淺埋煤層掘進工作面合理空頂距研究*

霍軍鵬，白銘波

(陜西陜北礦業韓家灣煤炭有限公司，陜西 神木 719316)

0 引言

目前，國內外對于淺埋煤層號的相關研究主要集中在所考察礦區的頂板圍巖及其活動規律，并且建立力學模型，根據相應的力學理論進行分析[1]。在巷道掘進工藝中，空頂距離的大小對巷道掘進工作的安全與生產效率影響很大[2-4]。空頂距小，雖然可以保證安全，但造成掘進作業與支護作業交替頻繁，影響生產效率；空頂距大，可以減少交替作業次數，有助于組織生產，提高工作效率，但隨之帶來的冒頂隱患風險增大，掘進人員的生命安全將受到嚴重的影響[5]。因此，在確保安全生產的情況下，確定一個空頂距離的合理尺寸就顯得尤其重要。對于巷道的掘進，空頂距造成的生產效率與安全之間的矛盾顯得很突出[6-8]。隨著韓家灣煤礦開采范圍進一步擴大，控頂距問題將日顯突出，成為韓家灣煤礦高產高效與安全生產的主要制約因素，給礦區可持續健康發展帶來極為不利的影響。

在綜合考慮韓家灣3-1煤層巷道圍巖條件和掘進安全的前提下，確定合理的掘進空頂距離是實現巷道安全快速掘進的有效途徑[9]。目前，韓家灣煤礦井下掘進施工時如何合理的確定掘進工作面的控頂距，成為掘進期間的難題，采用工程類比和現場摸索試驗的方式確定巷道最大空頂距離存在很大的盲目性[10]。故此，選取適用于淺埋煤層的薄板理論建立數學模型，采用相關力學模型和模擬計算進行綜合分析，以確定現場最佳的控頂距。

1 工程概況

韓家灣煤礦3304工作面皮帶巷與輔運巷同時掘進，與3303輔運巷形成3304工作面，地面標高+1 295～+1 332 m，頂板標高+1 147～+1 175 m。3304皮帶巷開掘進尺寸5 m×2.8 m(寬×高)，斷面面積14 m2，巷道凈尺寸5 m×2.7 m(寬×高)，斷面面積13.5 m2，設計長度為2 391 m。3304輔運巷掘進尺寸5 m×2.9 m(寬×高)，斷面積14.5 m2，巷道凈尺寸5 m×2.75 m(寬×高)，斷面積13.8 m2，設計長度為2 393.7 m。

3304掘進工作面煤層頂板以直接頂為主，直接頂巖性為泥巖，平均厚度約2.93 m；老頂為淺灰色的細粒粉砂巖，夾泥巖薄層。煤層底板為灰色粉砂巖，厚度約8.3 m。頂板巖層在未遇水及風化情況下具有一定自承能力和保護頂板巖層塌落的能力。

2 泥巖軟弱頂板空頂距理論分析

巷道開挖后頂板應力狀態發生變化，淺部圍巖由原來的三向應力狀態轉變為二向應力狀態，圍巖承載能力降低，當圍巖應力超過極限強度后，圍巖便逐漸破壞，應力亦向深部轉移。由此可見，圍巖是由淺至深逐漸發生破壞，掘巷后短時間內主要淺部圍巖(可看作直接頂)的破壞。同時臨時支護的作用主要是防止空頂區冒頂以及直接頂過大下沉，對深部圍巖的控制作用較小，因此，直接頂是掘巷期間空頂區頂板圍巖控制的關鍵。為此，建立空頂區直接頂穩定性分析力學模型，對確定韓家灣煤礦合理空頂距有著重要意義。當巷道跨度一定時，最大空頂距取決于懸露頂板在巷道掘進方向上的最大可穩定長度。因此韓家灣煤礦3304工作面皮帶巷和輔運巷可以簡化為同一力學模型。從力學角度看，韓家灣煤礦巷道泥巖直接頂相當于矩形薄板。在求解薄板彎曲問題時，位移分量均可表示為撓度的函數。從而位移作為基本未知量(即位移法)來求解有明顯的優點。將巷道頂板看作三邊固支，一邊簡支的板。巷道跨度為a，掘進方向未支護長度為b，頂板厚度為h，如圖1所示。

圖1 韓家灣巷道頂板力學模型

通過有關板的理論，在均布荷載q的作用下，根據關于薄板的理論，在均布荷載的作用下，板內的應力分布見式(1)

(1)

設巷道頂板的極限抗拉強度為[σt]，頂板即將破壞將參數代入上式，最終可以得到最大空頂距b。

(2)

式中，q為頂板所受載荷，MPa；a為巷道寬度，m；h為頂板下位巖層厚度，m；σt為抗拉強度，MPa；b為空頂距，m。

(3)

式中，B為實際最大空頂距，m；k為安全系數。

根據韓家灣煤礦頂板巖性分析結果，煤層直接頂主要為細粒砂巖和泥巖組成，這2層巖層所承受的載荷主要以其自身重量和其以板結構所承受的上覆巖層傳遞載荷，根據現場勘查取樣，泥巖分布不均呈逐漸減小趨勢，在考慮到巖石巖性及地質構造并在保證安全的情況下，取泥巖均厚為0.7 m，細粒砂巖均厚為3.3 m。則根據載荷公式可得

q=γh=0.7×20+3.3×26=0.10 MPa

試驗得其抗拉強度δt=1.75 MPa。將載荷和抗拉強度的值代入式(2)可得空頂距b為10.08 m。需要注意的是，上述結果是在理想化條件下獲得的，且認為巷道兩幫對頂板提供了足夠的支撐。實際上，巷道兩幫煤壁的穩定情況是影響空頂范圍內人員安全的另一個不可忽視的重要因素，工程上合理的空頂距還應當根據施工中煤壁的穩定情況確定安全系數。綜合考慮各項因素，如果安全系數定為1.3，則空頂距為7.75 m；如果安全系數定為1.4，則空頂距為7.2 m。在巷道實際施工過程中，如遇到煤層較為破碎或構造明顯等情況時，應根據實際情況適當縮小最大空頂距。

3 空頂數值模擬及工程實踐分析

為了避免現場試驗所帶來的危險性，運用FLAC3D數值模擬軟件對掘進巷道空頂距進行模擬分析，分析在不同空頂距條件下的巷道圍巖力學參數變化形態及圍巖運移規律，從而對比得出最優的空頂距離。

3.1 模擬方案的建立

根據理論分析，巷道掘進后，由于頂板有較好的支撐效果，可以空頂作業7.2 m后進行支護，故此，在該數值模擬中先對巷道進行一個循環的支護，再進行分次開挖，分別以4 m、6 m、7.5 m、8.5 m為空頂距并布置監測點，研究頂板和幫部的應力和位移情況。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 空頂距為4 m的模擬結果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖2所示。巷道開挖后由于沒有施加任何支護，巷道淺部圍巖切向荷載迅速增加并超過圍巖抗壓強度而發生破壞，圍巖向巷道空間內鼓出。監測點巷道圍巖位移量呈線性增加直至平緩穩定，監測點位移量極值分別為頂板22 mm、左幫14 mm、右幫13 mm。當空頂2 m時頂板和兩幫位移較小，且在安全范圍內，故可繼續掘進并延遲支護。

3.2.2 空頂距為6 m的模擬結果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖3所示。監測點位移量極值分別為頂板27 mm、左幫14 mm、右幫13 mm。當空頂4 m時頂板和兩幫位移較小，且在安全范圍內，故可繼續掘進并延遲支護。

圖3 空頂6 m時巷道圍巖位移云圖

3.2.3 空頂距為7.5 m的模擬結果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖4所示。監測點位移量極值分別為頂板32 mm、左幫20 mm、右幫19 mm。當空頂7.5 m時頂板和兩幫位移較小，巷道圍巖基本保持穩定。

圖4 空頂7.5 m時巷道圍巖位移云圖

3.2.4 空頂距為8.5 m的模擬結果

沿巷道中軸線切片所得位移云圖如圖5所示，監測點變化規律曲線如圖6所示。監測點位移量極值分別為頂板38 mm，左幫22 mm，右幫12 mm。當空頂8.5 m時巷道頂板和兩幫均產生明顯的位移變化，頂板最大下沉量達到53 mm，兩幫移近量達到26 mm，巷道圍巖應力過大，增加了施工的危險性。因此，在理想狀態模擬下，應選7.5 m作為巷道的安全最大空頂距。

圖5 空頂8.5 m時巷道圍巖位移云圖

圖6 不同空頂距的頂底板移近量

3.3 工程實踐

根據理論模擬計算及數值模擬結果，韓家灣煤礦選取的空頂距為7.2 m，實際掘進中以7.2 m為一個循環進行支護，每班進行2個循環，掘進速度約為2.2～2.5 m/h。在巷道掘進過程中通過對現場3304工作面試驗段巷道圍巖變形進行連續觀測，分析發現在監測時間內測試段中部變形量大于兩側，巷道頂底板最大移近量在34 mm左右，兩幫移近量基本相同，完全滿足安全生產需要，證明了7.2 m空頂距的安全可行性。

4 結論

(1)通過分析韓家灣3304掘進工作面的覆巖結構及水文地質條件，對工作面頂板巖性進行分析得出其直接頂主要由細粒砂巖和泥巖結構組成，直接頂厚度約為2.93 m，并且泥巖分布不均呈逐漸減小趨勢，具有一定的自承能力和保護頂板巖層塌落的能力。

(2)運用薄板理論建立力學模型，計算出韓家灣煤礦3-1煤空頂距的解析值，結合3304掘進巷道圍巖的基本參數計算出理論空頂距為10.08 m，安全系數取1.4時，安全空頂距離為7.2 m。

(3)數值模擬研究得出在4 m、6 m空頂距下，巷道圍巖穩定；在7.5 m空頂距下，巷道圍巖基本保持穩定；在8.5 m空頂距下，巷道圍巖位移過大，增加了施工的危險性。現場工業試驗表明，在施工過程中巷道頂底板移近量較小，兩幫移近量也比較小。結合韓家灣3-1號煤巷道施工實踐，證明了7.2 m空頂距的安全可行性。因此，綜合分析選取較小值7.2 m作為巷道的安全最大空頂距。