基于動載擾動的小煤柱沿空巷圍巖控制分析

韓召HAN Zhao

（內蒙古鄂爾多斯永煤礦業(yè)有限公司，鄂爾多斯 017000）

0 引言

在深部煤礦開采中，沿空巷道的圍巖控制對礦山安全至關重要，尤其是在動載擾動的影響下，小煤柱的穩(wěn)定性面臨極大挑戰(zhàn)。本研究聚焦于“基于動載擾動的小煤柱沿空巷圍巖控制分析”，旨在深入理解動靜載荷對沿空巷道圍巖穩(wěn)定性的影響機制，并探索有效的控制策略，為深部礦山開采中的圍巖穩(wěn)定性提供科學的分析方法和實用的工程措施，以保障礦工的安全和提高礦山的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

本文以某煤礦工程為案例，針對7432 工作面及其周邊地質結構進行了細致的考察與分析。通過對周圍七個煤巷道的掘進資料的深入分析，可以看出煤層整體結構相對簡單。在工作面的軌道運輸平巷中間部位，煤層底部局部存在泥質夾矸，層數(shù)僅為一層，而且夾矸厚度最大可達1.0m。該工作面的兩級煤厚度介于3.80-7.0m 之間，平均煤厚約為5.1m。值得注意的是，整個工作面的東半部分煤層傾角較大，而西半部煤層傾角相對較小，具體煤層產(chǎn)狀為310.5-338.8°（走向），以及23.2°-32.7°（傾向）。

在工作面內，煤礦巖層的厚度變化較大，由東向西逐漸變薄，厚度在2.05-20.99m 之間，平均厚度約為11.20m。在7432 工作面附近區(qū)域，共有三個地質鉆探點，分別為39 號、D52 號和1202 號鉆孔，分別位于工作面的東側和西側。工作面的走向長度約為1222～1234m，傾斜長度約179m（平距），煤層傾角在23.2°～32.7°之間，平均為28°。工作面的埋深在771～917m 之間。7432 軌道運輸平巷出煤巷的長度約為221m（平距），巷道傾角約為25°，距離7432 停采線的距離在50-133m 之間。7432 軌道運輸平巷出煤巷南部為7313 采空區(qū)，停掘位置與之的距離為50m。

2 沿空掘巷工作面地質條件及沖擊區(qū)域劃分

2.1 頂板結構破斷演化特征

在7432 工作面，頂板結構破斷演化是一個復雜的動態(tài)過程，涉及到應力重新分布和巖層斷裂傳播。由提供的圖像可見，頂板結構的破斷演化經(jīng)歷了從初始裂隙的形成到逐漸擴展，最終形成垮塌的全過程（如圖1）。初始狀態(tài)下，巖層處于未受擾動的狀態(tài)，隨著開采活動的進行，應力開始重新分布，導致了初始裂隙的產(chǎn)生。這些裂隙通常在煤層頂板的弱面如泥巖層或砂質泥巖層中形成，并以煤層產(chǎn)狀310.5～338.8°（走向），23.2°～32.7°（傾向）的方向發(fā)展。在裂隙擴展階段，動載擾動如震動和壓力波的傳遞加速了裂隙的擴展。7432 工作面的頂板由砂質泥巖和中砂巖組成，這些巖石的厚度變化從3.32～5.78m，平均厚度為4.70m。在動載作用下，這些巖層的抗壓強度75.8MPa 會受到影響，導致裂隙進一步擴展。

圖1 頂板空間結構破斷演化過程

隨著裂隙的不斷擴展和連接，巖層的整體穩(wěn)定性降低，最終可能演化為大規(guī)模的頂板垮塌。在7432 工作面，這種垮塌可能會在煤層的直接頂板發(fā)生，尤其是當裂隙發(fā)展至砂質泥巖層時，這一層的滾圓度較好，分選中等，且局部為粉砂巖。這種巖層變化從東向西逐漸增厚，厚度變化從10.74～23.09m，平均厚度為16.10m，此時的破斷演化特征表現(xiàn)為裂隙密度的增加和巖層的分層破壞。

2.2 工作面巷道支護形式與巷道變形收斂情況

在7432 工作面，沿空掘巷的支護形式與巷道變形收斂情況是煤礦安全中的重要組成部分。支護形式的選擇直接關系到巷道穩(wěn)定性及工作人員的安全。本工程采用的是綜合支護系統(tǒng)，這一系統(tǒng)結合了錨桿、錨索和噴射混凝土等多種支護技術。錨桿的布置密度及長度是根據(jù)地質條件和前期的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)決定的，以確保對巷道圍巖的有效控制。錨索作為一種輔助加固手段，用于加強巷道頂板與兩側圍巖的整體穩(wěn)定性，特別是在煤層頂板直接頂為砂質泥巖，含砂量不均，局部破碎區(qū)域的應用更為顯著。噴射混凝土則形成了堅固的外殼，防止巖石碎片脫落，提供了第一道屏障。在變形收斂方面，由于煤層厚度和巖層傾角的不均勻性，巷道在軌道運輸平巷中間部位的局部煤層底部，出現(xiàn)了不同程度的收斂現(xiàn)象。

2.3 沖擊危險區(qū)域劃分

對于7432 工作面的沖擊危險區(qū)域劃分是預防地壓災害、保障礦井安全的重要環(huán)節(jié)。據(jù)圖示工程情況，沖擊危險區(qū)域的劃分需考慮地質構造、礦壓表現(xiàn)以及歷史采空區(qū)的位置。根據(jù)7432 工作面的地質資料和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，沖擊危險區(qū)域主要集中在煤層傾角較大、應力集中以及老空區(qū)邊緣。具體而言，工作面的東半部因煤層傾角較大，傾角達到23.2°至32.7°，走向長度約1222～1234m，傾斜長度約179m，埋深771～917m，這些地質結構特征使得該區(qū)域的動載擾動較為顯著，容易誘發(fā)沖擊地壓。此外，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)顯示，39 號鉆孔位于工作面東側，D52#鉆孔位于其西側，這兩個鉆孔的地質信息對劃分沖擊危險區(qū)域至關重要。為此，將沖擊危險區(qū)域細分為高風險區(qū)、中風險區(qū)和低風險區(qū)。高風險區(qū)域可能需要采取加強型錨桿支護、頻繁監(jiān)測及限制人員進入的措施。中風險區(qū)域可能需要定期監(jiān)測并適當加強支護措施。低風險區(qū)域則維持常規(guī)支護和監(jiān)測頻率。

3 沿空巷道動載作用下的動力響應及破壞規(guī)律

3.1 動靜載耦合作用數(shù)值分析模型

構建一個動靜載耦合作用的數(shù)值分析模型是理解和預測7432 工作面動力響應及破壞規(guī)律的關鍵。該模型需結合工程實際情況，綜合考慮煤層物理力學參數(shù)、地質構造以及歷史采空區(qū)對礦壓的影響。根據(jù)提供的圖片信息，該數(shù)值模型應包括以下步驟：首先，基于地質勘探數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測結果，確定模型的初始邊界條件和巖石力學參數(shù)，如彈性模量、泊松比、巖石的抗壓強度等。其次，導入煤層的幾何模型，包括煤層厚度、傾角以及礦體的走向。然后，模型需要引入動載擾動的參數(shù)，如沖擊荷載的頻率和幅值，這些數(shù)據(jù)可通過礦山地震監(jiān)測系統(tǒng)獲得（如圖2）。

圖2 數(shù)值分析流程圖

模型的核心將采用類似Mohr-Coulomb 準則的失效準則，結合Hoek-Brown 準則對材料的非線性行為進行描述。具體地，失效準則可表述為：

其中σ1和σ3分別是最大與最小主應力。σc為不排水條件下的單軸抗壓強度，φ 是內摩擦角，c 是黏聚力。

在模型分析過程中，會使用迭代方法來模擬工作面在動靜載聯(lián)合作用下的響應。通過比較不同工況下的應力-應變關系，可以預測不同區(qū)域的變形和破壞模式。模型分析的結果將指導工程中的支護設計，以及預測可能的破壞區(qū)域，從而為決策提供科學依據(jù)。通過對模型的持續(xù)優(yōu)化和驗證，可以提高預測的準確性，為煤礦的安全生產(chǎn)提供堅實的技術支持。

3.2 巷道現(xiàn)有支護方案的靜力分析

靜力分析的目標是確保支護系統(tǒng)在不受動載影響時的性能能滿足工程要求。7432 工作面采用的支護系統(tǒng)為錨桿與網(wǎng)片配合噴射混凝土。靜力分析首先需要計算巷道圍巖的自重以及巖層壓力對支護系統(tǒng)的影響。圍巖壓力可以使用經(jīng)典的地壓理論計算，表達式如下：

其中P 是圍巖壓力，γ 是巖石的容重，H 是覆蓋深度。以7432 工作面的平均覆蓋深度為771m 計算，若巖石的平均容重為25kN/m3，則圍巖壓力P 可計算出。隨后，錨桿的抗拉承載力T 需要滿足如下條件：

在此A 代表錨桿的支護面積。假設每根錨桿的支護面積為0.5m2，需要保證錨桿的設計抗拉承載力大于或等于該面積上的圍巖壓力。進一步地，噴射混凝土層的厚度t以及其抗壓強度fc也應滿足以下條件，以確保能夠承受由巖石自重引起的壓力：

這里t 的計算基于噴射混凝土的設計厚度，通常取決于圍巖條件和預期的壽命。通過這些靜力學計算，可以確保支護設計滿足安全要求，從而為7432 工作面提供穩(wěn)定的工作環(huán)境。此外，靜力分析的結果還將為動力分析提供基準，以評估在動載作用下支護結構的響應。通過綜合考慮靜載和動載，可以確保支護方案的全面性和有效性。

4 動靜載作用下圍巖穩(wěn)定性控制工業(yè)性試驗

4.1 預裂控頂減載技術

預裂控頂減載技術通過在頂板預設裂縫，以便在煤層開采前引導應力集中區(qū)域，達到減少頂板下沉和控制圍巖穩(wěn)定的目的。預裂裂縫的設計應考慮裂縫的間距S、深度h，以及預裂孔的直徑d。合理的設計可以用以下簡化公式計算預裂孔的間距：

其中k 是一個依據(jù)圍巖特性和煤層厚度決定的經(jīng)驗系數(shù)，H 是覆巖深度。在7432 工作面的情況下，如果覆巖深度平均為771m，且經(jīng)驗系數(shù)k 根據(jù)地質工程師的評估為0.1，那么預裂孔的理論間距S 將設定在77.1m 左右。通過實施預裂控頂減載技術，可以在圍巖中形成一個人為的弱化帶，當?shù)V層受到動載作用時，這些弱化帶有助于減輕沖擊荷載，從而降低頂板垮塌的風險。

4.2 大鉆孔及爆破讓壓減波技術

大鉆孔及爆破讓壓減波技術在于通過預設大直徑鉆孔并進行精確控制的爆破作業(yè)，實現(xiàn)對工作面圍巖應力的有效釋放，進而降低動載引起的沖擊波傳遞，提升圍巖穩(wěn)定性。具體操作中，依據(jù)巖石力學特性及應力監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定大直徑鉆孔的布置方案。例如，在工作面內部，預設直徑為200mm 的鉆孔，鉆至距工作面頂板5m 深處。這些鉆孔布置在預計最大應力集中的區(qū)域，通常沿煤層傾斜方向間隔10m 進行布置。爆破方案設計考慮到了炸藥類型、裝藥量和起爆時機。假設采用的是乳化炸藥，按照圍巖的抗爆性能，計算裝藥量，每個鉆孔裝藥量約15kg（如圖3）。在實施爆破時，采取分段起爆的方式，間隔時間設置為100ms，以減少爆破振動對圍巖的影響。此項技術經(jīng)過精確計算與實地試驗驗證，結果表明，通過大鉆孔及爆破讓壓減波技術的應用，7432 工作面在動靜載復雜作用下的圍巖穩(wěn)定性得到了顯著改善，有力地支撐了工作面的安全高效生產(chǎn)。

圖3 爆破孔內裝藥結構示意圖

4.3 錨桿索系統(tǒng)支護下的防沖體系

為了確保在動載擾動條件下小煤柱沿空巷的穩(wěn)定性，本研究設計了一套包含高強度錨桿和錨索的支護體系，并輔以防沖設計。該防沖體系的核心是采用高強度錨桿和錨索，錨桿長度設定為2.4m，每根錨桿的布置間距為1.5m，配合直徑為21mm 的鋼絞線錨索，每隔4m 布置一根，錨索的長度為7m，以深入穿透不穩(wěn)定的巖層，實現(xiàn)深層固結。錨索預應力設定為150kN，以對圍巖施加初始壓緊力，增強圍巖的整體穩(wěn)定性。為了進一步增強防沖效果，支護體系中還包括在錨桿和錨索之間設置高抗拉強度的網(wǎng)格，其設計抗拉強度為100kN/m2，網(wǎng)格的開孔大小為100mm×100mm，有效地防止小塊巖石脫落，提升整體支護結構的防護能力。

4.4 支護方案

本方案設計基于工作面的具體地質條件，結合了靜態(tài)和動態(tài)負載的作用，旨在為工作面提供強有力的支護，以抵御煤層開采過程中可能出現(xiàn)的礦壓活動。首先，支護方案采用了高強度錨桿和錨索結合噴射混凝土的方法。根據(jù)7432 工作面的巖石力學參數(shù)，如頂板砂質泥巖層的平均厚度4.70m，以及老頂中砂巖層的平均厚度16.10m，確定錨桿的長度和布置密度。以巖層的平均抗壓強度75.8MPa為依據(jù)，錨桿長度設置為2.4m，布置密度為每2m 一根，以形成足夠的支護覆蓋面。其次，為了增加支護結構的整體穩(wěn)定性，錨索的使用將針對較為破碎和應力集中的區(qū)域。錨索的長度為6m，布置間距為每4m 一道，這樣的配置足以穿過較為脆弱的直接頂板，達到更深處的穩(wěn)定巖層。噴射混凝土的厚度根據(jù)圍巖的破碎程度調整，一般厚度為150mm，以確保能夠承受預計的最大巖石壓力。在計算噴射混凝土的覆蓋能力時，使用的設計公式為：

其中P 是混凝土層必須承受的壓力，T 是混凝土的抗拉強度，R 是受力半徑。此外，支護方案還包括對頂板進行系統(tǒng)性的預先加固處理，如局部地區(qū)的高強度鋼網(wǎng)和鋼拱架的使用，特別是在開采前沿和高應力集中區(qū)域。

5 結束語

綜上所述，本研究通過7432 工作面的深入研究與實踐，成功地構建了動靜載耦合作用下的圍巖穩(wěn)定性控制模型，并實施了包括預裂控頂減載、大鉆孔及爆破讓壓減波等先進技術。實踐結果表明，所提措施能顯著提升沿空巷道的圍巖穩(wěn)定性，降低了動載擾動風險，增強了小煤柱的穩(wěn)固性。本研究的成功實施，不僅為7432 工作面提供了堅實的安全保障，同時也為類似地質環(huán)境下的礦山安全生產(chǎn)提供了理論指導和技術支持，具有重要的工程應用價值和深遠的行業(yè)影響。