巷道掘进横穿小断层构造带顶板支护优化研究

张虎

（陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

厚煤层赋存地质条件开采期间，由于工作面内巷道掘进高度有限，往往在巷道顶板中存在一定厚度的煤体。巷道顶板内的煤体因自身强度较低，且受到掘巷扰动影响，致使顶板内煤体愈加破碎，导致巷道顶板维护困难[1-3]。尤其当巷道跨度距离较大时，顶板内煤岩体塑性区和破碎区的范围较深，导致顶板锚固构件难以起到有效的锚固效果，容易因为锚固构件难以发挥功效而发生顶板冒顶来压事故。考虑到煤层内存在较多的原生小断层地质构造，这些小断层构造的存在将会进一步将煤体切割的更加破碎，并存在较大的弱结构面，致使巷道掘进横穿小断层构造期间顶板内煤岩体更加破碎和不稳定，常规的锚杆索支护对此种特殊情况下的顶板控制较为困难，甚至会导致支护系统大范围失效，诱发顶板严重冒顶来压显现。

1 概况

1.1 盘区概况

曹家滩煤矿地处陕北大型煤炭基地榆神矿区一期规划区，产能1 500 万t，在井田内东翼侧的203盘区内20322 胶带平巷掘巷期间将会横穿一小断层地质构造带，此F322-2 断层构造的垂直断距为0.9 m，倾向角为70°，在20322 回风平巷掘巷期间同样会横穿一小断层地质构造带，此F322-1 断层构造的垂直断距为1.7 m，倾向角为60°。

考虑到20322 工作面内主采2 号煤层厚度在7.0 ～7.6 m，其胶带平巷的横断面尺寸为宽5.6 m和高4.3 m，可知胶带平巷顶板上方存厚度2.0 ～2.6 m 的顶板煤层。20322 工作面为203 盘区内的首采工作面，其平面布置情况如图1 所示。

图1 20322 工作面平面布置示意Fig.1 Plan layout of No.20322 Face

1.2 顶板冒顶来压事故

20322 工作面两侧的服务平巷掘巷期间，存在较多隐伏小断层地质构造，例如20322 工作面上侧的胶带平巷掘进过J8 测站后，受到F322-2 断层构造带的影响，J7～J8 测站间的顶板煤层会变得较为破碎，这直接导致此区间内巷道顶板支护较困难。当胶带平巷掘过J8 测站一定距离后，顶板煤层受力状态逐步趋于稳定，此时采用常规的锚网索支护并不能很好的控制顶板煤体的稳定性，出现了图2（a） 的顶板煤体离层、破碎情况；当顶板煤体进一步发生离层和破断后，会导致顶板支护体结构的整体失效，进而诱发顶板冒顶来压事故，如图2（b） 所示；顶板煤层垮冒期间会导致原本锚固至顶煤上方岩体内的直径为15.6 mm 的锚索被拉断，如图2（c） 所示。

图2 顶板冒顶来压现场调研实例Fig.2 Field investigation example of roof caving pressure

1.3 顶板冒顶特征分析

当20322 胶带平巷内J7～J8 测站发生顶板煤层冒顶来压事故后，采用手持式激光测距仪对冒顶影响区域进行冒高测定，共布置14 个测点，具体测点布置情况如图3 所示。

图3 冒顶影响区内冒高测定布置方案Fig.3 The layout scheme of caving height determination in roof fall influence area

对测定得到的数据进行汇总统计，可以得到如图4 所示的，冒顶影响区内巷道顶底板的标高变化曲线。

图4 冒顶影响区内顶底板标高变化曲线Fig.4 The variation curve of roof and floor elevation in roof fall influence area

基于图4 可知，此次受到F322-2 断层构造带的影响，20322 胶带平巷内J7～J8 测站发生顶板煤层冒顶来压的区域长达53.65 m。考虑到巷道底板基本维持在474.0 m 水平标高，顶板在未发生变形破坏之前基本维持在478.3 m，结合顶板最大冒顶位置处水平标高为484.3 m，可计算得知顶板最大垮冒高度达6.0 m，远大于巷道顶板煤层的厚度值，可见顶板煤层在发生离层垮冒的同时会影响到其上方的岩层结构稳定性，进而导致煤岩层共同垮冒，严重影响到巷道的正常安全作业。

结合20322 胶带平巷内J7～J8 测站发生顶板煤层冒顶来压之前的矿压观测数据，掘进队内相关技术人员在5 月21 日对临近F322-2 断层构造带影响范围内顶底板高度进行了测定，同时在后续6 月8 日发生了顶板煤层冒顶来压事故，这之前最后一次测得的矿压观测数据是在6 月6 日，进而对比得到从5 月21 日至6 月6 日矿压观测数据变化情况，如图5 所示。

图5 冒顶来压前巷道顶底板高度变化曲线Fig.5 The height change curve of roadway roof and floor before roof caving

基于图5 可知，20322 胶带平巷顶板发生冒顶事故前的半个月内，冒顶事故区域外的顶底板高度降幅较小，而在冒顶事故区域内顶底板高度降幅较大。5 月21 日时冒顶事故区域内顶底板高度最小值已经处于3.27 m，而在6 月6 日时顶底板高度最小值进一步减小至3.03 m，缩减量高达0.24 m，较巷道原本高度值降幅高达29.5%，此时顶板处于极度离层破碎的不稳定状态，进而诱发了后续的冒顶来压事故。可见，冒顶来压事故发生前，顶板运移规律已经预示了后续可能会发生冒顶来压事故，此时要预先做好相关安全防范，防止冒顶来压事故发生时对工作面的安全生产造成过大的影响。

2 不同顶板条件数值模拟分析

考虑到煤岩体中存在诸多裂隙、节理等微小构造，且其分布具有不均匀和无规律性，这些微小构造的存在导致了煤岩体不能被视为连续介质来进行分析[4-5]，因此采用岩石破裂过程分析系统（RFPA软件） 对20322 胶带平巷不同顶板条件下的破坏特征进行数值模拟分析，将20322 胶带平巷视为二维平面应变模型，在此所建立的模型尺寸为宽20 m和高10 m，模型内巷道尺寸为宽5.6 m 和高4.3 m。结合井上下对照图可知20322 胶带平巷平均埋深约320 m，因此在模型上表面施加等效均布载荷约为7.88 MPa，模型的侧边界采用水平位移约束，底边界采用固定位移约束。考虑到煤岩体的强度能够体现出其在地应力作用下抵抗永久变形和破裂的能力，煤岩体的刚度能够体现出其在地应力作用下抵抗弹性变形的能力，进而数值模拟得到20322 胶带平巷顶板内煤岩层在不同强度和刚度条件下其破坏特征，如图6 所示。

图6 不同顶板条件数值模拟结果Fig.6 Numerical simulation results of different roof conditions

由图6 可知，当顶板煤岩体强度取值为5 MPa时，刚度从50 MPa 增至200 MPa 后，顶板煤岩体破坏特征由最初的发生明显离层而整体冒落，过渡至发生较大离层而整体冒落，如图6（a） 和6（b） 所示；当顶板煤岩体强度取值为15 MPa 时，刚度从50 MPa 增至200 MPa 后，顶板煤岩体破坏特征由最初的发生较小离层而大部分冒落过渡至发生离层而小部分冒落，如图6（c） 和6（d） 所示；当顶板煤岩体强度取值为30 MPa 时，刚度从50 MPa 增至200 MPa 后，顶板煤岩体破坏特征由最初的发生较小离层而部分发生冒顶，过渡至基本未产生离层而浅部表层发生冒落，如图6（e） 和6（f） 所示。综上模拟分析可知，在提高顶板内煤岩体强度特性的基础上，进一步提高顶板内煤岩体刚度特性，能够使顶板保持较好的完整性，不易因发生离层现象而引起冒顶事故。因此，后续可通过优化顶板煤岩体支护系统的参数，来提升顶板煤岩体整体的强度和刚度系数，进而保障巷道掘进过小断层构造带期间不会发生冒顶事故。

3 顶板支护系统优化提升分析

3.1 顶板跨度段受力分析

关于20322 胶带平巷顶板跨度段内煤岩体在采取3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统作用下的受力情况如图7 所示。

图7 顶板跨度段受力结构示意Fig.7 Stress structure diagram of roof span section

基于图7 所示顶板跨度段受力情况，基于材料力学理论可以在垂直于x 轴的竖直方向上建立力学平衡方程，以及针对左帮支撑点位置处的力矩减小量平衡方程，如公式（1） 所示。

式中：△R1、△R2分别表示当对巷道顶板跨度段采取3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统后，左帮和右帮的支承作用力减小值，kN；F表示每根锚索被安装锚固稳定后的预应力值，kN；b表示巷道顶板跨度段的宽度值，m；s表示两侧锚索与相应巷帮的距离值，m。

基于公式（1） 可计算得到巷道顶板跨度段不同区间的力矩减小量表达式，如公式（2） 所示。

根据现场工程地质情况，得知20322 胶带平巷顶板跨度段内锚索的预应力大小为250 kN，巷道顶板跨度段的宽度大小为5.6 m，两侧锚索与相应巷帮的距离大小为1.2 m。将上述具体参数值带入公式（2） 中，计算得到顶板跨度段内的弯矩减小量分布曲线，如图8 所示。

图8 顶板跨度段内弯矩分布曲线Fig.8 Bending moment distribution curve in roof span section

由图8 可知，20322 胶带平巷顶板跨度段内所受到的弯矩减小量呈现出类似于抛物线的对称性分布规律，即在顶板跨度段中心线位置处弯矩减小量最大，高达650 kN·m，而在两侧锚索位置处弯矩减小量也达到了450 kN·m。可见当对顶板跨度段内煤岩体采取3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统后，顶板跨度段内弯矩在中心线及其附近区域（1.2 m≤x≤4.4 m） 减小量十分明显，这意味着在顶板内煤岩体刚度和强度不足的情况下，通过采取3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统能够有效防止顶板煤岩体因挠曲变形而发生严重离层显现的目的，进而有效控制顶板冒顶来压事故的发生。

3.2 顶板锚索桁架系统受力分析

基于顶板跨度段受力分析的基础上，对于顶板内两侧锚索角度进行调整，并通过桁架连接器构成锚索桁架系统来对顶板内煤岩体进行补强支护。锚索桁架系统能够对顶板内煤岩体形成纵向和横向方向的相互压缩效应，使得煤岩体更加紧密的结合在一起，进而整体提升顶板内煤岩体的强度和刚度情况[6]。关于锚索桁架系统对顶板内煤岩体所起到的作用如图9 所示。

图9 锚索桁架系统对于顶板内煤岩体的作用示意Fig.9 The effect of anchor cable truss system on coal and rock mass in roof

在此假设锚索桁架系统中锚索钻入煤岩体内的长度段所承载的应力呈线性分布规律，并分别定义在锚索顶端和底端位置处的受力情况如公式（3）所示。

式中：l表示锚索钻入煤岩体内的长度，m；α 表示锚索桁架系统中钻入煤岩体内锚索与水平方向的夹角，（°）；k1、k2分别表示钻入煤岩体内的锚索顶端和底端位置处的应力集中系数值；γ 表示巷道上方覆岩的平均容重大小，kN/m3；h表示巷道的平均埋深大小，m。

而关于锚索桁架系统中平行于巷道顶板段锚索的受力情况如公式（4） 所示。

基于上述分析可以进一步简化得到锚索桁架系统的受力特征，在此考虑到锚索桁架系统的对称性，因此取其一半进行受力分析，如图10 所示。

图10 锚索桁架系统受力情况Fig.10 Force situation of anchor cable truss system

基于公式（3） 和公式（4） 关于锚索桁架系统中锚索的受力情况，可以建立其在水平和竖直方向的受力平衡方程，进而推导出锚索桁架系统中锚索的轴向拉应力F和桁架结构预紧力F' 的大小，分别如公式（5） 和（6） 所示。

式中：λ 表示顶板内煤岩体所受到的侧压系数值；f1表示锚索钻入煤岩体内部分与煤岩体之间的摩擦系数值；f2表示平行于巷道顶板段锚索与煤岩体之间的摩擦系数值。

基于上述公式（5） 和公式（6） 并代入相关参数值，可计算确定锚索桁架系统自身的抗拉强度和锚固粘结强度大小，为后续现场施工提供了理论依据。

4 顶板跨度段支护优化及矿压观测

4.1 顶板跨度段支护优化参数

基于20322 胶带平巷现场工程地质背景，对顶板内锚索的直径和长度进行优化变更，采用直径和长度更大的锚索代替原有锚索，并依据上述理论计算得到的支护参数值作为依据，最终确定顶板跨度段支护方案为：锚索桁架系统中锚索选用型号为φ17.8 mm×8 500 mm 的单体锚索，其锚固段相应的配套树脂锚固剂型号为CK2335（1 卷） 和Z2360（2 卷），间排距为1 600 mm×1 800 mm，其钻入煤岩体内锚索段与水平方向的夹角为75°；中心线位置处的锚索选用型号为φ21.6 mm×7 800 mm 的单体锚索，同样配套树脂锚固剂型号为CK2335（1 卷） 和Z2360（2 卷）。

最终确定两侧平巷优化后的后续支护方案如图11 所示。

图11 两侧平巷优化后的后续支护方案Fig.11 The subsequent support scheme after optimization of both roadway sides

4.2 现场矿压观测

随着20322 回风平巷的掘进，将会横穿一小断层地质构造带，此F322-1 断层构造的垂直断距为1.7 m，倾向角为60°，较F322-2 断层构造的垂直间距更大。

由于后续两侧平巷掘巷期间对顶板跨度段采取了优化后的支护方案，当掘进工作面横穿过F322-1 断层构造带一定距离后，在F322-2 断层构造带影响范围内每间隔5 m 布置1 个测站，一共布置6 个测站，分别来对顶底板变形量进行矿压观测，结果如图12 所示。

图12 顶底板移近量监测曲线Fig.12 Monitoring curve of roof and floor convergence

当对巷道采取优化支护方案后，不同测站所监测到的顶底板移近量数据均呈缓慢递增的趋势，最终在监测时间为60 d 时，得到顶底板最大移近量为158 mm，最小移近量为70 mm，平均移近量为133 mm，相较巷道高度4.3 m 基本可以忽略不计。可见，当对巷道采取优化支护方案后，能够有效控制顶板内煤岩体的变形和离层，使得巷道掘进期间过小断层构造带将会更加安全可靠，同时为后续20322 工作面安全高效回采奠定基础。

5 结论

（1） 掘巷期间小断层构造带将会引起顶板跨度段内煤岩体破碎，常规支护方式下顶板极易发生冒顶来压事故。数值模拟结果表明适当提升顶板内煤岩体的强度值和刚度值能够有效地提升顶板内煤岩体的完整性，使其不易因发生离层现象而引起冒顶事故。

（2） 针对顶板跨度段采用3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统后，理论计算得知顶板跨度段内弯矩在中心线及其附近区域（1.2 m≤x≤4.4 m） 减小量十分明显，表明该支护系统能够有效抑制顶板内煤岩体因挠曲变形而发生严重离层显现的情况。

（3） 在3 根锚索和钢筋组合圈梁支护系统的基础上，对于顶板内两侧锚索角度进行调整，并通过桁架连接器构成锚索桁架系统，能够更直观的使顶板内煤岩体紧密结合在一起，进而整体提升顶板内煤岩体的强度值和刚度值，实现有效控制顶板冒顶来压事故的发生。

（4） 理论计算推导出锚索桁架系统中锚索的受力情况，并最终确定顶板跨度段内支护方案。现场矿压观测结果表明当对巷道采取优化支护方案后，能够有效控制顶板内煤岩体的变形和离层，使巷道掘进期间过小断层构造带更加安全可靠，为后续工作面安全高效回采奠定基础。