松軟煤層巷道破壞原因及控制策略

周業(yè)國 溫良霞通訊作者 周長虹

1.畢節(jié)市地方煤礦勘測設(shè)計有限責(zé)任公司 貴州畢節(jié) 551700 2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 貴州畢節(jié) 551700

1 煤層工作面概況

某礦業(yè)25081 工作面為傾斜巷道回采工作面，工作面傾向長度755m，走向長度145m，主采3#煤層。煤層厚度3.14-6.93m，平均為5.25m，傾角2-12°，平均6°。煤層內(nèi)偶見1 層砂質(zhì)泥巖夾矸，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單。該工作面煤層直接頂板為4.8m 砂質(zhì)泥巖，基本頂為11.1m 細(xì)砂巖，基本底為2.6m 細(xì)砂巖。該工作面煤體的抗壓強(qiáng)度較低，煤層質(zhì)地松軟，工作面回采范圍內(nèi)節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在眾多小型斷層，對煤層穩(wěn)定性有較大影響[1]。

2 巷道破壞原因分析

在巷道掘進(jìn)過程中，圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖出現(xiàn)位移，發(fā)生破壞。同時，受到斷層的影響，該區(qū)域煤層頂板往往比較破碎。根據(jù)工作面地質(zhì)情況，在距切眼140m 處存在兩條斷層，落差分別為0.9m 和1.3m。對工作面冒頂情況進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在回采通過斷層期間，冒頂情況較為嚴(yán)重，冒落高度最大為3.3m。所以斷層對片幫的影響作用比較明顯。現(xiàn)場實踐表明，巷道圍巖在一定條件下能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)自穩(wěn)。在煤體巷道中，由于煤體強(qiáng)度較低，易發(fā)生片幫，從而增加巷道的實際寬度，應(yīng)力重新分布，頂板破壞區(qū)域也會相應(yīng)地增大，直至達(dá)到新的平衡。此時，得到的拱是達(dá)到破壞最大的極限區(qū)間，這時的自穩(wěn)平衡拱稱為“極限自穩(wěn)隱形拱”。根據(jù)極限自穩(wěn)平衡隱形拱理論，對巷道圍巖不穩(wěn)定區(qū)域及自穩(wěn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了劃分，綜合柱狀圖巷道開挖以后，若及時采取支護(hù)措施，幫部圍巖較為完整。根據(jù)自穩(wěn)隱形拱理論，自穩(wěn)隱形拱的破壞曲線公式為：

式（1）中，y 為自穩(wěn)隱形拱破壞高度，m；P0 為原巖應(yīng)力，MPa；W0 為巷道原始寬度，m；x 為支護(hù)寬度，m；σt 為抗拉強(qiáng)度，MPa。令x=0，得到自穩(wěn)隱形拱在巷道垂直方向上的最大發(fā)育高度：

在松軟煤層中或支護(hù)不及時的狀態(tài)下，巷道兩幫強(qiáng)度較低，取巷幫的垮落角為45°，此時兩幫的極限片幫深度L 的計算式為：

式（3）中，h 為巷道高度，m。此時，巷道片幫的深度最大，巷道的有效跨度最大，自穩(wěn)隱形拱處于最危險狀況。此時，極限自穩(wěn)隱形拱的輪廓方程為：

式（4）中，ylid 為極限自穩(wěn)隱形拱高度，m。令x=0，則可求得極限自穩(wěn)隱形拱的最大高度為：

松軟破碎巷道中出現(xiàn)頂板冒落的主要原因是沒有控制好兩幫，對煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，特別是在工作面發(fā)生周期來壓時，應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。在工作面移架時，液壓支架高度降低，此時頂板失去支撐發(fā)生下沉，使煤壁所受應(yīng)力進(jìn)一步增加。由于煤體的承載能力較差，疊加裂隙發(fā)育，容易造成煤壁受到破壞發(fā)生片幫。通過對工作面礦壓進(jìn)行觀測，煤壁大規(guī)模片幫現(xiàn)象主要發(fā)生在工作面周期來壓之后，且片幫體積較大，片幫持續(xù)時間較長[2]。

3 巷道圍巖控制策略

3.1 圍巖控制原理

只有當(dāng)巷道的幫部圍巖得到控制以后，極限自穩(wěn)平衡拱才縮小，變成自穩(wěn)平衡拱。此時可分為自然冒落區(qū)和垮落區(qū)，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可控制巷道頂板。依據(jù)強(qiáng)幫固頂?shù)脑瓌t，巷道圍巖得到有效的控制。同時，也可減小頂板的廣義跨度和破壞高度，有利于維持巷道的穩(wěn)定。

3.2 巷道支護(hù)原則

25081 巷屬于松軟煤層巷道，為了更好地維護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性，需遵循以下支護(hù)原則：①充分利用巷道圍巖的自身穩(wěn)定性進(jìn)行整體支護(hù)；②遵循強(qiáng)幫固頂?shù)脑瓌t，維護(hù)好巷道的兩幫，這樣才能控制巷道頂板的下沉，從而提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 支護(hù)設(shè)計方案

通過現(xiàn)場調(diào)研，利用自穩(wěn)平衡拱原理，結(jié)合松軟煤層巷道支護(hù)原則，確定最終的支護(hù)方案[3]。

圖1 巷道支護(hù)設(shè)計示意

4 支護(hù)效果監(jiān)測

在巷道掘進(jìn)完成后，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對巷道進(jìn)行支護(hù)。為了檢驗巷道圍巖的支護(hù)效果，為其他巷道的支護(hù)提供借鑒，采用垂直布點(diǎn)法對巷道圍巖位移情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 巷道圍巖位移情

對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)后采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)效果良好。在監(jiān)測初期，巷道圍巖變形較快，頂?shù)装逦灰扑俣冗_(dá)到1.45mm/d，在第30 天，巷道圍巖變形趨近于穩(wěn)定，說明巷道已經(jīng)穩(wěn)定，能夠滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語

綜合以上分析，得出以下結(jié)論：①松軟煤層巷道圍巖強(qiáng)度較低，利用極限自穩(wěn)平衡隱形拱理論分析得知，巷道兩幫失穩(wěn)會導(dǎo)致整個巷道失穩(wěn)；②幫部破壞深度直接影響頂板的破壞高度，因此幫部是支護(hù)的關(guān)鍵部位，依據(jù)強(qiáng)幫固頂原則，維護(hù)好巷道的兩幫，可以控制好巷道頂板的下沉，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性；③在巷道掘進(jìn)完成后，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對巷道進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)效果良好，滿足了生產(chǎn)需求，為該礦其他巷道的支護(hù)提供了借鑒。