巷道顶板冒顶机理研究与事故现场治理应用

2022-04-14韩正民

煤炭与化工 2022年2期

韩正民

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西忻州 036500）

0 引言

煤炭是我国能源结构的重要组成部分，占一次性能源供给的60%以上，为我国的经济发展和建设做出了贡献。但同时，采煤行业是一种高危行业，在煤炭的开采环节当中，会对周围岩体产生破坏，导致采煤工作面和巷道的失稳、冒顶等危险现象。随着开采深度的不断增加，地下巷道围岩性质的不同导致开采难度逐渐增大，高地应力突出，支护难度变大。经过漫长的地质发育，在不同的环境中巷道冒顶的高度、危害程度以及破坏情况也不尽相同。若能清楚岩体失稳破坏以及变形机理，对于灾害的预防、控制有很大好处，所以对巷道顶板破坏机理以及围岩的控制研究很有必要。

在目前的研究当中，理论计算方法发挥了很大的作用，但仍存在一些问题，如计算理论依据不统一、计算参数标定与实际场合相差较大等。数值模拟方法利用实际工程的测试与监测获得的数据，带入到相应的数值模拟模型中进行工况模拟，以此来选取合理的方案。工程类比法以大量成功的经验为基础，将要设计的工程与类似的已有的工程进行对比，结合实际条件，来确定合理的支护方案。本文以磁窑沟煤业11102综采工作面为工程背景，探究巷道顶板的冒顶机理以及治理方法。

1 巷道顶板冒顶机理

1.1 矿井概况及地质条件

1.1.1 矿井概况

磁窑沟煤业11102回采工作面地处黄土高原干湿过渡带，地表为山西西北部黄土高原中—低山区地形，地表冲刷沟较多。本工作面回采工作面地表高程为968～1 088 m，工作面煤层底板高程为844～888 m。地表最低点位于11102回风顺槽距11102切眼210 m处，该处为清水岔沟沟底，高程为968 m，对应巷道底板高程为844 m，采深为124 m；地表最高点位于11102胶运顺槽距切眼642 m处，该处为山顶，高程为1 088 m，对应巷道底板高程为883 m，采深为205 m。

1.1.2 矿井地质条件

11102回采工作面煤层倾角5°28′～9°01′，平均倾角7°15′左右，煤层倾角不大。煤层总体走向近南北向、倾向向西，构造形态是单一构造，构造属简单类型。各巷道掘进中揭露的的煤层厚度情况，11号煤层西部区煤层厚度总体西厚东薄，11102回风顺槽揭露的煤层平均厚度在4.7 m左右，11102胶运顺槽揭露的煤层平均厚度在4.3 m左右。

1.2 巷道顶板变形机理分析

1.2.1 巷道顶板变形特性

本节利用有限差分软件进行巷道顶板变形特征的分析。根据磁窑沟煤业11102综采工作面的实际情况，将巷道断面建立为矩形，尺寸为X×Y×Z=200 m×100 m×120 m，共划分15 320个单元，巷道大小为5 m×3.5 m，本构模型采用摩尔-库伦模型。煤层及围岩采用brick单元，模型上表面为应力边界，施加5 MPa的荷载，其余边界施加侧应力，侧应力系数1.1。此次主要探讨巷道在开挖后围岩的变形、塑性区的变形变化特征，并未考虑工作面的采动影响，建立模型如图1所示。计算模型中煤岩层的物理力学参数见表1。

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

表1 煤岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal strata

图2为巷道塑性区图，其中shear-p表示在模型运行过程中的某一时刻处于剪切破坏的单元，shear-n表示当前处于剪切破坏状态的单元，tension-p表示单元曾发生过拉破坏的单元，tension-n表示单元正在发生拉破坏的单元，none表示从未进行塑性状态、仍处于弹性状态的单元。

由图2可以看出，巷道塑性区沿巷道轴线呈现出对称对称分布，巷道顶角和两帮承受拉、剪双重作用。距离开挖空间较近的深部煤顶主要承受拉应力和剪切应力作用，而距离开挖空间较远的深部煤顶主要承受剪切应力作用。随着拉、剪应力的扩大，巷道的变形量呈现整体收敛的趋势。

图2 巷道塑性围岩塑性区Fig.2 Plastic zone of roadway surrounding rock

图3为巷道围岩主应力图。由图3可以看出，巷道围岩呈现左右对称的规律，应力主要集中在巷道的顶角处，浅部应力较小，深部较大，且较高应力有向深部转移的趋势。

图3 巷道围岩主应力图Fig.3 Principal stress diagram of roadway surrounding rock

图4为巷道围岩变形随时间变化曲线图。由图4可以看出，在300时步之前曲线斜率较大，表明巷道此时变形速率较大，此时两帮和底板的变形逐渐趋于平缓，但顶板的变形仍然在持续增大，且顶板下沉量最大，两帮收敛值最小，底板鼓出值居于中间。

图4 巷道围岩变形随时间变化曲线Fig.4 Curves of surrounding rock deformation of roadway changing with time

综合以上分析可知，短时间内巷道围岩会出现变形过大、变形速度过快等现象，同时塑性区的影响范围也较大；巷道表面煤体主要因承受拉应力而破坏，深部煤体主要承受剪切而破坏，伴有一些拉应力破坏。巷道的破坏开始为顶板、两帮、底板协同破坏且变形值较大，逐渐发展为以顶板变形为主，变形量增长较大，底板和两帮煤体趋于稳定。

1.2.2 巷道顶板破坏规律

煤矿巷道的开挖过程破坏了地层的原始应力平衡，巷道围岩将进行一系列复杂的活动以达到新的平衡。根据大量实践及文献参考，巷道顶板的破坏过程分为以下阶段。

（1）巷道顶板初始变形破坏过程。在巷道刚开始开挖时，开采空间较小导致应力集中，出现原生裂隙、节理等现象；之后，裂隙进一步扩展延伸直至破碎，形成微裂隙区；裂隙经扩展延伸后，形成破碎的桥连区；当劈裂裂隙与周围裂隙贯通后，随围岩平衡稳定，形成节理裂隙组。

（2）巷道顶板离层弯曲破坏过程。随着扰动的增大，受自重以及地压的影响，巷道上覆岩层产生法向弯曲，由于岩层岩性差异弯曲度不一致，导致纵向分离。若老顶有较大的刚度同时直接顶又有充足的移动空间，二者的接触层将产生离层现象，其基本条件为老顶的岩层刚度大于等于直接顶岩层，老顶岩层的挠度小于等于直接顶的挠度。

（3）顶板断裂破坏。此过程主要发生在老顶岩层处，由于离层现象的产生，直接顶岩层的扰度迅速增大，当下方失去支承作用，岩层顶板边界容易产生顶板断裂现象。

只有在作用力系和材料的总势能随裂缝长度增加而不变或减小时，裂缝才会扩展。当作用力的势能维持稳定时，有以下准则：

式中：c为裂缝长度；We为裂缝周围弹性应变能；Wd为裂缝表面能。

（4）顶板垮落。由于下方失去支承作用，在上覆岩层和重力的作用下，垮落运动迅速完成，充填整个巷道。

巷道顶板破坏过程实际上是一种力学行为，对于顶板上覆岩层，当产生离层现象时，直接顶和老顶之间需要满足以下关系：

式中：q1为老顶所受荷载，kN；γh1为老顶单位长度的荷载，kN；L1为初次垮落步距，m；h1为老顶厚；E1、E2为老顶及直接顶岩层的弹性模量，MPa；J1、J2为老顶及直接顶的断面惯矩，kg·m2。

同时，从第二阶段向第三阶段（离层到断裂）变化时，需要满足σ老、拉＞[σ老、拉]，即老顶所受到的拉应力应超过其所能承受的极限拉应力。具体如图5所示。

图5 裂隙不同开裂阶段的示意Fig.5 Schematic of cracks at different cracking stages

2 冒顶处理技术研究

2.1 事故发生经过及原因分析

11102综采工作面于2019年7月25日回采结束，正式进入回撤阶段，7月28日中班21时30分，在铲板车司机下车固定3号支架与铲板车时，11102胶运顺槽124～132 m段顶板下沉发生垮落事故，垮落下来的煤矸石将铲板车尾部掩埋。铲板车于8月2日中班撤出，共计影响5 d搬家倒面时间。如图6所示。

图6 1 1 1 02胶运顺槽漏顶处理示意图Fig.6 The schematic diagram of top leakage treatment in 11102 rubber conveying channel

2.1.1 直接原因

（1）规程中所附图纸说明是依次降架撤出，即1、2、3号支架依次迈步回撤。现场实际回撤时安排先撤出2号支架，2号支架撤出后再撤出1号支架，最后撤出3号支架，在回撤3号支架前造成机头段悬顶面积过大，是造成此次事件的直接原因。

（2）改变回撤工艺后没有采取针对性管控措施，顶板离层，是造成此次事件的另一直接原因。

2.1.2 间接原因

11102综采工作面贯通后，机头三角区域正处于顶板支撑应力集中区，顶板压力相对较大，此时的支架-巷道支护体-顶板处于应力相对平衡状态。待回撤完2号、1号支架，这一区域的顶板支撑应力重新分布后，加之层间距较薄、顶板岩性强度较弱，形不成有利的矿山压力拱，构成压力大于综合支护力，是造成此次事件的间接原因。

2.2 事故处理

2.2.1 前期准备工作

（1）在11102胶运顺槽110～124 m段巷道进行二次支护。首先检查原有单体工字钢梁架棚的可靠性，保证单体支护有效，钢梁上方采用道木、木板背实，接顶严密，然后在此基础上采用工字钢单体架棚加密支护，棚间距0.5 m，每架设一组棚架，要确保其安全可靠，保证安全后方可施工下一组棚架。顶梁为11号矿用工字钢，支护形式为一梁四柱（可根据现场情况进行加密），要求中间两根单体间距不得小于4 m，保证行车宽度。

（2）风机安设。在11102胶运顺槽90 m处安设2台风机（一用一备），保证11102胶运顺槽冒落区域风量不小于70 m3/min，气体浓度符合《煤矿安全规程》规定。

（3）注马丽散前期准备工作。包括风管安装、对接，安装打眼钻机，施工注马丽散孔及马丽散运输、倒料工作。

（4）11102胶运顺槽110～124 m处及辅回撤通道口三角区顶板锚索安装锚索防弹器，避免处理冒顶期间锚索弹出伤人。

2.2.2 处理流程

（1）由生产服务中心负责用1.2 m、1.8 m短单体及π型梁对11102主回撤通道机头段进行支护，保证机头段顶板不再下沉。

（2）由综采队负责对11102胶运顺槽漏顶区域至11102辅回撤通道口段进行单体棚支护。

（3）由探水队负责在11102胶运顺槽漏顶区域辅回撤通道方向侧向主回撤通道方向施工钻孔，钻杆留在钻孔内当做前探梁，钻杆长度根据现场实际情况确定，每200 mm施工1个。

（4）由生产技术科联系玛丽散厂家，待探水队施工完成后，在11102胶运顺槽辅回撤通道方向侧对漏顶区域注玛丽散，采用多孔少注，注玛丽散时，及时观察漏顶区域两侧情况，杜绝出现浮煤与多功能车粘连现象。

（5）注玛丽散形成假顶后，清理漏顶区域下的浮煤，并用车运至10205胶运顺槽破碎机，每清理0.5 m施工一架单体棚，顶梁为11号矿用工字钢，一梁四柱，并在顶梁上铺设木板及钢筋网，再次形成假顶，避免出现漏矸现象，中间两根单体间距4 m以上，保证行车宽度，架设至11102主回撤通道侧为止。架设单体棚时，单体三用阀一律朝向顺槽方向。

（6）由生产服务中心负责安设绞车进行拖拽多功能车，拖拽多功能车时必须由专人指挥，司机要在安全地点操作绞车，严禁蛮干，防止断绳伤人。在保证架棚区域安全的情况下方可拖拽多功能车。起底时必须用风镐起底，严禁使用炸药起底。

（7）由生产服务中心负责在11102主辅回撤通道间3个联巷架设单体棚，支护范围为主回撤通道侧向联巷5 m范围内，顶梁为11号矿用工字钢，顶梁长度根据现场实际情况确定。

经过以上措施，冒顶事故的治理效果良好，如图7所示。