松软煤层巷道破坏原因及控制策略

周业国 温良霞通讯作者 周长虹

1.毕节市地方煤矿勘测设计有限责任公司 贵州毕节 551700 2.贵州工程应用技术学院 贵州毕节 551700

1 煤层工作面概况

某矿业25081 工作面为倾斜巷道回采工作面，工作面倾向长度755m，走向长度145m，主采3#煤层。煤层厚度3.14-6.93m，平均为5.25m，倾角2-12°，平均6°。煤层内偶见1 层砂质泥岩夹矸，煤层赋存较稳定，煤层结构简单。该工作面煤层直接顶板为4.8m 砂质泥岩，基本顶为11.1m 细砂岩，基本底为2.6m 细砂岩。该工作面煤体的抗压强度较低，煤层质地松软，工作面回采范围内节理裂隙较发育，存在众多小型断层，对煤层稳定性有较大影响[1]。

2 巷道破坏原因分析

在巷道掘进过程中，围岩应力重新分布，巷道围岩出现位移，发生破坏。同时，受到断层的影响，该区域煤层顶板往往比较破碎。根据工作面地质情况，在距切眼140m 处存在两条断层，落差分别为0.9m 和1.3m。对工作面冒顶情况进行统计发现，在回采通过断层期间，冒顶情况较为严重，冒落高度最大为3.3m。所以断层对片帮的影响作用比较明显。现场实践表明，巷道围岩在一定条件下能够达到平衡状态，实现自稳。在煤体巷道中，由于煤体强度较低，易发生片帮，从而增加巷道的实际宽度，应力重新分布，顶板破坏区域也会相应地增大，直至达到新的平衡。此时，得到的拱是达到破坏最大的极限区间，这时的自稳平衡拱称为“极限自稳隐形拱”。根据极限自稳平衡隐形拱理论，对巷道围岩不稳定区域及自稳结构进行了划分，综合柱状图巷道开挖以后，若及时采取支护措施，帮部围岩较为完整。根据自稳隐形拱理论，自稳隐形拱的破坏曲线公式为：

式（1）中，y 为自稳隐形拱破坏高度，m；P0 为原岩应力，MPa；W0 为巷道原始宽度，m；x 为支护宽度，m；σt 为抗拉强度，MPa。令x=0，得到自稳隐形拱在巷道垂直方向上的最大发育高度：

在松软煤层中或支护不及时的状态下，巷道两帮强度较低，取巷帮的垮落角为45°，此时两帮的极限片帮深度L 的计算式为：

式（3）中，h 为巷道高度，m。此时，巷道片帮的深度最大，巷道的有效跨度最大，自稳隐形拱处于最危险状况。此时，极限自稳隐形拱的轮廓方程为：

式（4）中，ylid 为极限自稳隐形拱高度，m。令x=0，则可求得极限自稳隐形拱的最大高度为：

松软破碎巷道中出现顶板冒落的主要原因是没有控制好两帮，对煤壁出现应力集中情况，特别是在工作面发生周期来压时，应力集中现象更为明显。在工作面移架时，液压支架高度降低，此时顶板失去支撑发生下沉，使煤壁所受应力进一步增加。由于煤体的承载能力较差，叠加裂隙发育，容易造成煤壁受到破坏发生片帮。通过对工作面矿压进行观测，煤壁大规模片帮现象主要发生在工作面周期来压之后，且片帮体积较大，片帮持续时间较长[2]。

3 巷道围岩控制策略

3.1 围岩控制原理

只有当巷道的帮部围岩得到控制以后，极限自稳平衡拱才缩小，变成自稳平衡拱。此时可分为自然冒落区和垮落区，采用锚网索联合支护技术可控制巷道顶板。依据强帮固顶的原则，巷道围岩得到有效的控制。同时，也可减小顶板的广义跨度和破坏高度，有利于维持巷道的稳定。

3.2 巷道支护原则

25081 巷属于松软煤层巷道，为了更好地维护巷道围岩的稳定性，需遵循以下支护原则：①充分利用巷道围岩的自身稳定性进行整体支护；②遵循强帮固顶的原则，维护好巷道的两帮，这样才能控制巷道顶板的下沉，从而提高巷道围岩的稳定性。

3.3 支护设计方案

通过现场调研，利用自稳平衡拱原理，结合松软煤层巷道支护原则，确定最终的支护方案[3]。

图1 巷道支护设计示意

4 支护效果监测

在巷道掘进完成后，采用锚网索联合支护技术对巷道进行支护。为了检验巷道围岩的支护效果，为其他巷道的支护提供借鉴，采用垂直布点法对巷道围岩位移情况进行监测，监测结果如图2 所示。

图2 巷道围岩位移情

对监测结果进行分析，发现巷道掘进后采用锚网索联合支护技术进行支护效果良好。在监测初期，巷道围岩变形较快，顶底板位移速度达到1.45mm/d，在第30 天，巷道围岩变形趋近于稳定，说明巷道已经稳定，能够满足生产需求。

5 结语

综合以上分析，得出以下结论：①松软煤层巷道围岩强度较低，利用极限自稳平衡隐形拱理论分析得知，巷道两帮失稳会导致整个巷道失稳；②帮部破坏深度直接影响顶板的破坏高度，因此帮部是支护的关键部位，依据强帮固顶原则，维护好巷道的两帮，可以控制好巷道顶板的下沉，提高巷道围岩的稳定性；③在巷道掘进完成后，采用锚网索联合支护技术对巷道进行支护，支护效果良好，满足了生产需求，为该矿其他巷道的支护提供了借鉴。