度、巖性組合特征、斷裂構造的位置及擺動范圍等進行了調研，并從恒昇煤礦井下9＃－10＃煤層開采工作面上方及采空區采取巖樣，委托安徽理工大學省級重點實驗室對巖樣的物理力學性質進行了測定。

圖1 煤層頂底板綜合柱狀圖

實驗室測定結果表明，恒昇煤礦9＃－10＃煤層頂板K2石灰巖層的抗拉強度最小為6.6MPa；三軸壓縮抗壓強度最小為175.6MPa；剪切凝聚力最小為15.7MPa；單向抗壓強度最小為79.9 MPa，大于60MPa，煤樣堅固性系數平均值為0.52，因此該巖層屬于完整堅硬的穩定巖層。根據該礦長期的圍巖觀察資料可知，頂板圍巖穩定性好，長期不支護并無碎塊掉落現象，經與《中國煤礦巷道圍巖控制》分類標準比較，巷道圍巖穩定性屬于Ⅰ類，即屬穩定圍巖巷道。

3 裸巷直接頂板力學分析

根據巖樣的物理力學性質及9＃－10＃煤層頂底板巖層的賦存特點，當裸頂支護時采區巷道的兩幫為煤柱支撐，可視作固定端約束。因巷道的長度遠大于其寬度和高度，即在長度方向尺寸遠大于巷道寬度和高度方向的尺寸。根據彈性力學中關于平面應力和平面應變問題的劃分原理，將巷道的受力情況視作平面應變情況，力學模型為兩段受固定端約束、直接頂巖層受上覆巖層均布載荷作用的梁式結構。

事實上，在現實條件下兩端支承的條件也有差異。當一側的采空區已采完時，上方的頂板已處于自由端狀態，此時接近于簡支梁支座。有些國家在做頂板力學分析時把淺部的礦井老頂按簡支梁計算，認為淺部礦井巖層頂板由于兩端煤體上集中壓力較小，因而可視為簡支梁支座，對深部開采的頂板視為固定梁。按9＃－10＃煤層開采工作面上方的直接頂板巖樣，建立力學模型后，經過一系列簡支梁和固定梁相關計算可得：按固定梁計算時，直接頂破壞的最大臨界厚度為4.68m；按簡支梁計算時，直接頂破壞的臨界厚度為5.74m。按簡支梁計算所得直接頂板的臨界厚度比按固定梁計算的大，而實際直接頂板巖層的最小厚度為12.2m，故無論按照何種載荷和何種約束，巷道直接頂板的厚度均大于臨界厚度，即直接頂不會發生拉裂和剪斷。

4 裸巷圍巖應力計算模型模擬分析

根據恒昇煤業的地質條件和圍巖物理力學參數建立了數值模擬計算模型，見圖2，計算模型的坐標系采用直角坐標系，XOY平面為水平面，Z軸為鉛垂方向。在水平面內，X軸表示東西方向，Y軸表示南北方向，并且，X軸正向指向正東方向，Y軸正向指向正北方向，Z軸正向指向正上方，坐標原點取在模型底面的左下方。邊界條件的設置采用模型周邊側向約束，左右前后邊界約束模型的水平方向位移，底面約束模型的垂直位移，本礦巷道布置水平為－320～－380m，建模時模型上部的壓力按400m深度圍巖形成的礦山壓力進行施加，約10MPa，圍巖本構關系采用摩爾－庫侖屈服準則。

圖2 數值模擬模型

通過建數值模型分別模擬了在礦山壓力作用下，分別沿巷道頂板向前掘進10m和30m時裸巷圍巖軸向垂直應力、軸向水平應力和軸向塑性區變化情況。

裸巷向前掘進10m、30m時的軸向垂直應力分布見圖3和圖4，從圖3和圖4可知，由于在煤層中開掘巷道，巷道兩側和工作面前方煤壁內必然要產生應力重新分布。隨著巷道的不斷向前掘進，圍巖中原始的應力平衡被打破了，巖體中的原巖應力得以釋放，這樣，就使得巷道周邊圍巖的垂直應力降低了，即形成減壓區。其中，巷道頂板上部2 m及底板下部2.3m范圍內應力降低最大，在距頂板上部8m及底板下部6m范圍處應力大小呈橢圓拱形形狀，應力值的變化范圍為2.5～9MPa，且均為壓應力；在巷道的正前方，出現了應力集中區域，為支承壓力區，最大應力值約12.63MPa，且隨巷道的向前掘進，該區也向前推進，且高應力區也在向深部轉移。

巷道向前掘進10m、30m時，沿巷道軸線方向的水平應力分布見圖5和圖6，從圖5和圖6可知，水平應力向頂底板的波及范圍也隨巷道掘進長度增大而增大。高應力區位于巷道上方及計算模型的最底部，對巷道無影響；沿頂板掘進時，巷道上方為K2石灰巖層，其強度大、整體性保持較好，對其下方的煤層提供的約束也較小，相對于沿底板掘進時的應力而言略小些。

巷道掘進10m、30m時產生的塑性區見圖7和圖8，從圖7和圖8可知，塑性區的分布范圍位于巷道的兩幫及底板，其中底板的分布范圍略大一些，原因在于巷道沿著頂板掘進，底板為煤層，相對石灰巖來說，煤層的抗壓、抗拉和抗剪強度越小，越容易破壞，而巷道圍巖的破壞主要為剪切破壞，且沿巷道兩邊受剪切破壞的范圍較大，當剪切區產生的剪切強度超過圍巖剪切強度時，產生塑性區。塑性區的范圍隨巷道的不斷向前推進在縮小，這是因已掘巷道圍巖中應力調整逐漸達到一種新的平衡，故塑性區的范圍有減小的趨勢。塑性區分布在兩幫外部約0～4.3m的范圍內，剪切破壞區位于兩幫外部約0～1.8m的范圍。

圖8 掘進30m時塑性區分布

5 巷道支護設計

依據分析經計算可知，恒昇煤礦9＃－10＃煤層直接頂板K2石灰巖厚度大、強度高，且埋深不大，工作面和巷道所受地壓較小，巷道掘進時對頂底板的破壞很小，鑒于此，巷道的支護方式如下：

對完整、無構造的K2灰巖段跟頂掘進時巷道頂板采用裸頂，幫部錨梁網支護方式；在存在構造裂隙、不太完整的K2灰巖段跟頂掘進時，頂部及幫部均采用錨梁網支護；底板為泥巖或鋁質泥巖，強度也較大，通過兩幫傳遞到地板的地壓也相對較小，故底板可不支護。

6 支護效果

圖9 巷道位移觀測曲線

7 結論

裸頂支護研究成果目前已成功應用于恒昇煤業井下采準巷道。經過長期的頂板離層和巷道圍巖變形觀測表明，采用裸頂支護的巷道在設計使用年限內巷道變形量小，無需進行二次修護。

采準巷道掘進時采用鉆探先行，物探論證的方法對頂板巖層內的構造、斷層帶及異常區等進行探測，對構造帶進行提前加固等預防性技術措施。對于服務年限長的準備巷道，為防幫部煤層風化自燃及片幫，對幫部裸煤進行噴漿。

應用表明，恒昇煤礦實行裸頂支護理論上是科學合理的，安全上是可靠的，技術上是可行的，經濟上是合理的。不僅減小了支護材料的運輸、搬運及支護工作量，降低了工人的勞動強度，而且徹底解決了掘支矛盾，提高了掘進效率，對此類地質條件下巷道的支護做出了合理經濟的支護方案。

［1］ 崔建井.軟巖大斷面硐室聯合支護施工技術［J］.中國煤炭，2011（1）

［2］ 何滿潮，袁和生，靖洪文等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐［M］.北京：科學出版社，2004

［3］ 康紅普，林健.我國巷道圍巖地質力學測試技術新進展［J］.煤炭科學技術，2001（7）

［4］ 袁亮.淮南礦區煤巷穩定性分類及工程對策［J］.巖石力學與工程學報，2004，（增2）

［5］ 康紅普，張鎮等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護技術［J］.巖石力學與工程學報，2010（10）

［6］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制［M］.北京：煤炭工業出版社，1984

Research and application of naked roof supporting of K2limestone layer under especial geology condition

Wu Weixing
（Production and Technology Department of Linfen Tianyihengsheng Coal Company of Wanbei Coal and Electricity Group，Linfen，Shanxi 041000，China）

Based on the features of the simple structure，small ground stress，thick roof，high strength，stable distribution of limestone roof in the mining area of Tianyihengsheng coal company，and by collecting and organizing the information of the physical－mechanical properties of subsurface tunnel wall rock，of the composition of wall rock，and of the condition of ground stress，it tested the mechanics of roof rocks and simulated the FLAC3Dnumerical of the tunnel wall rock，determined the stability types and stress distributions of wall rock，and analyzed systematically the naked roof supporting and put forwarded the designs for supporting.According to the application of subsurface mine，naked roof supporting is proved to be practicable，efficient and safe.

K2limestone layer，shaft and drift supporting，naked roof supporting，numerical simulation，stress in surrounding rocks

TD353

A

吳衛星（1979－），男，安徽淮北人，助理工程師，現工作于皖北煤電臨汾天煜恒昇煤業生產技術部。

（責任編輯 張毅玲）