活鸡兔煤矿顶板稳定性分析与支护方案设计

董俊亮， 王庆雄， 李晓龙， 王军

(1.国能神东煤炭集团技术研究院， 鄂尔多斯 017209； 2.国能神东煤炭集团生产部， 鄂尔多斯 017209; 3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院， 北京 100083)

据不完全统计，近些年来因巷道顶板造成的死亡事故一直占全国煤矿死亡事故总数的30%以上[1-2]，成为中国煤矿生产中的“第一杀手”，极大地威胁工人生命安全和行业持续健康发展。对于巷道的顶板稳定性控制，许多学者做了大量的工作，并取得了丰富的研究成果。如凌标灿等[3-4]指出顶板稳定性主要取决于沉积构造亚相特征，可以通过控制推进工作的速度对顶板稳定性进行控制；王普等[5]通过室内试验和数值模拟研究发现软弱夹层、强降雨与空气潮湿以及支护方式不合理是李家楼煤矿巷道失稳、冒顶的主要原因；张天等[6]对新发煤业多次采动影响的巷道围岩变形及塑性区演化规律进行研究，指出巷道受采动影响形成的非对称大变形是造成巷道失稳的主要原因；邓敢博[7]针对含软弱夹层的特厚煤层回采巷道变形失稳问题，提出采用高强恒阻让压锚网索支护技术，现场效果良好；马念杰等[8]、冯吉成[9]从巷道冒顶事故成因角度出发，建立了冒顶成因分类标准及方法；王羽杨[10]等基于层次分析法从经济、施工方法和进度、支护效果和环境等方面对软岩巷道的支护方案进行了评价，提出了巷道支护优化方案；杨继元等[11]针对布尔台矿上下两煤层叠加强矿压显现规律，提出了“超前支架+顶板补强+煤帮补强+水力压裂”的防治策略；夏辉等[12]针对大断面运输巷道变形严重问题，提出了相应的支护技术。

通过大量文献分析发现，目前顶板稳定性研究主要是以宏观尺度来研究一个井田或者煤层的围岩稳定性，或者是研究某一特定地质条件下或开采参数下巷道顶板失稳机理和控制技术。但是煤层在地质运动和沉积时所处的情况不同，一般具有较大的差异性，导致同一煤层不同位置的岩层稳定性变化较大，统一化的支护方案可能使得部分区域过度支护增加成本，也可能会使得局部区域支护强度不够，产生巷道冒顶甚至失稳风险。因此需要基于区域地质条件以及采动影响程度，对煤层顶板稳定性进行精细化分析，进而设计差异化巷道顶板支护方案。

现通过对活鸡兔2-2煤层顶板岩层进行稳定性分析计算，结合精细化围岩结构探测，采用数值模拟的方法研究采动对巷道顶板稳定性的影响，据此提出不同顶板条件下合理、经济、可行的支护方案。

1 工程背景

活鸡兔是国能神东煤炭集团大柳塔煤矿下属现代化矿井，地处陕西省神木县大柳塔镇，产能约1 500万t。活鸡兔井田内含煤地层为延安组地层，属湖泊、湖泊三角洲沉积体系。2-2煤平均厚4.5 m，平均埋深为100 m左右。目前正开采22204工作面，采高为4.5 m，井田内2-2煤工作面布置情况如图1所示。

图1 活鸡兔2-2煤工作面布置示意图Fig.1 Working face layout of 2-2 coal seam in Huojitu coal mine

2 顶板稳定性分析与围岩结构探测

2.1 顶板稳定性分析原理

煤层在沉积形成的过程中，受地质运动、所处环境的影响，其强度也会有较大的差异。对于这类层状复合型顶板，其顶板上方稳定的岩层承担了上覆岩层的重量，故可以根据顶板与稳定性岩层的距离作为顶板稳定性分类的指标[13]。根据材料力学中岩梁理论建立简支梁、固支梁两种力学模型对巷道顶板稳定性进行分析。考虑到需要确定稳定岩层的位置，而当岩层为稳定岩层时，其极限跨距大于巷道跨距，因此可以视为简支梁模型(图2)，简支梁发生断裂的极限跨距为

(1)

式(1)中：L为巷道跨度，m；[L]为岩层的稳定跨距，m；σtx为第x层岩层抗拉强度，MPa；hx为第x层岩层的岩层厚度，m；qx为第x层岩层实际作用载荷，MPa。

根据实际情况可知，稳定岩层受到3个力的作用，即稳定岩层的自重，上覆岩层对稳定岩层产生的载荷，下方不稳定岩层对稳定岩层的作用力。所以判定是否为稳定岩层需满足条件的表达式为

(2)

式(2)中：(qn)x、Qx分别为x层自身载荷及上覆岩层载荷、下位不稳定岩层载荷；Ex为第x层岩层的弹性模量，MPa；γx为体积力，MN/m3。

考虑到实际工程地质条件以及采动影响等因素会削弱岩层稳定性，则稳定顶板还需满足条件的表达式为

(3)

式(3)中：fq、fc、fm、fd、fw分别为强度影响系数、采动影响系数、埋深影响系数、地应力影响系数以及岩层完整性系数。

根据常用的锚杆(索)的锚固范围，可以将稳定岩层至顶板的距离作为划分顶板类别的依据，如表1所示。

图2 组合顶板简支岩梁模型Fig.2 Simply supported rock beam of composite roof

表1 顶板稳定性分类标准

2.2 活鸡兔2-2煤层顶板稳定性分析计算

在活鸡兔井田范围内，共获得含2-2煤层钻孔69个，其中包括H钻孔、Hb钻孔、Hs字钻孔以及J钻孔等。根据矿方提供的岩石力学参数(表2)以及工作面开采参数，按照上述计算流程获得活鸡兔2-2煤层各钻孔顶板稳定性类别。根据各钻孔坐标，利用Surfer软件进行插值计算获得2-2煤层各巷道顶板稳定性情况(图3)。

活鸡兔2-2煤层工作面回采巷道大部分区域处于Ⅰ类顶板条件下，22309、22310和22311工作面回采巷道局部区域，以及22313、22314工作面回采巷道大部分区域处于Ⅱ类顶板，其中22314工作面局部区域出现Ⅲ类顶板。目前正开采22204工作面均处于Ⅰ类顶板区域，巷道顶板岩层稳定性较好。整体来看，由于活鸡兔属湖泊、湖泊三角洲沉积体系，2-2煤层顶板稳定性较好，局部区域顶板稳定性较差，巷道顶板支护设计时应注意差别。

表2 岩石力学参数

图3 活鸡兔2-2煤层各工作面巷道顶板稳定性情况Fig.3 Stability of roadway roof in each working face of Huojitu 2-2 coal seam

2.3 顶板完整性探测与围岩结构分析

在22314工作面开切眼巷道顶板中线布置钻孔进行顶板结构及完整探测，结果如图4所示。钻孔内岩层以泥岩和粉砂岩为主，也存在一定厚度的夹煤。巷道顶板0～2.7 m范围内为煤体，结构较为完整、围岩稳定，煤岩分界面处围岩裂隙发育；3～6 m范围内，整体围岩结构较为完整；钻孔底部，即7 m附近，围岩较为破碎，可能是打孔时导致围岩破坏。整体上来看，顶板钻孔未发生较大变形，围岩结构完整，这表明巷道顶板整体稳定性较好。

图4 巷道顶板钻孔探测情况Fig.4 Detection of a borehole in roadway roof

根据顶板稳定性分类结果以及围岩结构探测分析发现，Ⅰ类顶板煤层上部的直接顶由细粒砂岩、中粒砂岩等强度较高且厚度较厚的单一或混合岩石组成，岩性较硬；Ⅱ类顶板直接顶为细粒砂岩或中粒砂岩等强度较高且有一定厚度的岩层，老顶由强度较高且较厚的粗粒砂岩等组成，如图5所示。

图5 各类型顶板围岩结构Fig.5 Surrounding rock structure of various roofs

3 采动影响下巷道围岩塑性区分析

为分析工作面回采对不同类型顶板稳定性的影响情况，利用FLAC3D建立数值模型对巷道围岩区域应力场以及围岩塑性区进行研究。

3.1 模型的建立

根据活鸡兔矿实际地层赋存条件以及岩石力学参数(表2)，建立三维数值模拟模型。为了较为精确地模拟煤层开采对巷道顶板稳定性的影响，对上覆12煤以及22煤已回采工作面采用双曲服模型进行了充填。模型尺寸为X×Y×Z=1 000 m×1 000 m×170 m，22206工作面与上覆工作面斜交，夹角约为79°，22314工作面与上覆工作面平行。模型整体示意如图6所示。

图6 数值模拟模型Fig.6 Numerical simulation model

3.2 采动巷道围岩应力分析

以工作面推进400 m时为例，工作面前方22206回风巷道不同位置围岩垂直方向应力分布情况如图7所示。可以看出，巷道两帮的应力值比巷道顶底的应力值要大，工作面前方5～30 m巷道两帮应力峰值约为9 MPa，顶底应力峰值约为2.5 MPa，随着远离工作面，巷道周围应力有所降低，但并不明显。

图7 工作面前方不同位置巷道ZZ方向应力分布Fig.7 Stress distribution in ZZ direction of roadway at different positions in front of working face

二次采动工作面前方巷道不同位置主应力变化情况如图8所示。工作面前方最大主应力在3～8.7 MPa范围内变化，工作面附近最大主应力为8.7 MPa左右，随着远离工作面，最大主应力逐渐减小；工作面前方最小主应力在2.5～4 MPa范围内变化，变化趋势与最大主应力变化相似。工作面附近最大主应力与最小主应力比值约为8.7，随着远离工作面，应力比值急剧下降，最后稳定在1.4左右。22314回风巷道应力分布规律与此类似。

图8 最大主应力与最小主应力分布情况Fig.8 Distribution of maximum principal stress and minimum principal stress

3.3 采动巷道围岩塑性区特征分析

由于二次采动工作面前方20 m范围内有超前支架支护，顶板控制较好。因此分析22206回风巷道以及22314回风巷道工作面前方25 m处巷道围岩塑性区分布特征(图9)。从图9中可以看出，22206回风巷道超前工作面25 m处(Ⅰ类顶板下)由于受到上覆残留煤柱影响，出现了小范围塑性区，其他位置巷道顶底板几乎未出现塑性区，这表明Ⅰ类顶板条件下，巷道顶板受采动影响较小；22314回风巷道受采动影响巷道顶底和两帮均出现小范围的塑性区，顶板塑性区存在跃透，这与该处顶板存在软弱夹层或围岩破碎有关，这表明Ⅲ类顶板条件下，巷道受到一定程度的采动影响，但整体上仍较为稳定。

图9 不同类型顶板条件下巷道受采动影响情况Fig.9 Roadway affected by mining under different roof types

4 支护方案设计

4.1 支护方案的提出

根据上述分析，提出3种顶板类型(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类)条件下巷道顶板支护方案，如图10所示。二次采动时，Ⅲ类顶板条件下还需分别补强一根同类型锚杆和锚索，其他顶板条件下二次采动参数不变。

图10 不同顶板条件下巷道顶板支护方案Fig.10 Roadway roof support scheme under different roof conditions

4.2 现场监测

为验证支护方案的适用性，在22314回风巷道(Ⅲ类顶板)进行现场试验，并监测巷道表面位移情况(图11)。在位于巷道1 240～1 300 m处，每隔10 m布置一个测站，记录巷道受采动影响前以及受充分受到采动影响后顶底板移近量的最大值，监测结果如图12所示。从图12可以看出，受二次采动影响巷道顶底板最大移近量在80～110 mm范围内波动，巷道整体变形较小，这表明所提出的支护方案能较好地维护巷道顶板的稳定性。

图11 现场监测记录Fig.11 Field monitoring records

图12 巷道表面位移监测结果Fig.12 Monitoring results of roadway surface displacement

5 结论

(1)活鸡兔属湖泊、湖泊三角洲沉积体系，基于简支岩梁模型对活鸡兔2-2煤层进行了分析和计算，发现活鸡兔2-2煤巷道顶板以Ⅰ类顶板为主，巷道顶板稳定性较好，局部出现Ⅱ和Ⅲ类顶板区域需要加强支护。

(2)巷道顶板探测分析表明巷道顶板浅部、中部以及深部围岩结构完整性均较好，局部裂隙发育，整体上巷道较为稳定。

(3)通过数值模拟发现，工作面回采对22206回风巷道(Ⅰ类顶板)影响较小，除煤柱影响区外，巷道顶板几乎未出现塑性区；对22314回风巷道(Ⅲ类顶板)的影响有限，巷道顶底仅出现小范围的塑性区。

(4)提出了Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类不同顶板条件下巷道支护方案，并在22314回风巷道进行了现场试验，结果表明所提出支护方案经济、合理，巷道变形较小，可为类似条件下巷道顶板支护参数选择提供参考。