大采高工作面顺槽围岩破坏特征及控制技术研究

许文杰

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿， 山西 古交 030200）

煤炭资源作为我国的主要基础能源，在我国能源消费结构中占主要地位[1]。随着煤炭开采技术水平的提高，煤炭开采工艺逐步向机械化、智能化方向发展[2-4]，在一些煤层赋存较厚的地区，一次采全高开采技术、综采放顶煤技术逐渐向各大矿区推广。大采高综采技术，虽能有效提高煤炭开采率，减小资源浪费，但随之易出现煤壁片帮、围岩变形大等问题。因此，国内许多学者对此展开研究，其中，王家臣[5]通过理论分析给出了煤壁发生变形剪切破坏准则；李占魁[6]基于理论分析计算大采高工作面顺槽塑性区演化范围，并提出该地质条件下巷道围岩变形的控制方法；马盟[7]根据大采高工作面地质条件，建立相应力学模型，给出了工作面顺槽围岩稳定评价标准；王兆会[4]针对断层构造区大采高工作面煤壁稳定性问题，对引起煤壁片帮的因素进行分析，提出了断层构造区煤壁稳定控制技术。

本文以西曲矿18501工作面顺槽为研究对象，针对回采期间大采高工作面顺槽出现煤壁片帮、围岩大变形等现象，分析巷道围岩变形特征及破坏机理，进而提出围岩控制技术，为类似地质矿井生产提供借鉴。

1 工程概况

西曲矿隶属山西西山煤电股份有限公司，位于山西省古交市汾河北岸，地处吕梁山脉东麓，距山西省省会太原市56 km。该矿井主采煤层分别为4、7、8、9号煤层，其中8号煤层赋存厚度约为4 m，属于厚煤层，18501工作面所采煤层为8号煤层，工作面顺槽断面高度为4.2 m。

18501工作面北邻18502工作面（已采），南邻18307工作面，东西分别接西983、南983运输大巷。工作面开采煤层厚度为3.8～4.4 m，平均煤厚4.2 m，煤层倾角在 1°～9°范围内变化，平均为 3°，属于稳定可采煤层。煤层顶板存在一层厚度变化不大的伪顶（炭质泥岩），平均厚度为0.2 m，直接顶为石灰岩，平均厚度为2.4 m，直接底约为1.5 m的细砂岩，基本底为3.1 m的粉砂岩，工作面倾向长145 m，走向长1 550 m。18501工作面柱状图如图1所示。

图1 18501工作面柱状图

2 大采高工作面顺槽围岩破坏特征及机理

2.1 巷道围岩破坏特征

为准确分析18501工作面顺槽在掘巷、回采期间围岩变形破坏规律，对巷道表面进行位移监测，通过监测数据发现在掘巷期间巷道围岩变形量较小，而在工作面回采期间围岩位移变化幅度较大，具体监测数据如图2所示。

图2 回采期间巷道表面位移量

数据监测期间发现，18501工作面顺槽围岩产生较大变形量主要产生在工作面超前200 m范围内。由于煤层赋存条件较差，比较破碎，煤体内部滋生大量裂隙，在大采高情况下，受采动影响剧烈，煤壁及巷道顶底板围岩完整性进一步遭到破坏，出现整体性破坏特征。具体表现为：巷道顶板大范围大幅度下沉，局部出现网兜，工作面超前200 m范围内最大下沉量达600 mm；巷道两帮均出现大面积片帮，煤柱帮片帮程度较大，呈现明显的非对称性特点；底板大范围出现裂隙，局部呈现明显底鼓。

2.2 围岩破坏机理

工作面回采必然对煤岩体产生扰动，不仅破坏了煤岩体的完整性，而且打破了煤岩体周围原有的平衡应力，促使围岩应力重新分布，造成煤岩体受到的水平应力大幅度减小，而垂直应力则急剧变大。此时煤壁受到较大的垂直应力，该应力作用于煤壁弱结构面，造成煤岩体裂隙再次发育，导致煤岩体强度降低。当煤岩体所受荷载大于其承载强度时，发生煤壁片帮现象，此时，煤壁稳定性遭到破坏，巷道顶底板随之受到扰动。

根据煤体强度分析，煤壁破坏形式主要分为剪切破坏和拉伸破坏两种，如图3所示为剪切破坏，煤体在顶板压力及其自重作用下产生横向拉应力，当煤体强度较弱时，其抗剪强度小于自身受到的横向拉应力，煤壁发生剪切破坏，此时，满足公式（1）。

式中：τmax为煤体最大剪切应力；τ为承受横向拉应力。

如图4所示为煤壁拉伸破坏形式，由于煤体强度较大，具有很高的脆性，可变形度很小，当煤体的抗拉强度小于横向拉应力时，煤壁通过膨胀变形不足以使横向拉应力得到完全释放，煤体发生拉伸破坏，此时，满足公式（2）。

式中：R为横向拉应力；Rt为煤体抗拉强度。

图3 煤壁剪切破坏

图4 煤壁拉伸破坏

通过对工作面煤岩取样进行实验室力学试验，试验结果显示，开采的8号煤层，煤体强度普氏系数为1.3，属于软煤层，抗剪强度较低，在顶板载荷及其自重应力作用下易发生剪切破坏。

3 围岩控制技术及工业性试验

3.1 巷道围岩控制技术

基于上述对巷道围岩破坏机理分析，针对18501工作面覆岩赋存特征，提出围岩联合强化控制技术，解决大采高工作面顺槽围岩破坏问题，具体如下：

1）采用高强度、高预紧力加长锚杆索控制顶板。锚杆索加长能够充分利用工作面上覆深部稳定岩层，对巷道顶板浅部岩层进行悬吊；同时高强度、高预紧力能有效抑制顶板出现离层现象，通过锚杆索将深部围岩、巷道浅部岩层形成统一承载结构，提高围岩整体稳定性。

2）采用“短锚索+长锚杆”联合控制煤柱帮。其中短锚索选择高强度、高延伸率锚索，提高煤柱帮整体的抗剪强度，最大程度地抵抗煤柱帮内部所受横向应力的释放；在巷道顶底角部位增设顶底角锚杆、锚索，抑制回采期间高支承应力向巷道底板转移，避免底鼓现象的发生。

3）增强护表结构强度。锚网索支护时采用高强度金属网和大托盘，使锚杆、锚索施加的预紧力得到有效、充分扩散，促进“围岩—支护结构物”承载共同体结构的形成。

根据上述控制技术，制定18501工作面顺槽锚杆索支护设计方案，如图5所示。

图5 巷道支护设计方案（单位：mm）

3.2 工业性试验

18501工作面顺槽试验段在工作面回采前采用上述巷道支护设计方案进行巷道围岩控制，并对巷道表面位移进行监测，检测结果如图6所示。由图6可知，巷道受回采影响程度趋于缓和，顶板位移变化量最大，最大收敛值约为160 mm；而巷道两帮围岩收敛程度逐渐趋于一致，原巷道围岩非对称变化得到了有效改善，该巷道围岩控制技术达到了预期效果。

图6 18501工作面顺槽试验段围岩收敛情况

4 结论

1）大采高工作面易出现煤壁片帮现象，主要是由于工作面回采后，围岩应力重新分布，顶板上方较大荷载传递到煤壁，加之煤体强度较低，加剧煤体内部裂隙发育，最终导致发生片帮现象，且煤壁主要以剪切破坏为主。

2）结合西曲矿18501工作面围岩自身强度较低现状，提出了围岩联合强化控制技术，提高了巷道围岩自身承载强度，有效抑制了巷道在回采期间出现围岩大变形现象。