大跨度切巷特厚軟弱頂板穩定性控制技術研究

朱曉慶

（同煤集團雁崖煤業有限公司，山西 大同037031）

隨著經濟的發展，我國對煤炭的消耗量與日俱增，2012年我國煤炭開采總產量達到36.6億噸，然而在此過程中，煤礦安全問題并未得到根本性的改變，每年都有數以千計的工人死于煤礦事故，尤其是在煤礦頂板事故及其控制技術方面，從2001年后，頂板事故死亡人數開始超過瓦斯、涌水等單項事故死亡人數，在煤礦事故中開始占據主導地位，其所占比例從1998年的26.5%逐漸增加到2006年后的40%左右，并有進一步上升的趨勢（見圖1）。

圖1 各類事故死亡人數所占比例

巷道跨度及頂板巖性無疑是影響巷道頂板穩定性的兩大重要因素〔1－3〕，為適應機械化開采的發展，巷道跨度逐漸增加，尤其是回采面切巷部分，在同煤集團雁崖煤礦二疊紀山4＃層三盤區的8301首采工作面，其切巷跨度達到7.8m，給頂板的變形破壞帶來了極大的風險，此外，該切巷上部存在較厚的高嶺巖、煤線、泥巖等軟弱圍巖，降低了支護結構性能的發揮。本文以上述切巷為研究對象，分析大跨度巷道頂板冒落破壞的機理，提出“重減跨－強護表－建整體”的支護理念，并進行工業性實驗，效果良好。

1 工程概況

雁崖煤礦8301工作面位于1070水平，山4＃層三盤區西翼。工作面西部、南部為實煤區，東部為盤區輔運巷、皮帶巷、回風巷，北部為8302工作面，正在掘進中。工作面距上部14＃煤層層間距為270～330m，距地表的距離為400～458m。設計走向長度2072.4～2106.6m，可采走向長度1842.5m，傾斜長度228m，煤層厚度為3.4m，容重1.47t／m3。

山4＃煤層為半亮型、暗淡型煤，玻璃光澤，塊狀，總厚度為2.9～4.2m，煤層中普遍含有2～3層夾石，局部含有1層夾石，夾石巖性為黑色炭質泥巖，灰黑色砂質泥巖，灰褐色高嶺巖。直接頂以高嶺巖為主，老頂為泥巖，二者之間還含有1層煤線，軟弱頂板總厚度達到20多米，詳細地質情況見圖2。

圖2 鉆孔地質柱狀

2 大跨度切巷特厚軟弱頂板破壞機理分析

造成巷道頂板冒落破壞的本質是圍巖體的破碎，而破碎則由眾多裂縫相互交錯形成，當拉應力超過巖體的抗拉強度后，頂板出現拉裂縫，而剪應力超過巖體的抗剪強度后，頂板也會產生剪裂縫。對于雁崖煤礦8301工作面切巷來說，巷道的大跨度和頂板的軟弱巖體無疑是造成巷道頂板冒落破壞的重要因素。

2.1 跨度對頂板穩定性的影響分析

根據彈塑性力學，巷道頂板可以簡化為均布載荷q和兩端張力S作用下兩邊固支的無限長薄板進行計算（見圖3）。

圖3 巷道頂板計算模型

對撓度曲線方程式（1）進行求導：

可推導得到最大撓度為：

式中：w為巖層撓度，m；n、an為系數；l為巖層寬度，m；S為巖層張力，kN／m；E為巖層彈性模量，MPa；h為巖層厚度，m；μ為巖層泊松比。

由式（2）可知，隨著巷道跨度的增加，其頂板最大下沉量呈4次函數增加，對于8301工作面切巷，其跨度為該工作面順槽跨度（4.8m）的1.625倍，其它條件不變時，前者變形是后者的6.97倍。頂板下沉量的增加勢必引起下表面巖體內部拉應力的上升，而巖體的抗拉強度往往只有抗壓強度的1／10左右，使得巖體率先出現拉裂縫。在頂板穩定性控制時，應采取一定的措施，盡量降低頂板的跨度。

2.2 巖性對頂板穩定性的影響

頂板巖性對其穩定性的影響主要體現在自身對外部荷載的承載力和對支護結構的承載力兩個方面，8301工作面切巷頂板是20多米厚的高嶺巖、煤線和泥巖等軟弱巖體，該類巖體裂隙發育、粘聚力和內摩擦角小，尤其是兩層巖體之間的煤線，使原本不良的頂板地質條件變得更加惡劣，下部高嶺巖和上部泥巖在煤線處發生離層的可能性增加，巖體整體性下降，承受外部荷載的能力較低。此外，軟弱巖體的彈性模量較硬巖低，根據式（2），彈性模量的下降也增加了頂板的表面沉降，加速了頂板的變形破壞。

頂板巖性對支護結構承載影響方面，隨著支護技術的提高，錨桿、錨索是目前常用的支護結構，根據技術的要求，錨桿錨索得到良好支護效果的前提就是要有一定厚度的穩定巖體，為錨桿、錨索支護效果的發揮提供足夠的抗拔力。軟弱圍巖中安裝錨桿后，錨固劑在錨桿與巖層之間形成的粘結力降低，使錨桿在達到屈服荷載前就發生滑動，阻礙支護效果的發揮；即便通過加長錨固來消除上述影響，在錨固段，錨桿自身拉應力轉化為巖體的剪應力，當巖體抗剪強度不足時，錨固段周圍巖體發生剪切破壞，使錨桿滑動，支護性能降低。

3 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制研究

3.1 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制機理分析

根據第2章分析可知，控制8301工作面切巷頂板穩定性的本質是減小巷道跨度、增加頂板巖體抗拉強度和抗剪強度，特此提出“重減跨－強護表－建整體”的支護理念。

（1）重減跨。減小頂板跨度對8301切巷的穩定性控制具有質的作用，但考慮到綜采機械的需要，實際跨度又不可能縮減太多，為此，采用木垛和單體液壓支柱組建“活動減跨結構”，來減小頂板跨度，同時又不影響采煤機具的布置。具體做法如下：在巷道中部布設承載力較大的方形木垛，頂板兩側布設單體液壓支柱，二者頂部架設π形鋼梁支承上部巖體荷載。隨著綜采液壓支架的布設到位，逐步拆除上述支承結構。

（2）強護表。減跨措施是一種被動支護，尤其是木垛，雖然其承載力較高，但只有使巷道發生變形后，該結構才能起到支護作用，而在這個變形過程中，巷道頂板往往發生拉裂或剪切破壞。因此，除了減跨支護結構外，頂板還需要布設錨桿、錨索等主動支護設施。

在軟弱圍巖中，錨桿支護作用機理更側重于組合梁理論，在預緊力作用下形成的壓縮區相互重疊，最終形成壓縮梁來抵抗上部荷載作用（見圖4），在圖中可以發現，錨桿預緊力形成的壓縮區并不是一個完整矩形，彼此錨桿之間仍然存在非壓縮區，頂板變形后，上述區域巖體將率先發生破壞，為了控制這些薄弱區域，在8301工作面頂板支護時，增加強護表結構—W型鋼帶，利用W型鋼帶將錨桿聯系到一起，提高了錨桿支護的整體性，更重要的是，鋼帶的增加承擔了頂板下沉產生的拉應力，降低了頂板巖體內部的拉荷載，保護了頂板的穩定性。

圖4 錨桿支護機理及其不足

（3）建整體。巷道支護是整體工程，頂板巖體最終要坐落于兩幫上，兩幫的穩定與否，直接決定頂板的穩定。在加強頂板支護的同時，也要重視兩幫的支護，建立巷道的整體支護系統。為此，在8301巷切巷主要采取“錨桿＋金屬網＋鋼帶”的聯合控幫技術。

3.2 大跨度切巷特厚軟弱頂板控制技術實施

根據文章研究，結合礦區以往工程案例，8301切巷掘進時采用兩次成巷技術，掘進跨度分別為4.8m和3.0m，詳細支護參數如下：

（1）8301工作面切巷頂板支護。單體液壓支柱：距兩幫0.5m，排距1200mm；井字形木垛：一次成巷靠近工作面側布置，排距同單體液壓支柱。

左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22mm、長度為2500 mm，間排距為600mm×1000mm；配合W型鋼帶，規格為長×寬×厚＝5100mm×250mm×4mm及長×寬×厚＝3300mm×250mm×4mm；錨索直徑為17.8mm、長度為5300mm，間排距為1500mm×2000mm，每排5根錨索，配300mm×300mm×16mm普通方鐵托板；金屬網為50 mm×50mm。

（2）8301工作面切巷兩幫支護。左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，Φ22mm×2000mm，間排距為900mm×1000mm，每排3根錨桿；配合W型鋼帶，規格為450mm×280mm×4 mm；金屬網為50mm×50mm。

（3）效果檢測。在8301切巷施工過程中，通過對頂板觀測，其下沉量變化規律見圖5。

圖5 掘巷過程中切巷頂板沉降變化規律

由圖5知，巷道開挖后，圍巖應力釋放，頂板下沉量逐步上升，一次成巷過程中，頂板下沉量為20.6mm；受二次成巷的擾動，原本穩定的頂板繼續下沉，開挖完成11天后，基本保持穩定，二次成巷過程中，頂板沉降量為11.4 mm，為一次成巷的55.47%。整個切巷成巷過程中，頂板最大下沉量為32.4mm，滿足切巷安全使用的要求。

4 結語

通過雁崖煤礦8301工作面切巷實踐，對大跨度切巷特厚軟弱頂板破壞機理及控制技術，得到以下主要結論：

1）巷道頂板下沉量隨著巷道跨度呈4次函數增加，彈性模量較低的軟弱巖性也加速了8301工作面切巷頂板的下沉，同時也增加了錨桿錨固段巖體剪切破壞的概率，阻礙了錨桿支護效果的發揮。

2）減小巷道跨度對切巷頂板穩定性控制具有質的作用，同時，加強頂板支護整體性及提高巖體抵抗拉荷載的能力也決定著頂板穩定性控制的效果。

3）實踐表明，“重減跨－強護表－建整體”的支護理念具有良好的工程應用價值，8301工作面切巷成形全過程中，頂板最大沉降量為32.4mm，保證了巷道的安全生產。

〔1〕孔祥義，吳士良 .綜放大斷面煤巷錨網支護礦壓規律〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2001，3（1），8－10，55.

〔2〕梁賽江 .深井綜放工作面支承壓力分布及圍巖控制研究〔D〕.青島：山東科技大學，2007.

〔3〕韋四江，勾攀峰，于春生 .大斷面破碎硐室圍巖蠕變模擬及控制技術〔J〕.采礦與安全工程學報，2013，30（4）：489－494.