曹家灘煤礦大斷面全煤巷道快速掘進圍巖控制技術

張國輝

(陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

在煤炭資源開采過程中的頂板災害預防是煤礦安全工作的重中之重。近年來，煤礦發生頂板事故的事故起數及死亡人數均居煤礦事故中的前幾位。其中，掘進工作面發生災害事故最多，關鍵是由掘進工作面的空頂所引起的，且由于開掘的卸壓作用導致附近圍巖應力狀態復雜。若在開掘后難以及時采用臨時支護及永久支護手段加以維護，則易出現冒頂、片幫等情況，在松軟破碎圍巖、復合頂板、斷層等條件下，此種情況尤為嚴重。了解大斷面全煤巷道快速掘進圍巖穩定性的影響因素及控制技術對礦井的安全生產工作意義重大。為此，許多學者對此進行了大量的研究，得出了許多寶貴的結論與經驗。孫曉明等[1]利用數值模擬軟件對巷道的分步開挖進行模擬，且在開挖完成后模擬巷道的錨網支護，還有掘進巷道圍巖變形程度等和掘進工作面之間距離的影響關系。常聚才等[2]利用數值模擬手段，對開挖前、后巷道的圍巖應力演化過程及特征等進行較為全面的分析，得出巷道圍巖應力場的變化及巷道圍巖的破壞特征。宮守才[3]通過全煤巷道兩幫塑性區力學模型的建立和分析，得出在巷道塑性區的彈塑性應力解及其寬度，推導并驗證了煤幫在塑性區內的位移表達式。李樹清等[4]通過全煤巷道兩幫塑性區力學模型的建立和分析，結合彈塑性極限平衡理論推導并驗證了煤巷兩幫塑性區范圍和應力大小公式，并基于計算公式給出了影響煤幫塑性區寬度及應力大小的支護范圍及支護強度參數。張華磊等[5]建立巷幫圍巖層的力學模型并結合大采高工作面回采巷道幫部圍巖的失穩特點，把注漿錨索的支護方式首次用于片幫治理。謝廣祥等[6]實測分析了關于綜放工作面的回采巷道圍巖應力分布以及支架荷載等，得出綜放面回采巷道圍巖應力分布特征。朱德仁等[7]研究發現，水平應力對煤幫穩定性影響顯著，通過采取及時有效的手段加固巷道煤幫使得水平應力得到控制，對于保持巷道圍巖的整體穩定性以及減小巷道圍巖的松動破壞都有很好的效果。以上研究成果為大斷面全煤巷道快速掘進圍巖穩定性及控制技術奠定了很好的基礎。為此，通過理論分析等手段，研究大斷面全煤巷道快速掘進圍巖穩定性及控制技術，以期為類似條件下的大斷面全煤巷道快速掘進的圍巖穩定性提高及控制提供參考。

1 工程概況

1.1 煤層賦存條件

曹家灘煤礦122109工作面煤層賦存條件簡單，可采2-2號煤層煤種為不粘煤，煤層厚度11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤層傾角0～4°。工作面范圍內煤層底板標高為+959.81～+972 m，煤層埋藏深度為294.5～341 m，平均埋深318 m左右。122109工作面煤層直接頂、基本頂板均屬易軟化的中硬類巖石。直接頂以細粒砂巖、中厚層泥巖等巖性為主，基本頂巖性以粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖等節理不發育的巖層為主，偽頂巖性以砂質泥巖、碳質泥巖為主。煤層底板主要由粉砂巖、細粒砂巖和砂質泥巖組成，是較軟類底板，屬Ⅲ(b)類。該區地貌單元可分為沙丘沙地、風沙灘地和黃土梁峁地貌。根據前期勘探及三維地震資料，本工作面范圍內不會出現斷層、巖漿巖及大的褶皺構造，但煤層沿走向或傾向方向有小型起伏，對回采施工影響不大。工作面的順槽、切眼在掘進過程中均沒有發現斷層、撓曲構造及火成巖侵入等。

1.2 巷道平面布置

122109綜放工作面巷道布置4條，即1條主運順槽、1條輔運順槽和2條回風順槽。其中主運順槽和輔運順槽平行布置于工作面一側，2條回風順槽(內回風順槽、外回風順槽)平行布置于另一側，工作面兩側外順槽將作為下一個工作面的順槽使用。主運順槽內裝備可運輸煤炭的膠帶輸送機，敷設有排水、壓風、消防灑水管路、通信及信號電纜等，兼作進風和行人的通道。輔運順槽為工作面的進風巷，敷設有排水、壓風、注氮、消防灑水管路等，作為工作面設備及材料的運輸通道，兼作工作面進風通道。內回風順槽為工作面的回風巷，敷設排水、壓風、消防灑水管路、通信及信號電纜等。外回風順槽為工作面的回風巷，敷設排水、壓風、黃泥灌漿、消防灑水管路、通信及信號電纜，兼作工作面人員行進的通道。

1.3 巷道圍巖變形破壞特征

曹家灘煤礦122109工作面相關巷道的支護方案支護強度普遍較低，施工工序繁瑣，難以適應大斷面全煤巷道快速掘進的支護速度及強度的需求。大斷面全煤巷道的圍巖變形破壞程度與自承能力及支護強度密切相關[8]。由于原支護方案存在著巷道幫部布置的玻璃鋼錨桿及配套托盤、螺母強度不足等問題，以及由于大斷面巷道開挖產生的擾動和卸荷作用，導致較大范圍的圍巖破壞、裂隙擴展，甚至是片幫現象。

2 大斷面全煤巷道圍巖穩定性及控制理論

2.1 巷道圍巖穩定性研究理論

在巷道開挖后，由于開掘時的擾動作用使得原巖應力由平衡狀態轉變為非穩態，從而導致原巖應力重新分布，巷道將產生一部分初期變形。當工作面開采時，在采動作用的影響下，巷道圍巖應力將會有一次重新分布，且圍巖應力的重新分布規律受諸多條件限制，影響圍巖應力重新分布的主要因素有巷道頂底板、兩幫的巖石力學性質及圍巖的破碎程度等。

122109工作面煤層直接頂、基本頂板均屬易軟化的中硬類巖石。煤層底板主要由細粒砂巖、砂質泥巖等較軟類巖性組成，屬Ⅲ(b)類，因此這里分別研究分析巷道圍巖頂板、底板及兩幫圍巖的運移規律。同時，根據已有的理論，可利用頂板巖層穩定性判別式解決對于回采巷道內高冒頂風險區域無法及時發現、辨別的難題，具體公式見式(1)

(1)

式中，L為巷道跨度，m；[L]巖層的穩定跨距，m；σt為抗拉強度，MPa；fq為強度的影響系數；fc為采動的影響系數；fm為巖層的埋深影響系數；fd為地應力的影響系數；fw為巖層的完整性系數；h為巖層平均厚度，m；Q為某一巖層承受頂板巖層所施加的載荷量，MPa。

巷道圍巖應力受開掘擾動作用，會導致巷底卸荷產生彈塑性變形。巷內兩幫受垂直應力的擠壓作用，巷道在水平應力作用下發生底鼓。巷底發生拉應變及兩幫下沉也會造成底鼓，巷道底板巖層流變性使得底鼓量與時間呈正相關。

2.2 大斷面全煤巷道圍巖控制理論

大斷面巷道開掘時力學環境復雜使得巷道圍巖失穩，尤其是巷道底板的穩定性，因此巷道圍巖控制是高強度綜放開采的關鍵問題。根據大斷面全煤巷道破壞失穩的機理可以知道降低巷道圍巖應力、增加穩定性，選擇合理支護使得大斷面全煤巷道圍巖得以很好的控制。因此，根據巷道圍巖應力、圍巖強度及其相互關系，選擇高效的巷道布置及支護方式，降低圍巖的水平應力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件和賦存環境，可以有效控制大斷面巷道圍巖的變形、破壞。

結合馬念杰、丁國峰等[9-10]提出的巷道蝶形破壞理論、圓形巷道圍巖塑性區邊界隱性方程及塑性區形態判別準則，能夠有效判斷巷道破壞形態進而提出合理有效的支護手段。巷道圍巖破壞形態與非等壓應力場的力學模型如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞形態與非等壓應力場的力學模型Fig.1 Mechanical model of failure mode and non-isobaric stress field of roadway surrounding rock

塑性區形態判斷系數τ公式為

(2)

式中，a為巷道半徑，m；r，θ為塑性區邊界任一點極坐標；P1為區域應力場最大主應力,MPa；P3為區域應力場最小主應力,MPa；C為黏聚力,MPa；φ為內摩擦角,(°)；η=P1/P3>1；形態系數τ是關于C，φ，a，P1，P3的常量表達式。當τ→∞時，巷道破壞形態為圓形；τ≥1或τ≤0時，巷道破壞形態為橢圓形；0<τ<1時，巷道破壞形態為蝶形。

3 大斷面全煤巷道快速掘進巷道支護方案

由于曹家灘煤礦122109工作面，巷道斷面凈寬6 400 mm，凈高4 200 mm，凈斷面積26.88 m2，為大斷面全煤巷道快速掘進，在掘進時巷道圍巖應力狀態的復雜性及支護時的困難性，結合蝶形理論等相關理論依據，根據不同地點、不同應力狀態對巷道制定的支護方案。

3.1 巷道頂底板支護方案

對于曹家灘煤礦122109工作面大斷面全煤巷道，由于巷道圍巖為實體煤，硬度較低，在掘進過程中受工作面采動影響，容易出現冒頂事故。根據楊建輝等[11-13]將頂板假設為連續梁、板、鉸接拱等，分析頂板的變形失穩過程發展特征。結合掘進面頂板特征及組合梁理論，對巷道頂板制定針對性支護方案：采用錨網索支護，頂部采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm，共7根，錨索采用φ17.8 mm×6 500 mm鋼絞線，間排距為2 200 mm×3 000 mm，每排2根。

由于巷道開掘后，周圍復雜應力環境，導致巷道產生較大的底鼓破壞。根據注漿加固、底板錨索等綜合圍巖控制技術，結合122109工作面巷道圍巖變形特征及底鼓原因，提出了留設500 mm底煤，鋪設200 mm混凝土的底板硬化的加固方案。

3.2 巷幫支護方案

煤壁發生片幫，主要是受巷道頂板壓力及煤體自身的物理力學屬性的影響，根據兩幫變形數學模型，分析煤幫的變形特點。結合掘進面煤層的力學性質及受力狀態，提出了回采幫采用φ20 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，煤柱幫采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm的巷幫支護方案。

4 巷道圍巖支護效果檢測

通過針對性的支護方案，工作面回采期間，對工作面前方巷道表面位移進行了監測，如圖2、3所示。可以看出，巷道頂底板最大移近量為185.2 mm；兩幫最大移近量為50.2 mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內。由此可見，該種支護方式對曹家灘煤礦122109工作面全煤巷道圍巖穩定性起到了控制作用，取得了良好的支護效果。

圖2 巷道頂底板移近量Fig.2 Approach amount of roadway roof and floor

圖3 巷道兩幫移近量Fig.3 Approach amount of two sides of roadway

5 結論

(1)明晰了大斷面全煤巷道圍巖失穩的影響因素以及各因素的作用機制；通過利用頂板巖層穩定性判別式解決巷道內高冒頂風險區域無法及時發現、辨別的難題，并及時做出加強支護的應對措施。

(2)根據巷道蝶形理論，計算出巷道的破壞形式，并根據計算結果做出有效且及時的應對措施。

(3)大斷面全煤巷道掘進，在不同的應力區域需要采取有針對性的支護方式，提升巷道支護效果。