活雞兔煤礦頂板穩(wěn)定性分析與支護(hù)方案設(shè)計(jì)

董俊亮， 王慶雄， 李曉龍， 王軍

(1.國能神東煤炭集團(tuán)技術(shù)研究院， 鄂爾多斯 017209； 2.國能神東煤炭集團(tuán)生產(chǎn)部， 鄂爾多斯 017209; 3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(shù)的30%以上[1-2]，成為中國煤礦生產(chǎn)中的“第一殺手”，極大地威脅工人生命安全和行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。對于巷道的頂板穩(wěn)定性控制，許多學(xué)者做了大量的工作，并取得了豐富的研究成果。如凌標(biāo)燦等[3-4]指出頂板穩(wěn)定性主要取決于沉積構(gòu)造亞相特征，可以通過控制推進(jìn)工作的速度對頂板穩(wěn)定性進(jìn)行控制；王普等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)軟弱夾層、強(qiáng)降雨與空氣潮濕以及支護(hù)方式不合理是李家樓煤礦巷道失穩(wěn)、冒頂?shù)闹饕颍粡執(zhí)斓萚6]對新發(fā)煤業(yè)多次采動影響的巷道圍巖變形及塑性區(qū)演化規(guī)律進(jìn)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(wěn)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(wěn)問題，提出采用高強(qiáng)恒阻讓壓錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)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(fā)，建立了冒頂成因分類標(biāo)準(zhǔn)及方法；王羽楊[10]等基于層次分析法從經(jīng)濟(jì)、施工方法和進(jìn)度、支護(hù)效果和環(huán)境等方面對軟巖巷道的支護(hù)方案進(jìn)行了評價，提出了巷道支護(hù)優(yōu)化方案；楊繼元等[11]針對布爾臺礦上下兩煤層疊加強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出了“超前支架+頂板補(bǔ)強(qiáng)+煤幫補(bǔ)強(qiáng)+水力壓裂”的防治策略；夏輝等[12]針對大斷面運(yùn)輸巷道變形嚴(yán)重問題，提出了相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)。

通過大量文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，目前頂板穩(wěn)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(wěn)定性，或者是研究某一特定地質(zhì)條件下或開采參數(shù)下巷道頂板失穩(wěn)機(jī)理和控制技術(shù)。但是煤層在地質(zhì)運(yùn)動和沉積時所處的情況不同，一般具有較大的差異性，導(dǎo)致同一煤層不同位置的巖層穩(wěn)定性變化較大，統(tǒng)一化的支護(hù)方案可能使得部分區(qū)域過度支護(hù)增加成本，也可能會使得局部區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度不夠，產(chǎn)生巷道冒頂甚至失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此需要基于區(qū)域地質(zhì)條件以及采動影響程度，對煤層頂板穩(wěn)定性進(jìn)行精細(xì)化分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)差異化巷道頂板支護(hù)方案。

現(xiàn)通過對活雞兔2-2煤層頂板巖層進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)合精細(xì)化圍巖結(jié)構(gòu)探測，采用數(shù)值模擬的方法研究采動對巷道頂板穩(wěn)定性的影響，據(jù)此提出不同頂板條件下合理、經(jīng)濟(jì)、可行的支護(hù)方案。

1 工程背景

活雞兔是國能神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦下屬現(xiàn)代化礦井，地處陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)，產(chǎn)能約1 500萬t。活雞兔井田內(nèi)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(nèi)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(wěn)定性分析與圍巖結(jié)構(gòu)探測

2.1 頂板穩(wěn)定性分析原理

煤層在沉積形成的過程中，受地質(zhì)運(yùn)動、所處環(huán)境的影響，其強(qiáng)度也會有較大的差異。對于這類層狀復(fù)合型頂板，其頂板上方穩(wěn)定的巖層承擔(dān)了上覆巖層的重量，故可以根據(jù)頂板與穩(wěn)定性巖層的距離作為頂板穩(wěn)定性分類的指標(biāo)[13]。根據(jù)材料力學(xué)中巖梁理論建立簡支梁、固支梁兩種力學(xué)模型對巷道頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分析。考慮到需要確定穩(wěn)定巖層的位置，而當(dāng)巖層為穩(wěn)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(fā)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(wěn)定跨距，m；σtx為第x層巖層抗拉強(qiáng)度，MPa；hx為第x層巖層的巖層厚度，m；qx為第x層巖層實(shí)際作用載荷，MPa。

根據(jù)實(shí)際情況可知，穩(wěn)定巖層受到3個力的作用，即穩(wěn)定巖層的自重，上覆巖層對穩(wěn)定巖層產(chǎn)生的載荷，下方不穩(wěn)定巖層對穩(wěn)定巖層的作用力。所以判定是否為穩(wěn)定巖層需滿足條件的表達(dá)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(wěn)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(shí)際工程地質(zhì)條件以及采動影響等因素會削弱巖層穩(wěn)定性，則穩(wěn)定頂板還需滿足條件的表達(dá)式為

(3)

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

根據(jù)常用的錨桿(索)的錨固范圍，可以將穩(wěn)定巖層至頂板的距離作為劃分頂板類別的依據(jù)，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(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn)

2.2 活雞兔2-2煤層頂板穩(wěn)定性分析計(jì)算

在活雞兔井田范圍內(nèi)，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(jù)礦方提供的巖石力學(xué)參數(shù)(表2)以及工作面開采參數(shù)，按照上述計(jì)算流程獲得活雞兔2-2煤層各鉆孔頂板穩(wěn)定性類別。根據(jù)各鉆孔坐標(biāo)，利用Surfer軟件進(jìn)行插值計(jì)算獲得2-2煤層各巷道頂板穩(wěn)定性情況(圖3)。

活雞兔2-2煤層工作面回采巷道大部分區(qū)域處于Ⅰ類頂板條件下，22309、22310和22311工作面回采巷道局部區(qū)域，以及22313、22314工作面回采巷道大部分區(qū)域處于Ⅱ類頂板，其中22314工作面局部區(qū)域出現(xiàn)Ⅲ類頂板。目前正開采22204工作面均處于Ⅰ類頂板區(qū)域，巷道頂板巖層穩(wěn)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(wěn)定性較好，局部區(qū)域頂板穩(wěn)定性較差，巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意差別。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)

圖3 活雞兔2-2煤層各工作面巷道頂板穩(wěn)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(jié)構(gòu)分析

在22314工作面開切眼巷道頂板中線布置鉆孔進(jìn)行頂板結(jié)構(gòu)及完整探測，結(jié)果如圖4所示。鉆孔內(nèi)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(nèi)為煤體，結(jié)構(gòu)較為完整、圍巖穩(wěn)定，煤巖分界面處圍巖裂隙發(fā)育；3～6 m范圍內(nèi)，整體圍巖結(jié)構(gòu)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(dǎo)致圍巖破壞。整體上來看，頂板鉆孔未發(fā)生較大變形，圍巖結(jié)構(gòu)完整，這表明巷道頂板整體穩(wěn)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(jù)頂板穩(wěn)定性分類結(jié)果以及圍巖結(jié)構(gòu)探測分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ類頂板煤層上部的直接頂由細(xì)粒砂巖、中粒砂巖等強(qiáng)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(xì)粒砂巖或中粒砂巖等強(qiáng)度較高且有一定厚度的巖層，老頂由強(qiáng)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(jié)構(gòu)Fig.5 Surrounding rock structure of various roofs

3 采動影響下巷道圍巖塑性區(qū)分析

為分析工作面回采對不同類型頂板穩(wěn)定性的影響情況，利用FLAC3D建立數(shù)值模型對巷道圍巖區(qū)域應(yīng)力場以及圍巖塑性區(qū)進(jìn)行研究。

3.1 模型的建立

根據(jù)活雞兔礦實(shí)際地層賦存條件以及巖石力學(xué)參數(shù)(表2)，建立三維數(shù)值模擬模型。為了較為精確地模擬煤層開采對巷道頂板穩(wěn)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(jìn)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(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

3.2 采動巷道圍巖應(yīng)力分析

以工作面推進(jìn)400 m時為例，工作面前方22206回風(fēng)巷道不同位置圍巖垂直方向應(yīng)力分布情況如圖7所示?？梢钥闯?，巷道兩幫的應(yīng)力值比巷道頂?shù)椎膽?yīng)力值要大，工作面前方5～30 m巷道兩幫應(yīng)力峰值約為9 MPa，頂?shù)讘?yīng)力峰值約為2.5 MPa，隨著遠(yuǎn)離工作面，巷道周圍應(yīng)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(yīng)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(yīng)力變化情況如圖8所示。工作面前方最大主應(yīng)力在3～8.7 MPa范圍內(nèi)變化，工作面附近最大主應(yīng)力為8.7 MPa左右，隨著遠(yuǎn)離工作面，最大主應(yīng)力逐漸減??；工作面前方最小主應(yīng)力在2.5～4 MPa范圍內(nèi)變化，變化趨勢與最大主應(yīng)力變化相似。工作面附近最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值約為8.7，隨著遠(yuǎn)離工作面，應(yīng)力比值急劇下降，最后穩(wěn)定在1.4左右。22314回風(fēng)巷道應(yīng)力分布規(guī)律與此類似。

圖8 最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)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(qū)特征分析

由于二次采動工作面前方20 m范圍內(nèi)有超前支架支護(hù)，頂板控制較好。因此分析22206回風(fēng)巷道以及22314回風(fēng)巷道工作面前方25 m處巷道圍巖塑性區(qū)分布特征(圖9)。從圖9中可以看出，22206回風(fēng)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(xiàn)了小范圍塑性區(qū)，其他位置巷道頂?shù)装鍘缀跷闯霈F(xiàn)塑性區(qū)，這表明Ⅰ類頂板條件下，巷道頂板受采動影響較小；22314回風(fēng)巷道受采動影響巷道頂?shù)缀蛢蓭途霈F(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，頂板塑性區(qū)存在躍透，這與該處頂板存在軟弱夾層或圍巖破碎有關(guān)，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(wěn)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(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 支護(hù)方案的提出

根據(jù)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(hù)方案，如圖10所示。二次采動時，Ⅲ類頂板條件下還需分別補(bǔ)強(qiáng)一根同類型錨桿和錨索，其他頂板條件下二次采動參數(shù)不變。

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

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

為驗(yàn)證支護(hù)方案的適用性，在22314回風(fēng)巷道(Ⅲ類頂板)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，并監(jiān)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?shù)装逡平康淖畲笾?，監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，受二次采動影響巷道頂?shù)装遄畲笠平吭?0～110 mm范圍內(nèi)波動，巷道整體變形較小，這表明所提出的支護(hù)方案能較好地維護(hù)巷道頂板的穩(wěn)定性。

圖11 現(xiàn)場監(jiān)測記錄Fig.11 Field monitoring records

圖12 巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Monitoring results of roadway surface displacement

5 結(jié)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(jìn)行了分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)活雞兔2-2煤巷道頂板以Ⅰ類頂板為主，巷道頂板穩(wěn)定性較好，局部出現(xiàn)Ⅱ和Ⅲ類頂板區(qū)域需要加強(qiáng)支護(hù)。

(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(jié)構(gòu)完整性均較好，局部裂隙發(fā)育，整體上巷道較為穩(wěn)定。

(3)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，工作面回采對22206回風(fēng)巷道(Ⅰ類頂板)影響較小，除煤柱影響區(qū)外，巷道頂板幾乎未出現(xiàn)塑性區(qū)；對22314回風(fēng)巷道(Ⅲ類頂板)的影響有限，巷道頂?shù)變H出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)。

(4)提出了Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類不同頂板條件下巷道支護(hù)方案，并在22314回風(fēng)巷道進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明所提出支護(hù)方案經(jīng)濟(jì)、合理，巷道變形較小，可為類似條件下巷道頂板支護(hù)參數(shù)選擇提供參考。