大采高工作面順槽圍巖破壞特征及控制技術研究

許文杰

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030200）

煤炭資源作為我國的主要基礎能源，在我國能源消費結構中占主要地位[1]。隨著煤炭開采技術水平的提高，煤炭開采工藝逐步向機械化、智能化方向發展[2-4]，在一些煤層賦存較厚的地區，一次采全高開采技術、綜采放頂煤技術逐漸向各大礦區推廣。大采高綜采技術，雖能有效提高煤炭開采率，減小資源浪費，但隨之易出現煤壁片幫、圍巖變形大等問題。因此，國內許多學者對此展開研究，其中，王家臣[5]通過理論分析給出了煤壁發生變形剪切破壞準則；李占魁[6]基于理論分析計算大采高工作面順槽塑性區演化范圍，并提出該地質條件下巷道圍巖變形的控制方法；馬盟[7]根據大采高工作面地質條件，建立相應力學模型，給出了工作面順槽圍巖穩定評價標準；王兆會[4]針對斷層構造區大采高工作面煤壁穩定性問題，對引起煤壁片幫的因素進行分析，提出了斷層構造區煤壁穩定控制技術。

本文以西曲礦18501工作面順槽為研究對象，針對回采期間大采高工作面順槽出現煤壁片幫、圍巖大變形等現象，分析巷道圍巖變形特征及破壞機理，進而提出圍巖控制技術，為類似地質礦井生產提供借鑒。

1 工程概況

西曲礦隸屬山西西山煤電股份有限公司，位于山西省古交市汾河北岸，地處呂梁山脈東麓，距山西省省會太原市56 km。該礦井主采煤層分別為4、7、8、9號煤層，其中8號煤層賦存厚度約為4 m，屬于厚煤層，18501工作面所采煤層為8號煤層，工作面順槽斷面高度為4.2 m。

18501工作面北鄰18502工作面（已采），南鄰18307工作面，東西分別接西983、南983運輸大巷。工作面開采煤層厚度為3.8～4.4 m，平均煤厚4.2 m，煤層傾角在 1°～9°范圍內變化，平均為 3°，屬于穩定可采煤層。煤層頂板存在一層厚度變化不大的偽頂（炭質泥巖），平均厚度為0.2 m，直接頂為石灰巖，平均厚度為2.4 m，直接底約為1.5 m的細砂巖，基本底為3.1 m的粉砂巖，工作面傾向長145 m，走向長1 550 m。18501工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1 18501工作面柱狀圖

2 大采高工作面順槽圍巖破壞特征及機理

2.1 巷道圍巖破壞特征

為準確分析18501工作面順槽在掘巷、回采期間圍巖變形破壞規律，對巷道表面進行位移監測，通過監測數據發現在掘巷期間巷道圍巖變形量較小，而在工作面回采期間圍巖位移變化幅度較大，具體監測數據如圖2所示。

圖2 回采期間巷道表面位移量

數據監測期間發現，18501工作面順槽圍巖產生較大變形量主要產生在工作面超前200 m范圍內。由于煤層賦存條件較差，比較破碎，煤體內部滋生大量裂隙，在大采高情況下，受采動影響劇烈，煤壁及巷道頂底板圍巖完整性進一步遭到破壞，出現整體性破壞特征。具體表現為：巷道頂板大范圍大幅度下沉，局部出現網兜，工作面超前200 m范圍內最大下沉量達600 mm；巷道兩幫均出現大面積片幫，煤柱幫片幫程度較大，呈現明顯的非對稱性特點；底板大范圍出現裂隙，局部呈現明顯底鼓。

2.2 圍巖破壞機理

工作面回采必然對煤巖體產生擾動，不僅破壞了煤巖體的完整性，而且打破了煤巖體周圍原有的平衡應力，促使圍巖應力重新分布，造成煤巖體受到的水平應力大幅度減小，而垂直應力則急劇變大。此時煤壁受到較大的垂直應力，該應力作用于煤壁弱結構面，造成煤巖體裂隙再次發育，導致煤巖體強度降低。當煤巖體所受荷載大于其承載強度時，發生煤壁片幫現象，此時，煤壁穩定性遭到破壞，巷道頂底板隨之受到擾動。

根據煤體強度分析，煤壁破壞形式主要分為剪切破壞和拉伸破壞兩種，如圖3所示為剪切破壞，煤體在頂板壓力及其自重作用下產生橫向拉應力，當煤體強度較弱時，其抗剪強度小于自身受到的橫向拉應力，煤壁發生剪切破壞，此時，滿足公式（1）。

式中：τmax為煤體最大剪切應力；τ為承受橫向拉應力。

如圖4所示為煤壁拉伸破壞形式，由于煤體強度較大，具有很高的脆性，可變形度很小，當煤體的抗拉強度小于橫向拉應力時，煤壁通過膨脹變形不足以使橫向拉應力得到完全釋放，煤體發生拉伸破壞，此時，滿足公式（2）。

式中：R為橫向拉應力；Rt為煤體抗拉強度。

圖3 煤壁剪切破壞

圖4 煤壁拉伸破壞

通過對工作面煤巖取樣進行實驗室力學試驗，試驗結果顯示，開采的8號煤層，煤體強度普氏系數為1.3，屬于軟煤層，抗剪強度較低，在頂板載荷及其自重應力作用下易發生剪切破壞。

3 圍巖控制技術及工業性試驗

3.1 巷道圍巖控制技術

基于上述對巷道圍巖破壞機理分析，針對18501工作面覆巖賦存特征，提出圍巖聯合強化控制技術，解決大采高工作面順槽圍巖破壞問題，具體如下：

1）采用高強度、高預緊力加長錨桿索控制頂板。錨桿索加長能夠充分利用工作面上覆深部穩定巖層，對巷道頂板淺部巖層進行懸吊；同時高強度、高預緊力能有效抑制頂板出現離層現象，通過錨桿索將深部圍巖、巷道淺部巖層形成統一承載結構，提高圍巖整體穩定性。

2）采用“短錨索+長錨桿”聯合控制煤柱幫。其中短錨索選擇高強度、高延伸率錨索，提高煤柱幫整體的抗剪強度，最大程度地抵抗煤柱幫內部所受橫向應力的釋放；在巷道頂底角部位增設頂底角錨桿、錨索，抑制回采期間高支承應力向巷道底板轉移，避免底鼓現象的發生。

3）增強護表結構強度。錨網索支護時采用高強度金屬網和大托盤，使錨桿、錨索施加的預緊力得到有效、充分擴散，促進“圍巖—支護結構物”承載共同體結構的形成。

根據上述控制技術，制定18501工作面順槽錨桿索支護設計方案，如圖5所示。

圖5 巷道支護設計方案（單位：mm）

3.2 工業性試驗

18501工作面順槽試驗段在工作面回采前采用上述巷道支護設計方案進行巷道圍巖控制，并對巷道表面位移進行監測，檢測結果如圖6所示。由圖6可知，巷道受回采影響程度趨于緩和，頂板位移變化量最大，最大收斂值約為160 mm；而巷道兩幫圍巖收斂程度逐漸趨于一致，原巷道圍巖非對稱變化得到了有效改善，該巷道圍巖控制技術達到了預期效果。

圖6 18501工作面順槽試驗段圍巖收斂情況

4 結論

1）大采高工作面易出現煤壁片幫現象，主要是由于工作面回采后，圍巖應力重新分布，頂板上方較大荷載傳遞到煤壁，加之煤體強度較低，加劇煤體內部裂隙發育，最終導致發生片幫現象，且煤壁主要以剪切破壞為主。

2）結合西曲礦18501工作面圍巖自身強度較低現狀，提出了圍巖聯合強化控制技術，提高了巷道圍巖自身承載強度，有效抑制了巷道在回采期間出現圍巖大變形現象。