巷道頂板冒頂機理研究與事故現場治理應用

韓正民

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036500）

0 引 言

煤炭是我國能源結構的重要組成部分，占一次性能源供給的60%以上，為我國的經濟發展和建設做出了貢獻。但同時，采煤行業是一種高危行業，在煤炭的開采環節當中，會對周圍巖體產生破壞，導致采煤工作面和巷道的失穩、冒頂等危險現象。隨著開采深度的不斷增加，地下巷道圍巖性質的不同導致開采難度逐漸增大，高地應力突出，支護難度變大。經過漫長的地質發育，在不同的環境中巷道冒頂的高度、危害程度以及破壞情況也不盡相同。若能清楚巖體失穩破壞以及變形機理，對于災害的預防、控制有很大好處，所以對巷道頂板破壞機理以及圍巖的控制研究很有必要。

在目前的研究當中，理論計算方法發揮了很大的作用，但仍存在一些問題，如計算理論依據不統一、計算參數標定與實際場合相差較大等。數值模擬方法利用實際工程的測試與監測獲得的數據，帶入到相應的數值模擬模型中進行工況模擬，以此來選取合理的方案。工程類比法以大量成功的經驗為基礎，將要設計的工程與類似的已有的工程進行對比，結合實際條件，來確定合理的支護方案。本文以磁窯溝煤業11102綜采工作面為工程背景，探究巷道頂板的冒頂機理以及治理方法。

1 巷道頂板冒頂機理

1.1 礦井概況及地質條件

1.1.1 礦井概況

磁窯溝煤業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。地表最低點位于11102回風順槽距11102切眼210 m處，該處為清水岔溝溝底，高程為968 m，對應巷道底板高程為844 m，采深為124 m；地表最高點位于11102膠運順槽距切眼642 m處，該處為山頂，高程為1 088 m，對應巷道底板高程為883 m，采深為205 m。

1.1.2 礦井地質條件

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，構造形態是單一構造，構造屬簡單類型。各巷道掘進中揭露的的煤層厚度情況，11號煤層西部區煤層厚度總體西厚東薄，11102回風順槽揭露的煤層平均厚度在4.7 m左右，11102膠運順槽揭露的煤層平均厚度在4.3 m左右。

1.2 巷道頂板變形機理分析

1.2.1 巷道頂板變形特性

本節利用有限差分軟件進行巷道頂板變形特征的分析。根據磁窯溝煤業11102綜采工作面的實際情況，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個單元，巷道大小為5 m×3.5 m，本構模型采用摩爾-庫倫模型。煤層及圍巖采用brick單元，模型上表面為應力邊界，施加5 MPa的荷載，其余邊界施加側應力，側應力系數1.1。此次主要探討巷道在開挖后圍巖的變形、塑性區的變形變化特征，并未考慮工作面的采動影響，建立模型如圖1所示。計算模型中煤巖層的物理力學參數見表1。

圖1 數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

表1 煤巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata

圖2為巷道塑性區圖，其中shear-p表示在模型運行過程中的某一時刻處于剪切破壞的單元，shear-n表示當前處于剪切破壞狀態的單元，tension-p表示單元曾發生過拉破壞的單元，tension-n表示單元正在發生拉破壞的單元，none表示從未進行塑性狀態、仍處于彈性狀態的單元。

由圖2可以看出，巷道塑性區沿巷道軸線呈現出對稱對稱分布，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力和剪切應力作用，而距離開挖空間較遠的深部煤頂主要承受剪切應力作用。隨著拉、剪應力的擴大，巷道的變形量呈現整體收斂的趨勢。

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

圖3為巷道圍巖主應力圖。由圖3可以看出，巷道圍巖呈現左右對稱的規律，應力主要集中在巷道的頂角處，淺部應力較小，深部較大，且較高應力有向深部轉移的趨勢。

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

圖4為巷道圍巖變形隨時間變化曲線圖。由圖4可以看出，在300時步之前曲線斜率較大，表明巷道此時變形速率較大，此時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，短時間內巷道圍巖會出現變形過大、變形速度過快等現象，同時塑性區的影響范圍也較大；巷道表面煤體主要因承受拉應力而破壞，深部煤體主要承受剪切而破壞，伴有一些拉應力破壞。巷道的破壞開始為頂板、兩幫、底板協同破壞且變形值較大，逐漸發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定。

1.2.2 巷道頂板破壞規律

煤礦巷道的開挖過程破壞了地層的原始應力平衡，巷道圍巖將進行一系列復雜的活動以達到新的平衡。根據大量實踐及文獻參考，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，開采空間較小導致應力集中，出現原生裂隙、節理等現象；之后，裂隙進一步擴展延伸直至破碎，形成微裂隙區；裂隙經擴展延伸后，形成破碎的橋連區；當劈裂裂隙與周圍裂隙貫通后，隨圍巖平衡穩定，形成節理裂隙組。

（2）巷道頂板離層彎曲破壞過程。隨著擾動的增大，受自重以及地壓的影響，巷道上覆巖層產生法向彎曲，由于巖層巖性差異彎曲度不一致，導致縱向分離。若老頂有較大的剛度同時直接頂又有充足的移動空間，二者的接觸層將產生離層現象，其基本條件為老頂的巖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的撓度。

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

只有在作用力系和材料的總勢能隨裂縫長度增加而不變或減小時，裂縫才會擴展。當作用力的勢能維持穩定時，有以下準則：

式中：c為裂縫長度；We為裂縫周圍彈性應變能；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，垮落運動迅速完成，充填整個巷道。

巷道頂板破壞過程實際上是一種力學行為，對于頂板上覆巖層，當產生離層現象時，直接頂和老頂之間需要滿足以下關系：

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為老頂及直接頂的斷面慣矩，kg·m2。

同時，從第二階段向第三階段（離層到斷裂）變化時，需要滿足σ老、拉＞[σ老、拉]，即老頂所受到的拉應力應超過其所能承受的極限拉應力。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 冒頂處理技術研究

2.1 事故發生經過及原因分析

11102綜采工作面于2019年7月25日回采結束，正式進入回撤階段，7月28日中班21時30分，在鏟板車司機下車固定3號支架與鏟板車時，11102膠運順槽124～132 m段頂板下沉發生垮落事故，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，共計影響5 d搬家倒面時間。如圖6所示。

圖6 1 1 1 02膠運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）規程中所附圖紙說明是依次降架撤出，即1、2、3號支架依次邁步回撤。現場實際回撤時安排先撤出2號支架，2號支架撤出后再撤出1號支架，最后撤出3號支架，在回撤3號支架前造成機頭段懸頂面積過大，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，機頭三角區域正處于頂板支撐應力集中區，頂板壓力相對較大，此時的支架-巷道支護體-頂板處于應力相對平衡狀態。待回撤完2號、1號支架，這一區域的頂板支撐應力重新分布后，加之層間距較薄、頂板巖性強度較弱，形不成有利的礦山壓力拱，構成壓力大于綜合支護力，是造成此次事件的間接原因。

2.2 事故處理

2.2.1 前期準備工作

（1）在11102膠運順槽110～124 m段巷道進行二次支護。首先檢查原有單體工字鋼梁架棚的可靠性，保證單體支護有效，鋼梁上方采用道木、木板背實，接頂嚴密，然后在此基礎上采用工字鋼單體架棚加密支護，棚間距0.5 m，每架設一組棚架，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號礦用工字鋼，支護形式為一梁四柱（可根據現場情況進行加密），要求中間兩根單體間距不得小于4 m，保證行車寬度。

（2）風機安設。在11102膠運順槽90 m處安設2臺風機（一用一備），保證11102膠運順槽冒落區域風量不小于70 m3/min，氣體濃度符合《煤礦安全規程》規定。

（3）注馬麗散前期準備工作。包括風管安裝、對接，安裝打眼鉆機，施工注馬麗散孔及馬麗散運輸、倒料工作。

（4）11102膠運順槽110～124 m處及輔回撤通道口三角區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）由生產服務中心負責用1.2 m、1.8 m短單體及π型梁對11102主回撤通道機頭段進行支護，保證機頭段頂板不再下沉。

（2）由綜采隊負責對11102膠運順槽漏頂區域至11102輔回撤通道口段進行單體棚支護。

（3）由探水隊負責在11102膠運順槽漏頂區域輔回撤通道方向側向主回撤通道方向施工鉆孔，鉆桿留在鉆孔內當做前探梁，鉆桿長度根據現場實際情況確定，每200 mm施工1個。

（4）由生產技術科聯系瑪麗散廠家，待探水隊施工完成后，在11102膠運順槽輔回撤通道方向側對漏頂區域注瑪麗散，采用多孔少注，注瑪麗散時，及時觀察漏頂區域兩側情況，杜絕出現浮煤與多功能車粘連現象。

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

（6）由生產服務中心負責安設絞車進行拖拽多功能車，拖拽多功能車時必須由專人指揮，司機要在安全地點操作絞車，嚴禁蠻干，防止斷繩傷人。在保證架棚區域安全的情況下方可拖拽多功能車。起底時必須用風鎬起底，嚴禁使用炸藥起底。

（7）由生產服務中心負責在11102主輔回撤通道間3個聯巷架設單體棚，支護范圍為主回撤通道側向聯巷5 m范圍內，頂梁為11號礦用工字鋼，頂梁長度根據現場實際情況確定。

經過以上措施，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 論

為探究巷道頂板冒頂機理并對冒頂事故進行治理，以磁窯溝煤業11102回采工作面為背景，利用數值模擬、理論分析和現場漏頂事故治理等手段進行研究。

（1）圍巖發生變形時，巷道頂角和兩幫承受拉、剪雙重作用，隨著拉、剪應力的擴大，巷道的變形量呈現整體收斂的趨勢；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、底板協同破壞，逐漸發展為以頂板變形為主。

（2）巷道頂板破壞共經歷初次擴展、二次擴展延伸、三次延伸劈裂和裂隙貫通4個步驟。

（3）磁窯溝煤業11102回采工作面現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。在日后的工作當中，必須高度重視近距離煤層開采時的礦山壓力分布規律，從設計到施工要超前預控巷道圍巖，采取多種形式的支護方式控制頂板。