曹家滩煤矿大断面全煤巷道快速掘进围岩控制技术

2022-03-28张国辉

陕西煤炭 2022年2期

张国辉

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

在煤炭资源开采过程中的顶板灾害预防是煤矿安全工作的重中之重。近年来，煤矿发生顶板事故的事故起数及死亡人数均居煤矿事故中的前几位。其中，掘进工作面发生灾害事故最多，关键是由掘进工作面的空顶所引起的，且由于开掘的卸压作用导致附近围岩应力状态复杂。若在开掘后难以及时采用临时支护及永久支护手段加以维护，则易出现冒顶、片帮等情况，在松软破碎围岩、复合顶板、断层等条件下，此种情况尤为严重。了解大断面全煤巷道快速掘进围岩稳定性的影响因素及控制技术对矿井的安全生产工作意义重大。为此，许多学者对此进行了大量的研究，得出了许多宝贵的结论与经验。孙晓明等[1]利用数值模拟软件对巷道的分步开挖进行模拟，且在开挖完成后模拟巷道的锚网支护，还有掘进巷道围岩变形程度等和掘进工作面之间距离的影响关系。常聚才等[2]利用数值模拟手段，对开挖前、后巷道的围岩应力演化过程及特征等进行较为全面的分析，得出巷道围岩应力场的变化及巷道围岩的破坏特征。宫守才[3]通过全煤巷道两帮塑性区力学模型的建立和分析，得出在巷道塑性区的弹塑性应力解及其宽度，推导并验证了煤帮在塑性区内的位移表达式。李树清等[4]通过全煤巷道两帮塑性区力学模型的建立和分析，结合弹塑性极限平衡理论推导并验证了煤巷两帮塑性区范围和应力大小公式，并基于计算公式给出了影响煤帮塑性区宽度及应力大小的支护范围及支护强度参数。张华磊等[5]建立巷帮围岩层的力学模型并结合大采高工作面回采巷道帮部围岩的失稳特点，把注浆锚索的支护方式首次用于片帮治理。谢广祥等[6]实测分析了关于综放工作面的回采巷道围岩应力分布以及支架荷载等，得出综放面回采巷道围岩应力分布特征。朱德仁等[7]研究发现，水平应力对煤帮稳定性影响显著，通过采取及时有效的手段加固巷道煤帮使得水平应力得到控制，对于保持巷道围岩的整体稳定性以及减小巷道围岩的松动破坏都有很好的效果。以上研究成果为大断面全煤巷道快速掘进围岩稳定性及控制技术奠定了很好的基础。为此，通过理论分析等手段，研究大断面全煤巷道快速掘进围岩稳定性及控制技术，以期为类似条件下的大断面全煤巷道快速掘进的围岩稳定性提高及控制提供参考。

1 工程概况

1.1 煤层赋存条件

曹家滩煤矿122109工作面煤层赋存条件简单，可采2-2号煤层煤种为不粘煤，煤层厚度11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤层倾角0～4°。工作面范围内煤层底板标高为+959.81～+972 m，煤层埋藏深度为294.5～341 m，平均埋深318 m左右。122109工作面煤层直接顶、基本顶板均属易软化的中硬类岩石。直接顶以细粒砂岩、中厚层泥岩等岩性为主，基本顶岩性以粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩等节理不发育的岩层为主，伪顶岩性以砂质泥岩、碳质泥岩为主。煤层底板主要由粉砂岩、细粒砂岩和砂质泥岩组成，是较软类底板，属Ⅲ(b)类。该区地貌单元可分为沙丘沙地、风沙滩地和黄土梁峁地貌。根据前期勘探及三维地震资料，本工作面范围内不会出现断层、岩浆岩及大的褶皱构造，但煤层沿走向或倾向方向有小型起伏，对回采施工影响不大。工作面的顺槽、切眼在掘进过程中均没有发现断层、挠曲构造及火成岩侵入等。

1.2 巷道平面布置

122109综放工作面巷道布置4条，即1条主运顺槽、1条辅运顺槽和2条回风顺槽。其中主运顺槽和辅运顺槽平行布置于工作面一侧，2条回风顺槽(内回风顺槽、外回风顺槽)平行布置于另一侧，工作面两侧外顺槽将作为下一个工作面的顺槽使用。主运顺槽内装备可运输煤炭的胶带输送机，敷设有排水、压风、消防洒水管路、通信及信号电缆等，兼作进风和行人的通道。辅运顺槽为工作面的进风巷，敷设有排水、压风、注氮、消防洒水管路等，作为工作面设备及材料的运输通道，兼作工作面进风通道。内回风顺槽为工作面的回风巷，敷设排水、压风、消防洒水管路、通信及信号电缆等。外回风顺槽为工作面的回风巷，敷设排水、压风、黄泥灌浆、消防洒水管路、通信及信号电缆，兼作工作面人员行进的通道。

1.3 巷道围岩变形破坏特征

曹家滩煤矿122109工作面相关巷道的支护方案支护强度普遍较低，施工工序繁琐，难以适应大断面全煤巷道快速掘进的支护速度及强度的需求。大断面全煤巷道的围岩变形破坏程度与自承能力及支护强度密切相关[8]。由于原支护方案存在着巷道帮部布置的玻璃钢锚杆及配套托盘、螺母强度不足等问题，以及由于大断面巷道开挖产生的扰动和卸荷作用，导致较大范围的围岩破坏、裂隙扩展，甚至是片帮现象。

2 大断面全煤巷道围岩稳定性及控制理论

2.1 巷道围岩稳定性研究理论

在巷道开挖后，由于开掘时的扰动作用使得原岩应力由平衡状态转变为非稳态，从而导致原岩应力重新分布，巷道将产生一部分初期变形。当工作面开采时，在采动作用的影响下，巷道围岩应力将会有一次重新分布，且围岩应力的重新分布规律受诸多条件限制，影响围岩应力重新分布的主要因素有巷道顶底板、两帮的岩石力学性质及围岩的破碎程度等。

122109工作面煤层直接顶、基本顶板均属易软化的中硬类岩石。煤层底板主要由细粒砂岩、砂质泥岩等较软类岩性组成，属Ⅲ(b)类，因此这里分别研究分析巷道围岩顶板、底板及两帮围岩的运移规律。同时，根据已有的理论，可利用顶板岩层稳定性判别式解决对于回采巷道内高冒顶风险区域无法及时发现、辨别的难题，具体公式见式(1)

(1)

式中，L为巷道跨度，m；[L]岩层的稳定跨距，m；σt为抗拉强度，MPa；fq为强度的影响系数；fc为采动的影响系数；fm为岩层的埋深影响系数；fd为地应力的影响系数；fw为岩层的完整性系数；h为岩层平均厚度，m；Q为某一岩层承受顶板岩层所施加的载荷量，MPa。

巷道围岩应力受开掘扰动作用，会导致巷底卸荷产生弹塑性变形。巷内两帮受垂直应力的挤压作用，巷道在水平应力作用下发生底鼓。巷底发生拉应变及两帮下沉也会造成底鼓，巷道底板岩层流变性使得底鼓量与时间呈正相关。

2.2 大断面全煤巷道围岩控制理论

大断面巷道开掘时力学环境复杂使得巷道围岩失稳，尤其是巷道底板的稳定性，因此巷道围岩控制是高强度综放开采的关键问题。根据大断面全煤巷道破坏失稳的机理可以知道降低巷道围岩应力、增加稳定性，选择合理支护使得大断面全煤巷道围岩得以很好的控制。因此，根据巷道围岩应力、围岩强度及其相互关系，选择高效的巷道布置及支护方式，降低围岩的水平应力，增加围岩强度，改善围岩受力条件和赋存环境，可以有效控制大断面巷道围岩的变形、破坏。

结合马念杰、丁国峰等[9-10]提出的巷道蝶形破坏理论、圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程及塑性区形态判别准则，能够有效判断巷道破坏形态进而提出合理有效的支护手段。巷道围岩破坏形态与非等压应力场的力学模型如图1所示。

图1 巷道围岩破坏形态与非等压应力场的力学模型Fig.1 Mechanical model of failure mode and non-isobaric stress field of roadway surrounding rock

塑性区形态判断系数τ公式为

(2)

式中，a为巷道半径，m；r，θ为塑性区边界任一点极坐标；P1为区域应力场最大主应力,MPa；P3为区域应力场最小主应力,MPa；C为黏聚力,MPa；φ为内摩擦角,(°)；η=P1/P3>1；形态系数τ是关于C，φ，a，P1，P3的常量表达式。当τ→∞时，巷道破坏形态为圆形；τ≥1或τ≤0时，巷道破坏形态为椭圆形；0<τ<1时，巷道破坏形态为蝶形。

3 大断面全煤巷道快速掘进巷道支护方案

由于曹家滩煤矿122109工作面，巷道断面净宽6 400 mm，净高4 200 mm，净断面积26.88 m2，为大断面全煤巷道快速掘进，在掘进时巷道围岩应力状态的复杂性及支护时的困难性，结合蝶形理论等相关理论依据，根据不同地点、不同应力状态对巷道制定的支护方案。

3.1 巷道顶底板支护方案

对于曹家滩煤矿122109工作面大断面全煤巷道，由于巷道围岩为实体煤，硬度较低，在掘进过程中受工作面采动影响，容易出现冒顶事故。根据杨建辉等[11-13]将顶板假设为连续梁、板、铰接拱等，分析顶板的变形失稳过程发展特征。结合掘进面顶板特征及组合梁理论，对巷道顶板制定针对性支护方案：采用锚网索支护，顶部采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为950 mm×1 000 mm，共7根，锚索采用φ17.8 mm×6 500 mm钢绞线，间排距为2 200 mm×3 000 mm，每排2根。

由于巷道开掘后，周围复杂应力环境，导致巷道产生较大的底鼓破坏。根据注浆加固、底板锚索等综合围岩控制技术，结合122109工作面巷道围岩变形特征及底鼓原因，提出了留设500 mm底煤，铺设200 mm混凝土的底板硬化的加固方案。

3.2 巷帮支护方案

煤壁发生片帮，主要是受巷道顶板压力及煤体自身的物理力学属性的影响，根据两帮变形数学模型，分析煤帮的变形特点。结合掘进面煤层的力学性质及受力状态，提出了回采帮采用φ20 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，煤柱帮采用φ20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm的巷帮支护方案。

4 巷道围岩支护效果检测

通过针对性的支护方案，工作面回采期间，对工作面前方巷道表面位移进行了监测，如图2、3所示。可以看出，巷道顶底板最大移近量为185.2 mm；两帮最大移近量为50.2 mm。巷道变形量均在巷道安全使用范围之内。由此可见，该种支护方式对曹家滩煤矿122109工作面全煤巷道围岩稳定性起到了控制作用，取得了良好的支护效果。