活雞兔煤礦頂板穩定性分析與支護方案設計

董俊亮， 王慶雄， 李曉龍， 王軍

(1.國能神東煤炭集團技術研究院， 鄂爾多斯 017209； 2.國能神東煤炭集團生產部， 鄂爾多斯 017209; 3.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院， 北京 100083)

據不完全統計，近些年來因巷道頂板造成的死亡事故一直占全國煤礦死亡事故總數的30%以上[1-2]，成為中國煤礦生產中的“第一殺手”，極大地威脅工人生命安全和行業持續健康發展。對于巷道的頂板穩定性控制，許多學者做了大量的工作，并取得了豐富的研究成果。如凌標燦等[3-4]指出頂板穩定性主要取決于沉積構造亞相特征，可以通過控制推進工作的速度對頂板穩定性進行控制；王普等[5]通過室內試驗和數值模擬研究發現軟弱夾層、強降雨與空氣潮濕以及支護方式不合理是李家樓煤礦巷道失穩、冒頂的主要原因；張天等[6]對新發煤業多次采動影響的巷道圍巖變形及塑性區演化規律進行研究，指出巷道受采動影響形成的非對稱大變形是造成巷道失穩的主要原因；鄧敢博[7]針對含軟弱夾層的特厚煤層回采巷道變形失穩問題，提出采用高強恒阻讓壓錨網索支護技術，現場效果良好；馬念杰等[8]、馮吉成[9]從巷道冒頂事故成因角度出發，建立了冒頂成因分類標準及方法；王羽楊[10]等基于層次分析法從經濟、施工方法和進度、支護效果和環境等方面對軟巖巷道的支護方案進行了評價，提出了巷道支護優化方案；楊繼元等[11]針對布爾臺礦上下兩煤層疊加強礦壓顯現規律，提出了“超前支架+頂板補強+煤幫補強+水力壓裂”的防治策略；夏輝等[12]針對大斷面運輸巷道變形嚴重問題，提出了相應的支護技術。

通過大量文獻分析發現，目前頂板穩定性研究主要是以宏觀尺度來研究一個井田或者煤層的圍巖穩定性，或者是研究某一特定地質條件下或開采參數下巷道頂板失穩機理和控制技術。但是煤層在地質運動和沉積時所處的情況不同，一般具有較大的差異性，導致同一煤層不同位置的巖層穩定性變化較大，統一化的支護方案可能使得部分區域過度支護增加成本，也可能會使得局部區域支護強度不夠，產生巷道冒頂甚至失穩風險。因此需要基于區域地質條件以及采動影響程度，對煤層頂板穩定性進行精細化分析，進而設計差異化巷道頂板支護方案。

現通過對活雞兔2-2煤層頂板巖層進行穩定性分析計算，結合精細化圍巖結構探測，采用數值模擬的方法研究采動對巷道頂板穩定性的影響，據此提出不同頂板條件下合理、經濟、可行的支護方案。

1 工程背景

活雞兔是國能神東煤炭集團大柳塔煤礦下屬現代化礦井，地處陜西省神木縣大柳塔鎮，產能約1 500萬t。活雞兔井田內含煤地層為延安組地層，屬湖泊、湖泊三角洲沉積體系。2-2煤平均厚4.5 m，平均埋深為100 m左右。目前正開采22204工作面，采高為4.5 m，井田內2-2煤工作面布置情況如圖1所示。

圖1 活雞兔2-2煤工作面布置示意圖Fig.1 Working face layout of 2-2 coal seam in Huojitu coal mine

2 頂板穩定性分析與圍巖結構探測

2.1 頂板穩定性分析原理

煤層在沉積形成的過程中，受地質運動、所處環境的影響，其強度也會有較大的差異。對于這類層狀復合型頂板，其頂板上方穩定的巖層承擔了上覆巖層的重量，故可以根據頂板與穩定性巖層的距離作為頂板穩定性分類的指標[13]。根據材料力學中巖梁理論建立簡支梁、固支梁兩種力學模型對巷道頂板穩定性進行分析。考慮到需要確定穩定巖層的位置，而當巖層為穩定巖層時，其極限跨距大于巷道跨距，因此可以視為簡支梁模型(圖2)，簡支梁發生斷裂的極限跨距為

(1)

式(1)中：L為巷道跨度，m；[L]為巖層的穩定跨距，m；σtx為第x層巖層抗拉強度，MPa；hx為第x層巖層的巖層厚度，m；qx為第x層巖層實際作用載荷，MPa。

根據實際情況可知，穩定巖層受到3個力的作用，即穩定巖層的自重，上覆巖層對穩定巖層產生的載荷，下方不穩定巖層對穩定巖層的作用力。所以判定是否為穩定巖層需滿足條件的表達式為

(2)

式(2)中：(qn)x、Qx分別為x層自身載荷及上覆巖層載荷、下位不穩定巖層載荷；Ex為第x層巖層的彈性模量，MPa；γx為體積力，MN/m3。

考慮到實際工程地質條件以及采動影響等因素會削弱巖層穩定性，則穩定頂板還需滿足條件的表達式為

(3)

式(3)中：fq、fc、fm、fd、fw分別為強度影響系數、采動影響系數、埋深影響系數、地應力影響系數以及巖層完整性系數。

根據常用的錨桿(索)的錨固范圍，可以將穩定巖層至頂板的距離作為劃分頂板類別的依據，如表1所示。

圖2 組合頂板簡支巖梁模型Fig.2 Simply supported rock beam of composite roof

表1 頂板穩定性分類標準

2.2 活雞兔2-2煤層頂板穩定性分析計算

在活雞兔井田范圍內，共獲得含2-2煤層鉆孔69個，其中包括H鉆孔、Hb鉆孔、Hs字鉆孔以及J鉆孔等。根據礦方提供的巖石力學參數(表2)以及工作面開采參數，按照上述計算流程獲得活雞兔2-2煤層各鉆孔頂板穩定性類別。根據各鉆孔坐標，利用Surfer軟件進行插值計算獲得2-2煤層各巷道頂板穩定性情況(圖3)。

活雞兔2-2煤層工作面回采巷道大部分區域處于Ⅰ類頂板條件下，22309、22310和22311工作面回采巷道局部區域，以及22313、22314工作面回采巷道大部分區域處于Ⅱ類頂板，其中22314工作面局部區域出現Ⅲ類頂板。目前正開采22204工作面均處于Ⅰ類頂板區域，巷道頂板巖層穩定性較好。整體來看，由于活雞兔屬湖泊、湖泊三角洲沉積體系，2-2煤層頂板穩定性較好，局部區域頂板穩定性較差，巷道頂板支護設計時應注意差別。

表2 巖石力學參數

圖3 活雞兔2-2煤層各工作面巷道頂板穩定性情況Fig.3 Stability of roadway roof in each working face of Huojitu 2-2 coal seam

2.3 頂板完整性探測與圍巖結構分析

在22314工作面開切眼巷道頂板中線布置鉆孔進行頂板結構及完整探測，結果如圖4所示。鉆孔內巖層以泥巖和粉砂巖為主，也存在一定厚度的夾煤。巷道頂板0～2.7 m范圍內為煤體，結構較為完整、圍巖穩定，煤巖分界面處圍巖裂隙發育；3～6 m范圍內，整體圍巖結構較為完整；鉆孔底部，即7 m附近，圍巖較為破碎，可能是打孔時導致圍巖破壞。整體上來看，頂板鉆孔未發生較大變形，圍巖結構完整，這表明巷道頂板整體穩定性較好。

圖4 巷道頂板鉆孔探測情況Fig.4 Detection of a borehole in roadway roof

根據頂板穩定性分類結果以及圍巖結構探測分析發現，Ⅰ類頂板煤層上部的直接頂由細粒砂巖、中粒砂巖等強度較高且厚度較厚的單一或混合巖石組成，巖性較硬；Ⅱ類頂板直接頂為細粒砂巖或中粒砂巖等強度較高且有一定厚度的巖層，老頂由強度較高且較厚的粗粒砂巖等組成，如圖5所示。

圖5 各類型頂板圍巖結構Fig.5 Surrounding rock structure of various roofs

3 采動影響下巷道圍巖塑性區分析

為分析工作面回采對不同類型頂板穩定性的影響情況，利用FLAC3D建立數值模型對巷道圍巖區域應力場以及圍巖塑性區進行研究。

3.1 模型的建立

根據活雞兔礦實際地層賦存條件以及巖石力學參數(表2)，建立三維數值模擬模型。為了較為精確地模擬煤層開采對巷道頂板穩定性的影響，對上覆12煤以及22煤已回采工作面采用雙曲服模型進行了充填。模型尺寸為X×Y×Z=1 000 m×1 000 m×170 m，22206工作面與上覆工作面斜交，夾角約為79°，22314工作面與上覆工作面平行。模型整體示意如圖6所示。

圖6 數值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

3.2 采動巷道圍巖應力分析

以工作面推進400 m時為例，工作面前方22206回風巷道不同位置圍巖垂直方向應力分布情況如圖7所示。可以看出，巷道兩幫的應力值比巷道頂底的應力值要大，工作面前方5～30 m巷道兩幫應力峰值約為9 MPa，頂底應力峰值約為2.5 MPa，隨著遠離工作面，巷道周圍應力有所降低，但并不明顯。

圖7 工作面前方不同位置巷道ZZ方向應力分布Fig.7 Stress distribution in ZZ direction of roadway at different positions in front of working face

二次采動工作面前方巷道不同位置主應力變化情況如圖8所示。工作面前方最大主應力在3～8.7 MPa范圍內變化，工作面附近最大主應力為8.7 MPa左右，隨著遠離工作面，最大主應力逐漸減小；工作面前方最小主應力在2.5～4 MPa范圍內變化，變化趨勢與最大主應力變化相似。工作面附近最大主應力與最小主應力比值約為8.7，隨著遠離工作面，應力比值急劇下降，最后穩定在1.4左右。22314回風巷道應力分布規律與此類似。

圖8 最大主應力與最小主應力分布情況Fig.8 Distribution of maximum principal stress and minimum principal stress

3.3 采動巷道圍巖塑性區特征分析

由于二次采動工作面前方20 m范圍內有超前支架支護，頂板控制較好。因此分析22206回風巷道以及22314回風巷道工作面前方25 m處巷道圍巖塑性區分布特征(圖9)。從圖9中可以看出，22206回風巷道超前工作面25 m處(Ⅰ類頂板下)由于受到上覆殘留煤柱影響，出現了小范圍塑性區，其他位置巷道頂底板幾乎未出現塑性區，這表明Ⅰ類頂板條件下，巷道頂板受采動影響較小；22314回風巷道受采動影響巷道頂底和兩幫均出現小范圍的塑性區，頂板塑性區存在躍透，這與該處頂板存在軟弱夾層或圍巖破碎有關，這表明Ⅲ類頂板條件下，巷道受到一定程度的采動影響，但整體上仍較為穩定。

圖9 不同類型頂板條件下巷道受采動影響情況Fig.9 Roadway affected by mining under different roof types

4 支護方案設計

4.1 支護方案的提出

根據上述分析，提出3種頂板類型(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類)條件下巷道頂板支護方案，如圖10所示。二次采動時，Ⅲ類頂板條件下還需分別補強一根同類型錨桿和錨索，其他頂板條件下二次采動參數不變。

圖10 不同頂板條件下巷道頂板支護方案Fig.10 Roadway roof support scheme under different roof conditions

4.2 現場監測

為驗證支護方案的適用性，在22314回風巷道(Ⅲ類頂板)進行現場試驗，并監測巷道表面位移情況(圖11)。在位于巷道1 240～1 300 m處，每隔10 m布置一個測站，記錄巷道受采動影響前以及受充分受到采動影響后頂底板移近量的最大值，監測結果如圖12所示。從圖12可以看出，受二次采動影響巷道頂底板最大移近量在80～110 mm范圍內波動，巷道整體變形較小，這表明所提出的支護方案能較好地維護巷道頂板的穩定性。

圖11 現場監測記錄Fig.11 Field monitoring records

圖12 巷道表面位移監測結果Fig.12 Monitoring results of roadway surface displacement

5 結論

(1)活雞兔屬湖泊、湖泊三角洲沉積體系，基于簡支巖梁模型對活雞兔2-2煤層進行了分析和計算，發現活雞兔2-2煤巷道頂板以Ⅰ類頂板為主，巷道頂板穩定性較好，局部出現Ⅱ和Ⅲ類頂板區域需要加強支護。

(2)巷道頂板探測分析表明巷道頂板淺部、中部以及深部圍巖結構完整性均較好，局部裂隙發育，整體上巷道較為穩定。

(3)通過數值模擬發現，工作面回采對22206回風巷道(Ⅰ類頂板)影響較小，除煤柱影響區外，巷道頂板幾乎未出現塑性區；對22314回風巷道(Ⅲ類頂板)的影響有限，巷道頂底僅出現小范圍的塑性區。

(4)提出了Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類不同頂板條件下巷道支護方案，并在22314回風巷道進行了現場試驗，結果表明所提出支護方案經濟、合理，巷道變形較小，可為類似條件下巷道頂板支護參數選擇提供參考。