司建鋒，石 蒙，陳 真，張東昕，李 攀

(1.陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719302；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

榆神礦區(qū)新建特大型礦井小保當(dāng)一號(hào)煤礦首采面順槽快速掘進(jìn)過程中，遇到了含夾矸地段煤巷片幫嚴(yán)重問題，巷道成形差，掘進(jìn)速度被拖慢等問題，影響工作面成形進(jìn)度。關(guān)于含夾矸巷道的變形破壞，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，得出一些有意義的成果。余國(guó)猛[1]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)軟弱夾矸是煤巷圍巖變形破壞的薄弱結(jié)構(gòu)，容易引起鄰近圍巖的塑性破壞。黃慶享等[2]總結(jié)深部含軟弱夾層巷道的研究成果得出，軟弱夾層位置對(duì)巖巷應(yīng)力集中程度、巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性都具有顯著影響。吳順川等[3]通過理論分析得出夾矸-煤組合結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)與接觸面條件及力學(xué)環(huán)境有關(guān)。胡興濤[4]通過鉆孔窺視手段研究了含夾矸巷道掘進(jìn)與穩(wěn)定階段幫部裂隙演化與變形發(fā)展規(guī)律，提出淺部強(qiáng)力支護(hù)來控制裂隙發(fā)育的對(duì)策。以上研究成果為含夾矸巷道幫部破壞成因研究提供了一定的思路指導(dǎo)，基于小保當(dāng)一號(hào)煤礦含夾矸煤巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，分析其片幫發(fā)生機(jī)理，并提出針對(duì)性的控制技術(shù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

小保當(dāng)一號(hào)煤礦首采面112201工作面主采2-2號(hào)煤層，煤層平均厚度為5.8 m，頂?shù)装逡灾辛Ｉ皫r、粉砂巖為主，穩(wěn)定程度高，煤層埋深約350 m，近水平賦存。首采面2-2號(hào)煤層掘進(jìn)里程0～2 090 m范圍內(nèi)煤層含夾矸，夾矸巖性為細(xì)粒砂巖，夾矸厚度100～1 300 mm，平均厚度500 mm，夾矸位置靠近煤層中線，距煤層底板2 000 mm左右。輔運(yùn)順槽掘進(jìn)至600 m左右開始，礦壓顯現(xiàn)明顯增大，煤炮聲頻繁，巷道片幫嚴(yán)重，最大片幫深度達(dá)0.5～0.6 m，支護(hù)工作必須在片幫結(jié)束后才能進(jìn)行，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，而且錨桿支護(hù)后仍有明顯片幫現(xiàn)象，對(duì)安全掘進(jìn)造成較大影響。

1.2 含夾矸煤巷幫部破壞原因分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)對(duì)于含夾矸巷道圍巖破壞機(jī)理的研究成果，結(jié)合小保當(dāng)一號(hào)煤礦含夾矸煤巷生產(chǎn)地質(zhì)條件與破壞特征，分析幫部破壞成因主要有以下幾個(gè)方面。

1.2.1 水平應(yīng)力作用顯著

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，最大水平主應(yīng)力方向與輔運(yùn)順槽軸向夾角為82°左右，致使地應(yīng)力對(duì)巷道影響較大。通常來說，水平應(yīng)力對(duì)頂?shù)装遄冃纹茐妮^大，但是對(duì)于煤-矸結(jié)合的幫部，煤巖接觸面在水平應(yīng)力作用下可能發(fā)生非均勻變形[5-6]。同樣圍巖結(jié)構(gòu)的大巷與順槽方向垂直，大巷基本沒有片幫現(xiàn)象，可以說明水平應(yīng)力影響是幫部破壞的主要原因之一。

1.2.2 煤-矸物理力學(xué)性質(zhì)差異大

幫部夾矸巖性為細(xì)粒砂巖，與煤的強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)有較大差異，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重分布，造成煤-矸非均勻性應(yīng)力積聚與變形，接觸面發(fā)生滑移破壞[7]，造成脆性破壞并片落。

1.2.3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)存在問題

原設(shè)計(jì)幫部支護(hù)采用直徑為20 mm屈服強(qiáng)度335 MPa的錨桿，長(zhǎng)度為2.4 m，間排距為1 000 mm，采用鋼筋托梁聯(lián)接，菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。錨桿強(qiáng)度足夠，但預(yù)緊力僅為100 N·m，主動(dòng)支護(hù)力弱，而且鋼筋托梁護(hù)表面積較小，不利于預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散，錨桿支護(hù)達(dá)到的護(hù)表能力不強(qiáng)，一般條件下沒有問題，但片幫條件下無法滿足控幫要求。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型參數(shù)

為模擬夾矸賦存特征對(duì)巷道變形破壞的影響，基于112201輔運(yùn)順槽工程實(shí)際，構(gòu)建UDEC數(shù)值模型如圖1所示，模型參數(shù)見表1。數(shù)值模型長(zhǎng)75 m，高50 m，巷道位置在模型煤層中部，沿底板掘進(jìn)，左右兩邊各留34.5 m以消除邊界影響，模型左右兩邊限制水平位移，即vx=0，模型下方限制縱向位移，模型上方施加邊界應(yīng)力15 MPa。2-2號(hào)煤層中部距底板2 m處有一層厚度0.5 m的細(xì)粒砂巖夾矸，直接頂為1.5 m厚粉砂巖，基本頂為9.5 m厚細(xì)粒砂巖，底板為厚度2 m的粉砂巖，底板下方有0.5 m厚的煤線。

圖1 順槽數(shù)值模型Fig.1 Numerical model of mining roadway

表1 數(shù)值模型參數(shù)

2.2 夾矸賦存參數(shù)對(duì)巷道圍巖變形破壞的影響

分別對(duì)無夾矸條件下以及夾矸厚度分別為0.5 m、1.0 m以及1.5 m這3種條件下巷道開掘后的變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果以得出細(xì)粒砂巖夾矸對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的具體機(jī)制，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯瑠A矸的賦存參數(shù)對(duì)巷道兩幫穩(wěn)定性影響極大，無夾矸條件下巷道兩幫僅有部分碎煤發(fā)生片落，兩幫煤體內(nèi)部?jī)H有少量裂隙，巷道圍巖整體穩(wěn)定性良好。含夾矸條件下，夾矸厚度越小，穩(wěn)定性越差，夾矸沿原生裂隙破斷變形的同時(shí)周邊煤體在其影響下同步發(fā)生較大變形，隨著夾矸厚度增加，夾矸層穩(wěn)定性提高，圍巖穩(wěn)定性逐漸變好，夾矸厚度為0.5 m時(shí)，右?guī)统霈F(xiàn)煤體沿夾矸原生裂隙整體失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象，片幫深度為0.5 m。不同夾矸厚度條件下巷道圍巖位移情況如圖3、4所示。

圖2 不同夾矸厚度下巷道圍巖變形模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of roadway surrounding rock deformation under different gangue thickness

圖3 不同夾矸厚度下巷道圍巖水平位移對(duì)比Fig.3 Comparison of horizontal displacement of roadway surrounding rock under different gangue thickness

對(duì)比分析不同夾矸厚度下巷道圍巖的水平、垂直位移可知，兩幫變形在夾矸厚度為0.5 m時(shí)最大，最大水平位移量發(fā)生在左幫，煤體發(fā)生失穩(wěn)破壞，變形量1 000 mm，最大垂直位移發(fā)生在頂板，變形量480 mm；無夾矸情況下巷道圍巖穩(wěn)定性最好，最大水平位移僅為200 mm，部分碎煤片落，最大垂直位移僅為120 mm。

2.3 掘進(jìn)方式對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響的模擬研究

112201工作面2-2號(hào)煤層夾矸平均厚度0.5 m，在此條件下，提出分層掘進(jìn)二次成巷以控制片幫的思路，對(duì)二次成巷進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)與一次成巷下巷道變形進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，進(jìn)而得出最優(yōu)掘進(jìn)方案。二次成巷擬定方案為上分層掘進(jìn)時(shí)留1～1.5 m底煤掘進(jìn)，下分層計(jì)劃用連采機(jī)后退拉底煤的方式掘出，分層掘進(jìn)二次成巷巷道破壞情況數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同夾矸厚度下巷道圍巖垂直位移對(duì)比Fig.4 Comparison of vertical displacement of roadway surrounding rock under different gangue thickness

圖5 分層掘進(jìn)二次成巷巷道破壞示意Fig.5 Layered excavation and secondary roadway formation

二次成巷第1次掘進(jìn)后，由于夾矸層位較低且兩幫高度僅有3 m，巷道圍巖穩(wěn)定性良好，僅有左幫處煤體受夾矸原生裂隙影響，內(nèi)部出現(xiàn)少量裂隙；對(duì)初掘巷道進(jìn)行高強(qiáng)支護(hù)后第2次掘進(jìn)時(shí)將剩余1.5 m底煤一次掘出，兩幫裂隙明顯增多，但在錨桿支護(hù)控制下，巷道圍巖變形遠(yuǎn)小于圖5(b)所示的巷道一次全部掘出時(shí)的變形，巷道穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)煤體破壞現(xiàn)象。分層掘進(jìn)過程中巷道圍巖水平、垂直位移分別如圖6、7所示。可以看出，初次掘進(jìn)時(shí)巷道最大水平位移發(fā)生在兩幫，變形量為100 mm，最大垂直位移發(fā)生在底板，底鼓量為80 mm；二次掘進(jìn)后巷道最大水平位移發(fā)生在兩幫，變形量為200 mm，最大垂直位移發(fā)生在頂板，最大變形量為100 mm。分層掘進(jìn)二次成巷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，片幫現(xiàn)象大幅減輕，巷道支護(hù)速度與支護(hù)質(zhì)量得到提高，掘進(jìn)效率提高了70%。

圖6 掘進(jìn)過程中巷道水平位移對(duì)比Fig.6 Comparison of roadway horizontal displacement during excavation

3 “關(guān)鍵區(qū)”強(qiáng)韌護(hù)表支護(hù)技術(shù)

對(duì)于特殊含夾矸復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層巷道小保當(dāng)一號(hào)煤礦112201工作面順槽來說，由于夾矸存在導(dǎo)致煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，幫部夾矸賦存附近區(qū)域?yàn)橄锏赖年P(guān)鍵區(qū)，嚴(yán)重片幫也發(fā)生于該區(qū)域。針對(duì)該關(guān)鍵區(qū)，提出強(qiáng)韌支護(hù)技術(shù)，即大幅度提高錨桿預(yù)緊扭矩至400 N·m，并添加大面積護(hù)表構(gòu)件W鋼護(hù)板(尺寸為450 mm×280 mm×4 mm)，將錨桿托板形成的預(yù)應(yīng)力有效傳遞、擴(kuò)散到圍巖內(nèi)部，從而大幅增強(qiáng)關(guān)鍵區(qū)薄弱圍巖的韌性[8-12]，使其在開挖后的應(yīng)力釋放過程中不會(huì)發(fā)生頻繁片落現(xiàn)象，從而有效控制片幫現(xiàn)象，增加巷道整體穩(wěn)定性，“關(guān)鍵區(qū)”強(qiáng)韌護(hù)表支護(hù)技術(shù)原理如圖8所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，錨桿支護(hù)后沒有再出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，控幫效果顯著。

圖7 掘進(jìn)過程中巷道垂直位移對(duì)比Fig.7 Comparison of roadway vertical displacement during excavation

圖8 “關(guān)鍵區(qū)”強(qiáng)韌護(hù)表支護(hù)技術(shù)原理示意Fig.8 Principle of high strength and toughness support technology in “key area”

4 結(jié)論

(1)分析得出小保當(dāng)一號(hào)煤礦112201工作面回采巷道片幫原因，主要為水平應(yīng)力作用顯著，煤-矸物理力學(xué)性質(zhì)差異大，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)存在問題。

(2)含夾矸條件下，夾矸厚度越小，幫部穩(wěn)定性越差，分層掘進(jìn)二次成巷有利于控制片幫并能有效提高掘進(jìn)效率。

(3)提出了“關(guān)鍵區(qū)”強(qiáng)韌護(hù)表支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)高預(yù)應(yīng)力并使其有效擴(kuò)散，大幅增強(qiáng)關(guān)鍵區(qū)薄弱圍巖的韌性，控幫效果顯著。