基于切顶成巷的巷道顶板危险性分区试验研究

郭鹏飞 袁亚迪 高玉兵 邹宝平 叶铿铿 梁洪达

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000；2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.浙江科技学院 土木与建筑工程学院，浙江 杭州310023)

煤炭是我国的主体能源，煤炭开采中巷道围岩的稳定性对煤矿的安全生产具有重要影响，据不完全统计，巷道顶板事故是煤矿各类事故中发生频率最高、死亡人数最多的事故[1-2].在留煤柱长壁开采模式下，由于巷道围岩仅受超前支承压力的影响，在单体液压支柱等临时支护下，巷道围岩能够保持稳定，能够满足安全生产的需要.然而在切顶成巷时，巷道不仅要经历多次动压的长期影响，而且沿空巷道要在下一工作面回采时使用，初次划分的坚硬顶板可能由于多次动压的影响就会变为易冒落的松软顶板.巷道顶板稳定性受围岩的岩石力学性质、开挖方式、断面支护设计等多种因素共同影响，即使地质条件相似、支护设计相同的同一巷道，一段时间后也会发生不同程度的变形破坏,如巷道片帮、顶板风化、围岩大变形及支护失效等[3-7].因此，基于切顶成巷的巷道围岩危险性分区研究对保证切顶成巷技术的成功实施具有重要意义.

我国的围岩分级发展主要经历三大阶段：单一岩性指标阶段(如岩石抗压强度、弹模等)；单一综合指标阶段(如RQD法)；综合指标阶段(如BQ法、RMR法、Q法等)[8].RQD、BQ、RMR、Q法都是直接或者间接的从岩石完整程度、抗压强度、节理的相关性质等来对围岩的稳定性进行评价，对切顶成巷的巷道围岩危险性分区有一定的指导意义.近年来，国内外学者针对巷道围岩稳定性分析、稳定性评价等开展了大量研究，取得了丰富的研究成果，张农[9-10]通过物理模型实验分析了不同区域顶板巷道的采动破坏特征，通过采场覆岩运动特征分析，对顶板不同区域内巷道围岩的裂隙分区评价，总结出了沿空留巷围岩控制关键技术.康红普[11]对巷道掘进、留巷、留巷复用各阶段中围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析后,评价了巷道围岩支护效果并提出深部沿空留巷支护设计原则.柏建彪[12]采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法,研究了深部巷道围岩稳定性问题,提出了深部巷道围岩控制的基本技术和控制方法.

综上可知，现有的研究多集中在对巷道围岩稳定性分析、预留巷围岩变形特征及支护设计等方面的研究，已有的研究成果对一定范围内的巷道稳定性评价具有重要指导价值.然而，在切顶成巷中，对同一地质条件下、同一地点的巷道发生多次、不同程度动压长期影响下围岩危险性分区的研究较少.因此，本文以禾草沟二号煤矿1105工作面为工程背景，通过理论分析、现场实测等手段，采用单一综合指标方法，在分析预留巷道顶板危险性主要因素的基础上，建立巷道顶板危险性评估模型，并通过现场试验对评估模型进行验证和优化，为成巷前危险区、较危险区巷道顶板的支护设计提供重要参考.

1 工程实例背景

1.1 工程背景

延安市禾草沟二号煤矿地处延安市子长县境内，主采3#煤.1105工作面埋深45 m～59 m，工作面长120 m，顺槽长度1 070 m，1105工作面巷道布置如图1所示.工作面煤层均厚0.80 m，工作面平均采高1.2 m，煤层近水平分布.煤层直接顶为粉砂质泥岩，厚度为1.90 m～2.54 m，均厚2.24 m.直接顶上部为细粒砂岩，厚度为5.62 m～10.02 m，均厚7.64 m；细粒砂岩上部为厚19.34 m～31.30 m、均厚24.35m的泥质粉砂岩.直接底以泥质粉砂岩为主，抗压强度小，稳定性较差.1105工作面钻孔综合柱状图如图2所示.为了更清楚地了解1105工作面顶板危险性评价区间的岩性，对1105回风顺槽切缝炮孔进行岩性窥视，绘制出煤层上方局部范围内岩性分布如图3所示.

图1 1105工作面巷道布置图

图2 1105工作面综合柱状图

图3 1105回风顺槽顶底板局部岩性分布

1.2 切顶成巷技术原理及工艺流程

切顶成巷技术[13]是在工作面煤层回采前，通过聚能爆破对顶板进行定向预裂，待工作面回采后，在矿山压力的作用下，顶板沿预裂面垮落形成巷帮，超前工作面定向预裂能够最大程度减弱采动应力对沿空巷道的剧烈影响，优化了巷道围岩应力分布.其工艺流程如图4所示.

(a)恒阻大变形锚索补强支护

2 巷道危险性评估模型

2.1 影响因素分析

巷道顶板安全是多个因素共同作用的结果，因此找出巷道顶板安全起关键作用的因素至关重要.结合实际工程中采煤工艺、工程地质条件，通过查阅现有关于巷道危险性评价的相关文献资料[14-18]，目前,对于巷道顶板安全评估的指标主要有8个，如表1所示.基于上述巷道顶板安全影响因素，在切顶成巷中，切顶后待沿空巷道稳定后需要撤出部分临时支护，同时形成的沿空巷道需要在下一工作面回采使用，在这一过程中要经受多次动压的影响，在这一过程中矿井地质构造、顶板岩石性质、顶板岩石抗压强度、顶板淋水程度基本不受动压影响，因此,切顶成巷巷道顶板危险性影响因素中不再考虑上述4点.同时顶板下沉量的变化能够直接反映巷道顶板的稳定性；工作面回采前，预留巷道顶板风化破碎，工作面推进过程中破碎顶板处锚杆(索)预紧力大幅下降甚至失效，由于沿空巷道要经历多次动压影响，会加剧顶板断裂的发育程度；切顶成巷中，随着工作面的推进，采空区上方直接顶垮落，直接顶与老顶产生离层，顶板分层层数对上覆岩层离层产生影响.同时依据现有巷道围岩稳定性影响因素选取原则——选取指标必须是对巷道顶板稳定性有显著影响，因此，提出了顶板最大下沉量、破碎率、断裂发育程度和顶板分层层数为巷道顶板危险性评估的主要影响因素，巷道顶板危险性评估指标体系如图5所示.

表1 巷道顶板安全评估指标

图5 巷道顶板危险性评估指标体系

2.2 评估指标权重分配

基于选取4个指标，采用改进的AHP法[19-20]对顶板最大下沉量、破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数进行权重计算.通过建立的影响因素集对各个影响因素进行等级评价，使用判断矩阵进行各个影响因素权重向量的计算，计算出各个影响因素权重向量的大小就是各个影响因素的权重.计算得出各个影响因素权重分别为0.111、0.222、0.167、0.500，危险性评估指标权重系数如图6所示.

图6 危险性评估指标权重系数

2.3 评估标准及其归一化

巷道顶板危险性评估需要确定分区指标的标准值，基于分区指标本身的可行性、科学性、代表性和独立性，结合国内外切顶成巷巷道顶板最大下沉量、破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数的相关文献，得出不同影响因素的评价标准，同时把巷道顶板危险性分为危险区、较危险区、相对稳定区.在巷道顶板危险性评估标准中，为了消除量纲和取值范围的差异同时方便数据的处理，对不同影响因素进行归一化处理，归一化后危险区、较危险区、相对稳定区的值分别为0.17、0.33、0.50，巷道顶板危险性评估标准如表2所示.

表2 巷道顶板危险性分区指标评估标准及其归一值

2.4 危险性分区综合指数法评价模型

综合指数法将各项指标转化为同度量的个体指数，便于将各项指标综合起来，通过综合指数来为综合评比提供依据，各项指标的权数是根据其重要程度决定的，体现了各项指标在综合值中作用的大小.在使用过程中综合指数法具有方法简单、容易理解，能够弥补单一指标评价体系带来的误差和不准确.

基于综合指数法，建立了综合指数分区评估模型为：

y=a1k1+a2k2+a3k3+a4k4

(1)

式中：a1、a2、a3、a4分别指顶板最大下沉量、破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数对应的权重值，k1、k2、k3、k4分别指顶板最大下沉量、破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数对应的归一化值，y为巷道顶板危险性分区综合指数.根据综合指数y的取值大小,将巷道内顶板危险性划分为3个评价等级见表3.

表3 巷道顶板危险性评估等级

3 工业性试验

为了更好地对巷道顶板危险性进行评估，同时为了验证和优化上述巷道顶板危险性评估体系的正确性，分别与顶板破碎率为主要评估因素、顶板最大下沉量为主要评估因素的两种情况下进行对比.

3.1 破碎率为评估依据的顶板危险性分区

在工作面回采之前，由于地应力、采动等多种因素造成巷道顶板发生破碎剥落,如图7所示，顶板越破碎，巷道顶板发生冒顶的危险性越大.以顶板破碎率作为影响顶板危险性的主要因素，对1105工作面回风顺槽巷道内730 m～1 060 m进行数据采集、记录并绘制顶板危险性分区图，如图8所示.由图8可知:在距切眼位置730 m～830 m、880 m～889 m、1 009 m～1 014 m、1 050 m～1 060 m顶板破碎严重，评估为危险区；距切眼位置852 m～859 m、889 m～1 005 m、1 030 m～1 040 m评估为较危险区；剩余位置评估为相对稳定区.

图7 工作面回采前局部顶板破碎区域

图8 顶板破碎率为判别依据的危险性分区

3.2 最大下沉量为评估依据的顶板危险性分区

在切顶成巷中，由于巷道内地质条件的变化，同一巷道内在不同的位置在原有支护施做之后仍会发生不同程度的下沉,如图9所示，巷道顶板发生下沉时，顶板岩层内部易产生离层，导致锚杆(索)失效，巷道变形量越大，巷道顶板稳定性越差，以巷道大下沉量为主要评估依据，对1105工作面回风顺槽730 m～1 060 m进行顶板最大下沉量数据采集并绘制顶板危险性分区图如图10所示.由图10可知：距切眼760 m～798 m、914 m～950 m、1 006 m～1 009 m、1 030 m～1 040 m，评估为危险区；距切眼1 050 m～1 060 m巷道段评估为较危险区；剩余巷道区段评估为相对稳定区.

图9 局部顶板下沉区域

图10 顶板最大下沉量为判别因素的危险性分区

3.3 综合指数法的危险性分区

采用综合指数法以顶板最大下沉量、顶板破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数为依据进行巷道顶板危险性评价，对1105工作面回风顺槽730 m～1 060 m处进行数据采集，把相关数据代入公式(1)中，部分区段位置巷道顶板危险性分区综合指数如表4所示，将整个巷道区段采集数据进行综合指数计算后绘制出巷道顶板危险性分区如图11所示.

表4 730 m～838 m及950 m～1 005 m区间危险性分区

图11 综合指数法的巷道顶板危险性分区

由图11可知：距切眼730 m～838 m、880 m～889 m、914 m～950 m、1 005 m～1 014 m、1 030 m～1 060 m、1 050 m～1 060 m综合评价为危险区；距切眼852 m～859 m、950 m～1 005 m为较危险区；其余位置划分为相对稳定区.通过图8、图10、图11的对比，以顶板破碎率和顶板最大下沉量为主要依据对巷道顶板危险性评估时，两者在巷道顶板危险性评估结果上是不太吻合的，而采用综合指数法对巷道顶板危险性评估中，巷道顶板危险性分区结果更能全面反映巷道顶板危险性分区，较前两种评价结果更加的准确，同时计算结果与现场实际情况较为吻合，验证了该评估方法的可靠性与准确性，为巷道内不同区域的加固与否以及加固方案的设计提供了重要依据.

4 巷道危险性评价后对危险区、较危险区补强支护效果分析

4.1 较危险区、危险区补强支护设计

基于1105工作面回风顺槽730 m～1 060 m区段危险性分区结果，为了能够有效地对巷道顶板下沉、破碎、裂隙发育进行控制，对危险区、较危险区采用增加锚索数量来控制顶板破碎和裂隙发育，改变单体支柱排列及组合方式来控制顶板下沉.具体补强支护方案如下：首先，对于较危险区，在原支护的基础上，在沿空巷道的巷内支护由1根单体支柱加强为一梁两柱，排距1 m.第二，对于危险区，在较危险区补强支护方案的基础上，沿空巷道巷内支护由一梁两柱加强为一梁三柱，排距0.5 m. 第三， 对于危险区、 较危险区超前工作面普通锚索补强支护，沿巷道轴线方向施工普通锚索，距1105工作面回风顺槽副帮0.5 m、排距1.6 m，近副帮侧锚索与铅垂线夹角为10 °；沿巷中线施工普通锚索，排距3.2 m；锚索直径为21.8 mm，长6.3 m，预紧力不小于18 t，托盘规格为200 mm*200 mm*10 mm.较危险区、危险区补强支护设计如图12至图15所示.

图12 较危险区巷内支护断面图

图13 较危险区巷内支护俯视图

图14 危险区巷内支护断面图

图15 危险区巷内支护俯视图

4.2 补强支护后成巷效果分析

1105工作面回风顺槽730 m～1 060 m区段补强支护后，分别在危险区、较危险区及相对稳定区设置测站，对各个分区巷道变形进行监测.危险区、较危险区和相对稳定区测站分别位于距开切眼810 m、970 m及870 m处.对各个测站记录数据进行整理分析并绘制曲线如下：图16为巷道补强后顶板下沉量与距工作面距离变化，图17为巷道补强后两帮移近量与距工作面距离变化.

图16 巷道顶板下沉量与距工作面距离关系曲线

图17 巷道两帮移近量与距工作面距离关系曲线

由图16及图17可知,(1)沿空巷道稳定后危险区内巷道顶板下沉量明显高于其他两个区域，危险区巷道顶板下沉量最大值为210 mm，比相对稳定区、较危险区分别增大70 mm、25 mm.在超前工作面范围内三个区域测站的顶板下沉量都在逐渐增加，随着工作面的向前推进，顶板下沉量逐渐减小，最后趋于稳定，说明巷道进行危险性分区后对不同区域采用补强支护是必要的，在该阶段内巷道变形速率与巷道顶板分区相关性较大，巷道围岩变形受支护质量影响较大；在滞后工作面25 m范围内，三个区域顶板下沉量均急剧增大，这是由于工作面回采后沿空巷道顶板岩层在采动应力的影响下变形剧烈，说明在该阶段内巷道变形速率与巷道顶板分区相关性较小，巷道围岩变形受上覆岩层回转变形影响较大.(2)由于受到巷道围岩应力、采动等影响，危险区巷道两帮移近量比其他两个区域显著增大.危险区巷道两帮移近量最大值为26 mm，比相对稳定区、较危险区分别增大11 mm、6 mm.在超前工作面30 m范围内相对稳定区域两帮移近量达到最大并趋于稳定，在超前工作面40 m范围内较危险区域两帮移近量达到最大并趋于稳定，在超前工作面50 m范围内危险区域两帮移近量达到最大并趋于稳定，并且三个区域稳定后的两帮移近量有一定的差距，说明在超前范围内巷道两帮移近速率与巷道顶板分区相关性较大；在滞后工作面20 m范围内，三个区域两帮移近量均急剧增大，随着工作面的推进，巷道两帮移近速率逐渐增大，主要受采动应力的影响，表明在该阶段内巷道两帮移近速率与巷道顶板分区相关性较小.(3)沿空留巷前预留巷道的补强支护能够有效控制沿空巷道围岩稳定性，但留巷前巷道顶板的弱化难以通过补强支护完全消除，锚杆(索)补强支护对顶板完整性的提升是有限的，后期应考虑局部注浆等措施进行加强.

5 结论

(1)针对单一影响因素下切顶成巷的巷道危险性评价方法单一、评价结果不一致、评价结果粗糙等问题，提出了考虑多因素共同影响的巷道危险性评价体系.

(2)采用综合指数法，引入基于切顶成巷的巷道顶板危险性评估方法，建立了顶板最大下沉量、破碎率、顶板断裂发育程度、顶板的分层层数为主要因素的评估模型.通过现场试验，验证了巷道顶板危险性评估模型及方法的合理性与准确性，为巷道内不同区域的加固与否以及加固方案提供重要依据.

(3)沿空巷道顶板在超前工作面0 m～40 m范围内顶板变形速率在逐渐减小，主要是由于巷道围岩变形受采动、支护质量的共同影响；在超前工作面40 m～100 m范围内顶板变形速率逐渐减小并趋于稳定，主要是由于巷道所处位置不在采动影响范围内且开挖后对巷道进行了一定的锚杆(索)支护；在滞后工作面20 m范围内顶板变形速率急剧增大.

(4)基于切顶成巷的巷道顶板危险性分区结果，切顶成巷前对危险区和相对危险区进行有针对性的补强支护十分必要，补强支护能够有效控制沿空巷道围岩的变形，但危险区内巷道围岩变形量依然较另外两分区大，留巷前巷道顶板的弱化难以通过补强支护完全消除，锚杆索补强支护对成巷后顶板完整性的提升是有限的，后期应考虑局部注浆等措施进行加强.