巷道頂板冒頂機(jī)理研究與事故現(xiàn)場治理應(yīng)用

韓正民

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，占一次性能源供給的60%以上，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。但同時(shí)，采煤行業(yè)是一種高危行業(yè)，在煤炭的開采環(huán)節(jié)當(dāng)中，會(huì)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致采煤工作面和巷道的失穩(wěn)、冒頂?shù)任ｋU(xiǎn)現(xiàn)象。隨著開采深度的不斷增加，地下巷道圍巖性質(zhì)的不同導(dǎo)致開采難度逐漸增大，高地應(yīng)力突出，支護(hù)難度變大。經(jīng)過漫長的地質(zhì)發(fā)育，在不同的環(huán)境中巷道冒頂?shù)母叨取⑽：Τ潭纫约捌茐那闆r也不盡相同。若能清楚巖體失穩(wěn)破壞以及變形機(jī)理，對(duì)于災(zāi)害的預(yù)防、控制有很大好處，所以對(duì)巷道頂板破壞機(jī)理以及圍巖的控制研究很有必要。

在目前的研究當(dāng)中，理論計(jì)算方法發(fā)揮了很大的作用，但仍存在一些問題，如計(jì)算理論依據(jù)不統(tǒng)一、計(jì)算參數(shù)標(biāo)定與實(shí)際場合相差較大等。數(shù)值模擬方法利用實(shí)際工程的測試與監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)，帶入到相應(yīng)的數(shù)值模擬模型中進(jìn)行工況模擬，以此來選取合理的方案。工程類比法以大量成功的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將要設(shè)計(jì)的工程與類似的已有的工程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合實(shí)際條件，來確定合理的支護(hù)方案。本文以磁窯溝煤業(yè)11102綜采工作面為工程背景，探究巷道頂板的冒頂機(jī)理以及治理方法。

1 巷道頂板冒頂機(jī)理

1.1 礦井概況及地質(zhì)條件

1.1.1 礦井概況

磁窯溝煤業(yè)11102回采工作面地處黃土高原干濕過渡帶，地表為山西西北部黃土高原中—低山區(qū)地形，地表沖刷溝較多。本工作面回采工作面地表高程為968～1 088 m，工作面煤層底板高程為844～888 m。地表最低點(diǎn)位于11102回風(fēng)順槽距11102切眼210 m處，該處為清水岔溝溝底，高程為968 m，對(duì)應(yīng)巷道底板高程為844 m，采深為124 m；地表最高點(diǎn)位于11102膠運(yùn)順槽距切眼642 m處，該處為山頂，高程為1 088 m，對(duì)應(yīng)巷道底板高程為883 m，采深為205 m。

1.1.2 礦井地質(zhì)條件

11102回采工作面煤層傾角5°28′～9°01′，平均傾角7°15′左右，煤層傾角不大。煤層總體走向近南北向、傾向向西，構(gòu)造形態(tài)是單一構(gòu)造，構(gòu)造屬簡單類型。各巷道掘進(jìn)中揭露的的煤層厚度情況，11號(hào)煤層西部區(qū)煤層厚度總體西厚東薄，11102回風(fēng)順槽揭露的煤層平均厚度在4.7 m左右，11102膠運(yùn)順槽揭露的煤層平均厚度在4.3 m左右。

1.2 巷道頂板變形機(jī)理分析

1.2.1 巷道頂板變形特性

本節(jié)利用有限差分軟件進(jìn)行巷道頂板變形特征的分析。根據(jù)磁窯溝煤業(yè)11102綜采工作面的實(shí)際情況，將巷道斷面建立為矩形，尺寸為X×Y×Z=200 m×100 m×120 m，共劃分15 320個(gè)單元，巷道大小為5 m×3.5 m，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。煤層及圍巖采用brick單元，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加5 MPa的荷載，其余邊界施加側(cè)應(yīng)力，側(cè)應(yīng)力系數(shù)1.1。此次主要探討巷道在開挖后圍巖的變形、塑性區(qū)的變形變化特征，并未考慮工作面的采動(dòng)影響，建立模型如圖1所示。計(jì)算模型中煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata

圖2為巷道塑性區(qū)圖，其中shear-p表示在模型運(yùn)行過程中的某一時(shí)刻處于剪切破壞的單元，shear-n表示當(dāng)前處于剪切破壞狀態(tài)的單元，tension-p表示單元曾發(fā)生過拉破壞的單元，tension-n表示單元正在發(fā)生拉破壞的單元，none表示從未進(jìn)行塑性狀態(tài)、仍處于彈性狀態(tài)的單元。

由圖2可以看出，巷道塑性區(qū)沿巷道軸線呈現(xiàn)出對(duì)稱對(duì)稱分布，巷道頂角和兩幫承受拉、剪雙重作用。距離開挖空間較近的深部煤頂主要承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用，而距離開挖空間較遠(yuǎn)的深部煤頂主要承受剪切應(yīng)力作用。隨著拉、剪應(yīng)力的擴(kuò)大，巷道的變形量呈現(xiàn)整體收斂的趨勢(shì)。

圖2 巷道塑性圍巖塑性區(qū)Fig.2 Plastic zone of roadway surrounding rock

圖3為巷道圍巖主應(yīng)力圖。由圖3可以看出，巷道圍巖呈現(xiàn)左右對(duì)稱的規(guī)律，應(yīng)力主要集中在巷道的頂角處，淺部應(yīng)力較小，深部較大，且較高應(yīng)力有向深部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

圖3 巷道圍巖主應(yīng)力圖Fig.3 Principal stress diagram of roadway surrounding rock

圖4為巷道圍巖變形隨時(shí)間變化曲線圖。由圖4可以看出，在300時(shí)步之前曲線斜率較大，表明巷道此時(shí)變形速率較大，此時(shí)兩幫和底板的變形逐漸趨于平緩，但頂板的變形仍然在持續(xù)增大，且頂板下沉量最大，兩幫收斂值最小，底板鼓出值居于中間。

圖4 巷道圍巖變形隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curves of surrounding rock deformation of roadway changing with time

綜合以上分析可知，短時(shí)間內(nèi)巷道圍巖會(huì)出現(xiàn)變形過大、變形速度過快等現(xiàn)象，同時(shí)塑性區(qū)的影響范圍也較大；巷道表面煤體主要因承受拉應(yīng)力而破壞，深部煤體主要承受剪切而破壞，伴有一些拉應(yīng)力破壞。巷道的破壞開始為頂板、兩幫、底板協(xié)同破壞且變形值較大，逐漸發(fā)展為以頂板變形為主，變形量增長較大，底板和兩幫煤體趨于穩(wěn)定。

1.2.2 巷道頂板破壞規(guī)律

煤礦巷道的開挖過程破壞了地層的原始應(yīng)力平衡，巷道圍巖將進(jìn)行一系列復(fù)雜的活動(dòng)以達(dá)到新的平衡。根據(jù)大量實(shí)踐及文獻(xiàn)參考，巷道頂板的破壞過程分為以下階段。

（1）巷道頂板初始變形破壞過程。在巷道剛開始開挖時(shí)，開采空間較小導(dǎo)致應(yīng)力集中，出現(xiàn)原生裂隙、節(jié)理等現(xiàn)象；之后，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展延伸直至破碎，形成微裂隙區(qū)；裂隙經(jīng)擴(kuò)展延伸后，形成破碎的橋連區(qū)；當(dāng)劈裂裂隙與周圍裂隙貫通后，隨圍巖平衡穩(wěn)定，形成節(jié)理裂隙組。

（2）巷道頂板離層彎曲破壞過程。隨著擾動(dòng)的增大，受自重以及地壓的影響，巷道上覆巖層產(chǎn)生法向彎曲，由于巖層巖性差異彎曲度不一致，導(dǎo)致縱向分離。若老頂有較大的剛度同時(shí)直接頂又有充足的移動(dòng)空間，二者的接觸層將產(chǎn)生離層現(xiàn)象，其基本條件為老頂?shù)膸r層剛度大于等于直接頂巖層，老頂巖層的撓度小于等于直接頂?shù)膿隙取?/p>

（3）頂板斷裂破壞。此過程主要發(fā)生在老頂巖層處，由于離層現(xiàn)象的產(chǎn)生，直接頂巖層的擾度迅速增大，當(dāng)下方失去支承作用，巖層頂板邊界容易產(chǎn)生頂板斷裂現(xiàn)象。

只有在作用力系和材料的總勢(shì)能隨裂縫長度增加而不變或減小時(shí)，裂縫才會(huì)擴(kuò)展。當(dāng)作用力的勢(shì)能維持穩(wěn)定時(shí)，有以下準(zhǔn)則：

式中：c為裂縫長度；We為裂縫周圍彈性應(yīng)變能；Wd為裂縫表面能。

（4）頂板垮落。由于下方失去支承作用，在上覆巖層和重力的作用下，垮落運(yùn)動(dòng)迅速完成，充填整個(gè)巷道。

巷道頂板破壞過程實(shí)際上是一種力學(xué)行為，對(duì)于頂板上覆巖層，當(dāng)產(chǎn)生離層現(xiàn)象時(shí)，直接頂和老頂之間需要滿足以下關(guān)系：

式中：q1為老頂所受荷載，kN；γh1為老頂單位長度的荷載，kN；L1為初次垮落步距，m；h1為老頂厚；E1、E2為老頂及直接頂巖層的彈性模量，MPa；J1、J2為老頂及直接頂?shù)臄嗝鎽T矩，kg·m2。

同時(shí)，從第二階段向第三階段（離層到斷裂）變化時(shí)，需要滿足σ老、拉＞[σ老、拉]，即老頂所受到的拉應(yīng)力應(yīng)超過其所能承受的極限拉應(yīng)力。具體如圖5所示。

圖5 裂隙不同開裂階段的示意Fig.5 Schematic of cracks at different cracking stages

2 冒頂處理技術(shù)研究

2.1 事故發(fā)生經(jīng)過及原因分析

11102綜采工作面于2019年7月25日回采結(jié)束，正式進(jìn)入回撤階段，7月28日中班21時(shí)30分，在鏟板車司機(jī)下車固定3號(hào)支架與鏟板車時(shí)，11102膠運(yùn)順槽124～132 m段頂板下沉發(fā)生垮落事故，垮落下來的煤矸石將鏟板車尾部掩埋。鏟板車于8月2日中班撤出，共計(jì)影響5 d搬家倒面時(shí)間。如圖6所示。

圖6 1 1 1 02膠運(yùn)順槽漏頂處理示意圖Fig.6 The schematic diagram of top leakage treatment in 11102 rubber conveying channel

2.1.1 直接原因

（1）規(guī)程中所附圖紙說明是依次降架撤出，即1、2、3號(hào)支架依次邁步回撤。現(xiàn)場實(shí)際回撤時(shí)安排先撤出2號(hào)支架，2號(hào)支架撤出后再撤出1號(hào)支架，最后撤出3號(hào)支架，在回撤3號(hào)支架前造成機(jī)頭段懸頂面積過大，是造成此次事件的直接原因。

（2）改變回撤工藝后沒有采取針對(duì)性管控措施，頂板離層，是造成此次事件的另一直接原因。

2.1.2 間接原因

11102綜采工作面貫通后，機(jī)頭三角區(qū)域正處于頂板支撐應(yīng)力集中區(qū)，頂板壓力相對(duì)較大，此時(shí)的支架-巷道支護(hù)體-頂板處于應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)。待回撤完2號(hào)、1號(hào)支架，這一區(qū)域的頂板支撐應(yīng)力重新分布后，加之層間距較薄、頂板巖性強(qiáng)度較弱，形不成有利的礦山壓力拱，構(gòu)成壓力大于綜合支護(hù)力，是造成此次事件的間接原因。

2.2 事故處理

2.2.1 前期準(zhǔn)備工作

（1）在11102膠運(yùn)順槽110～124 m段巷道進(jìn)行二次支護(hù)。首先檢查原有單體工字鋼梁架棚的可靠性，保證單體支護(hù)有效，鋼梁上方采用道木、木板背實(shí)，接頂嚴(yán)密，然后在此基礎(chǔ)上采用工字鋼單體架棚加密支護(hù)，棚間距0.5 m，每架設(shè)一組棚架，要確保其安全可靠，保證安全后方可施工下一組棚架。頂梁為11號(hào)礦用工字鋼，支護(hù)形式為一梁四柱（可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行加密），要求中間兩根單體間距不得小于4 m，保證行車寬度。

（2）風(fēng)機(jī)安設(shè)。在11102膠運(yùn)順槽90 m處安設(shè)2臺(tái)風(fēng)機(jī)（一用一備），保證11102膠運(yùn)順槽冒落區(qū)域風(fēng)量不小于70 m3/min，氣體濃度符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

（3）注馬麗散前期準(zhǔn)備工作。包括風(fēng)管安裝、對(duì)接，安裝打眼鉆機(jī)，施工注馬麗散孔及馬麗散運(yùn)輸、倒料工作。

（4）11102膠運(yùn)順槽110～124 m處及輔回撤通道口三角區(qū)頂板錨索安裝錨索防彈器，避免處理冒頂期間錨索彈出傷人。

2.2.2 處理流程

（1）由生產(chǎn)服務(wù)中心負(fù)責(zé)用1.2 m、1.8 m短單體及π型梁對(duì)11102主回撤通道機(jī)頭段進(jìn)行支護(hù)，保證機(jī)頭段頂板不再下沉。

（2）由綜采隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)11102膠運(yùn)順槽漏頂區(qū)域至11102輔回撤通道口段進(jìn)行單體棚支護(hù)。

（3）由探水隊(duì)負(fù)責(zé)在11102膠運(yùn)順槽漏頂區(qū)域輔回撤通道方向側(cè)向主回撤通道方向施工鉆孔，鉆桿留在鉆孔內(nèi)當(dāng)做前探梁，鉆桿長度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，每200 mm施工1個(gè)。

（4）由生產(chǎn)技術(shù)科聯(lián)系瑪麗散廠家，待探水隊(duì)施工完成后，在11102膠運(yùn)順槽輔回撤通道方向側(cè)對(duì)漏頂區(qū)域注瑪麗散，采用多孔少注，注瑪麗散時(shí)，及時(shí)觀察漏頂區(qū)域兩側(cè)情況，杜絕出現(xiàn)浮煤與多功能車粘連現(xiàn)象。

（5）注瑪麗散形成假頂后，清理漏頂區(qū)域下的浮煤，并用車運(yùn)至10205膠運(yùn)順槽破碎機(jī)，每清理0.5 m施工一架單體棚，頂梁為11號(hào)礦用工字鋼，一梁四柱，并在頂梁上鋪設(shè)木板及鋼筋網(wǎng)，再次形成假頂，避免出現(xiàn)漏矸現(xiàn)象，中間兩根單體間距4 m以上，保證行車寬度，架設(shè)至11102主回撤通道側(cè)為止。架設(shè)單體棚時(shí)，單體三用閥一律朝向順槽方向。

（6）由生產(chǎn)服務(wù)中心負(fù)責(zé)安設(shè)絞車進(jìn)行拖拽多功能車，拖拽多功能車時(shí)必須由專人指揮，司機(jī)要在安全地點(diǎn)操作絞車，嚴(yán)禁蠻干，防止斷繩傷人。在保證架棚區(qū)域安全的情況下方可拖拽多功能車。起底時(shí)必須用風(fēng)鎬起底，嚴(yán)禁使用炸藥起底。

（7）由生產(chǎn)服務(wù)中心負(fù)責(zé)在11102主輔回撤通道間3個(gè)聯(lián)巷架設(shè)單體棚，支護(hù)范圍為主回撤通道側(cè)向聯(lián)巷5 m范圍內(nèi)，頂梁為11號(hào)礦用工字鋼，頂梁長度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。

經(jīng)過以上措施，冒頂事故的治理效果良好，如圖7所示。

圖7 頂板控制后效果示意圖Fig.7 Diagram of effect after roof control

3 結(jié) 論

為探究巷道頂板冒頂機(jī)理并對(duì)冒頂事故進(jìn)行治理，以磁窯溝煤業(yè)11102回采工作面為背景，利用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場漏頂事故治理等手段進(jìn)行研究。

（1）圍巖發(fā)生變形時(shí)，巷道頂角和兩幫承受拉、剪雙重作用，隨著拉、剪應(yīng)力的擴(kuò)大，巷道的變形量呈現(xiàn)整體收斂的趨勢(shì)；頂板下沉量最大，兩幫收斂值最小，底板鼓出值居于中間；巷道的破壞開始為頂板、兩幫、底板協(xié)同破壞，逐漸發(fā)展為以頂板變形為主。

（2）巷道頂板破壞共經(jīng)歷初次擴(kuò)展、二次擴(kuò)展延伸、三次延伸劈裂和裂隙貫通4個(gè)步驟。

（3）磁窯溝煤業(yè)11102回采工作面現(xiàn)場冒頂事故治理措施效果良好，可為相類似的工程提供借鑒參考作用。在日后的工作當(dāng)中，必須高度重視近距離煤層開采時(shí)的礦山壓力分布規(guī)律，從設(shè)計(jì)到施工要超前預(yù)控巷道圍巖，采取多種形式的支護(hù)方式控制頂板。