含夾矸煤巷幫部破壞機理與控制技術

司建鋒，石 蒙，陳 真，張東昕，李 攀

(1.陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719302；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

榆神礦區新建特大型礦井小保當一號煤礦首采面順槽快速掘進過程中，遇到了含夾矸地段煤巷片幫嚴重問題，巷道成形差，掘進速度被拖慢等問題，影響工作面成形進度。關于含夾矸巷道的變形破壞，國內學者進行了相關的研究，得出一些有意義的成果。余國猛[1]通過數值模擬發現軟弱夾矸是煤巷圍巖變形破壞的薄弱結構，容易引起鄰近圍巖的塑性破壞。黃慶享等[2]總結深部含軟弱夾層巷道的研究成果得出，軟弱夾層位置對巖巷應力集中程度、巖體強度和穩定性都具有顯著影響。吳順川等[3]通過理論分析得出夾矸-煤組合結構破壞失穩與接觸面條件及力學環境有關。胡興濤[4]通過鉆孔窺視手段研究了含夾矸巷道掘進與穩定階段幫部裂隙演化與變形發展規律，提出淺部強力支護來控制裂隙發育的對策。以上研究成果為含夾矸巷道幫部破壞成因研究提供了一定的思路指導，基于小保當一號煤礦含夾矸煤巷生產地質條件，分析其片幫發生機理，并提出針對性的控制技術。

1 工程背景

1.1 工程概況

小保當一號煤礦首采面112201工作面主采2-2號煤層，煤層平均厚度為5.8 m，頂底板以中粒砂巖、粉砂巖為主，穩定程度高，煤層埋深約350 m，近水平賦存。首采面2-2號煤層掘進里程0～2 090 m范圍內煤層含夾矸，夾矸巖性為細粒砂巖，夾矸厚度100～1 300 mm，平均厚度500 mm，夾矸位置靠近煤層中線，距煤層底板2 000 mm左右。輔運順槽掘進至600 m左右開始，礦壓顯現明顯增大，煤炮聲頻繁，巷道片幫嚴重，最大片幫深度達0.5～0.6 m，支護工作必須在片幫結束后才能進行，嚴重影響掘進速度，而且錨桿支護后仍有明顯片幫現象，對安全掘進造成較大影響。

1.2 含夾矸煤巷幫部破壞原因分析

根據國內對于含夾矸巷道圍巖破壞機理的研究成果，結合小保當一號煤礦含夾矸煤巷生產地質條件與破壞特征，分析幫部破壞成因主要有以下幾個方面。

1.2.1 水平應力作用顯著

根據地質力學測試結果，最大水平主應力方向與輔運順槽軸向夾角為82°左右，致使地應力對巷道影響較大。通常來說，水平應力對頂底板變形破壞較大，但是對于煤-矸結合的幫部，煤巖接觸面在水平應力作用下可能發生非均勻變形[5-6]。同樣圍巖結構的大巷與順槽方向垂直，大巷基本沒有片幫現象，可以說明水平應力影響是幫部破壞的主要原因之一。

1.2.2 煤-矸物理力學性質差異大

幫部夾矸巖性為細粒砂巖，與煤的強度、彈性模量等物理力學參數有較大差異，巷道掘進后應力重分布，造成煤-矸非均勻性應力積聚與變形，接觸面發生滑移破壞[7]，造成脆性破壞并片落。

1.2.3 支護參數設計存在問題

原設計幫部支護采用直徑為20 mm屈服強度335 MPa的錨桿，長度為2.4 m，間排距為1 000 mm，采用鋼筋托梁聯接，菱形金屬網護表。錨桿強度足夠，但預緊力僅為100 N·m，主動支護力弱，而且鋼筋托梁護表面積較小，不利于預應力有效擴散，錨桿支護達到的護表能力不強，一般條件下沒有問題，但片幫條件下無法滿足控幫要求。

2 數值模擬分析

2.1 模型參數

為模擬夾矸賦存特征對巷道變形破壞的影響，基于112201輔運順槽工程實際，構建UDEC數值模型如圖1所示，模型參數見表1。數值模型長75 m，高50 m，巷道位置在模型煤層中部，沿底板掘進，左右兩邊各留34.5 m以消除邊界影響，模型左右兩邊限制水平位移，即vx=0，模型下方限制縱向位移，模型上方施加邊界應力15 MPa。2-2號煤層中部距底板2 m處有一層厚度0.5 m的細粒砂巖夾矸，直接頂為1.5 m厚粉砂巖，基本頂為9.5 m厚細粒砂巖，底板為厚度2 m的粉砂巖，底板下方有0.5 m厚的煤線。

圖1 順槽數值模型Fig.1 Numerical model of mining roadway

表1 數值模型參數

2.2 夾矸賦存參數對巷道圍巖變形破壞的影響

分別對無夾矸條件下以及夾矸厚度分別為0.5 m、1.0 m以及1.5 m這3種條件下巷道開掘后的變形情況進行數值模擬，通過對比分析數值模擬結果以得出細粒砂巖夾矸對巷道圍巖穩定性的具體機制，數值模擬結果如圖2所示。可以看出，夾矸的賦存參數對巷道兩幫穩定性影響極大，無夾矸條件下巷道兩幫僅有部分碎煤發生片落，兩幫煤體內部僅有少量裂隙，巷道圍巖整體穩定性良好。含夾矸條件下，夾矸厚度越小，穩定性越差，夾矸沿原生裂隙破斷變形的同時周邊煤體在其影響下同步發生較大變形，隨著夾矸厚度增加，夾矸層穩定性提高，圍巖穩定性逐漸變好，夾矸厚度為0.5 m時，右幫出現煤體沿夾矸原生裂隙整體失穩破壞的現象，片幫深度為0.5 m。不同夾矸厚度條件下巷道圍巖位移情況如圖3、4所示。

圖2 不同夾矸厚度下巷道圍巖變形模擬結果Fig.2 Simulation results of roadway surrounding rock deformation under different gangue thickness

圖3 不同夾矸厚度下巷道圍巖水平位移對比Fig.3 Comparison of horizontal displacement of roadway surrounding rock under different gangue thickness

對比分析不同夾矸厚度下巷道圍巖的水平、垂直位移可知，兩幫變形在夾矸厚度為0.5 m時最大，最大水平位移量發生在左幫，煤體發生失穩破壞，變形量1 000 mm，最大垂直位移發生在頂板，變形量480 mm；無夾矸情況下巷道圍巖穩定性最好，最大水平位移僅為200 mm，部分碎煤片落，最大垂直位移僅為120 mm。

2.3 掘進方式對圍巖穩定性影響的模擬研究

112201工作面2-2號煤層夾矸平均厚度0.5 m，在此條件下，提出分層掘進二次成巷以控制片幫的思路，對二次成巷進行數值模擬，同時與一次成巷下巷道變形進行技術經濟對比，進而得出最優掘進方案。二次成巷擬定方案為上分層掘進時留1～1.5 m底煤掘進，下分層計劃用連采機后退拉底煤的方式掘出，分層掘進二次成巷巷道破壞情況數值模擬結果如圖5所示。

圖4 不同夾矸厚度下巷道圍巖垂直位移對比Fig.4 Comparison of vertical displacement of roadway surrounding rock under different gangue thickness

圖5 分層掘進二次成巷巷道破壞示意Fig.5 Layered excavation and secondary roadway formation

二次成巷第1次掘進后，由于夾矸層位較低且兩幫高度僅有3 m，巷道圍巖穩定性良好，僅有左幫處煤體受夾矸原生裂隙影響，內部出現少量裂隙；對初掘巷道進行高強支護后第2次掘進時將剩余1.5 m底煤一次掘出，兩幫裂隙明顯增多，但在錨桿支護控制下，巷道圍巖變形遠小于圖5(b)所示的巷道一次全部掘出時的變形，巷道穩定性良好，未出現煤體破壞現象。分層掘進過程中巷道圍巖水平、垂直位移分別如圖6、7所示。可以看出，初次掘進時巷道最大水平位移發生在兩幫，變形量為100 mm，最大垂直位移發生在底板，底鼓量為80 mm；二次掘進后巷道最大水平位移發生在兩幫，變形量為200 mm，最大垂直位移發生在頂板，最大變形量為100 mm。分層掘進二次成巷現場應用后，片幫現象大幅減輕，巷道支護速度與支護質量得到提高，掘進效率提高了70%。

圖6 掘進過程中巷道水平位移對比Fig.6 Comparison of roadway horizontal displacement during excavation

3 “關鍵區”強韌護表支護技術

對于特殊含夾矸復雜結構煤層巷道小保當一號煤礦112201工作面順槽來說，由于夾矸存在導致煤層結構復雜化，幫部夾矸賦存附近區域為巷道的關鍵區，嚴重片幫也發生于該區域。針對該關鍵區，提出強韌支護技術，即大幅度提高錨桿預緊扭矩至400 N·m，并添加大面積護表構件W鋼護板(尺寸為450 mm×280 mm×4 mm)，將錨桿托板形成的預應力有效傳遞、擴散到圍巖內部，從而大幅增強關鍵區薄弱圍巖的韌性[8-12]，使其在開挖后的應力釋放過程中不會發生頻繁片落現象，從而有效控制片幫現象，增加巷道整體穩定性，“關鍵區”強韌護表支護技術原理如圖8所示。經現場應用，錨桿支護后沒有再出現片幫現象，控幫效果顯著。

圖7 掘進過程中巷道垂直位移對比Fig.7 Comparison of roadway vertical displacement during excavation

圖8 “關鍵區”強韌護表支護技術原理示意Fig.8 Principle of high strength and toughness support technology in “key area”

4 結論

(1)分析得出小保當一號煤礦112201工作面回采巷道片幫原因，主要為水平應力作用顯著，煤-矸物理力學性質差異大，支護參數設計存在問題。

(2)含夾矸條件下，夾矸厚度越小，幫部穩定性越差，分層掘進二次成巷有利于控制片幫并能有效提高掘進效率。

(3)提出了“關鍵區”強韌護表支護技術，實現錨桿支護高預應力并使其有效擴散，大幅增強關鍵區薄弱圍巖的韌性，控幫效果顯著。