堅硬厚層頂板工作面沿空留巷技術(shù)研究

王永志

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 岳城煤礦，山西 晉城 048000)

堅硬厚層頂板工作面沿空留巷技術(shù)研究

王永志

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 岳城煤礦，山西 晉城 048000)

為實現(xiàn)堅硬厚層頂板條件下沿空留巷，基于工作面上覆巖層運移規(guī)律，采用數(shù)值模擬軟件UDEC分析采空區(qū)側(cè)巖層懸臂狀態(tài)對留巷圍巖變形影響，計算結(jié)果說明，隨著側(cè)向懸臂長度的增加，留巷變形明顯加大；采用超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)縮短采空區(qū)側(cè)懸臂的長度，控制上覆巖層的回轉(zhuǎn)和下沉變形，實現(xiàn)卸壓；形成了采動應(yīng)力影響段留巷加強支護成套技術(shù)；對留巷礦壓規(guī)律進行觀測分析，留巷巷道斷面保持8m2以上，實現(xiàn)了堅硬厚層頂板條件下沿空留巷。

堅硬厚層頂板；沿空留巷；采空區(qū)；側(cè)懸臂；深孔預(yù)裂爆破

StudyofGob-sideEntryRetainingTechnologyWorkingFacewithHardenandThickRoof

沿空留巷無煤柱開采技術(shù)具有可與工作面回采平行作業(yè)，有效緩解采掘接續(xù)緊張，提高采出率同時消除采空區(qū)發(fā)火源等優(yōu)勢，近年來得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的理論研究和現(xiàn)場試驗：陳勇、柏建彪等[1]針對沿空留巷圍巖變形控制困難，采用數(shù)值模擬分析了巷內(nèi)支護與圍巖變形、應(yīng)力分布的關(guān)系，提出高阻讓壓支護理念；張農(nóng)等[2]基于采場覆巖運動特征，闡明了采空側(cè)楔形區(qū)頂板的傳遞承載機制并研究了采空側(cè)頂板預(yù)裂卸壓機理，總結(jié)出預(yù)裂爆破卸壓、分區(qū)治理、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、“三位一體”圍巖控制及墻體快速構(gòu)筑等沿空留巷圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)；康紅普、張鎮(zhèn)[3]等進行了深井沿空留巷的現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明，采用高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿與錨索作為巷內(nèi)基本支護，單體支柱配鉸接頂梁為加強支護，膏體充填假墻作為巷旁支護，深部高地應(yīng)力條件下沿空留巷圍巖的強烈變形能夠得到有效控制；李迎富等[4]根據(jù)沿空留巷上覆巖層的活動規(guī)律，建立了關(guān)鍵塊和直接頂?shù)牧W(xué)模型，提出了巷旁充填體合理寬度的計算方法。

沿空留巷的研究取得了豐富的理論研究和試驗成果，也極大地擴展了沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用范圍，但以上沿空留巷的研究多集中于薄層軟弱頂板，針對堅硬厚層頂板條件下的留巷技術(shù)研究較少[5-6]。與薄層軟弱頂板相比，堅硬厚層頂板工作面“上三層”分布范圍更廣，礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，留巷圍巖控制更為困難。然而，堅硬厚層頂板條件的煤層約占我國煤層賦存總量的三分之一，且分布范圍較廣[7]，因此有必要對堅硬厚層頂板條件下的沿空留巷技術(shù)進行進一步研究。

1 工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件

試驗工作面為鳳凰山礦154307工作面，工作面平均埋深192m，長度為176.4m，可采長度為868.4m。工作面主采15號煤，一次采全高。煤層近水平分布，平均傾角為5°，煤層平均厚度為2.13m，賦存穩(wěn)定，含一層厚度為0.28m穩(wěn)定夾矸。15號煤層整體性好，單軸抗壓強度較高，達到17～25 MPa，平均單軸抗壓強度為22.25MPa，煤層堅固性系數(shù)2～4。煤層直接頂為厚層堅硬K2石灰?guī)r，平均厚度為9.11m，單軸抗壓強度達到116.43MPa，抗剪強度為3.7MPa，堅硬不易冒落。煤層底板為鋁質(zhì)泥巖或泥巖，強度較低，且含有遇水膨脹成分，單軸抗壓強度僅為11.4MPa，遇水后易泥化膨脹變軟。

2 厚層堅硬頂板留巷圍巖穩(wěn)定影響分析

工作面回采后，抗破斷能力較強的堅硬厚層頂板往往在斷裂垮落前形成大范圍懸頂[8]，在采空區(qū)兩側(cè)方向上，堅硬厚層頂板會形成長度較大的側(cè)向懸臂，沿空留巷正處于懸臂下方，較長的厚層懸臂造成巷旁墻體承擔(dān)過大的附加載荷，導(dǎo)致墻體常在強烈的頂板載荷作用下發(fā)生破壞，進而導(dǎo)致留巷圍巖結(jié)構(gòu)整體大變形失穩(wěn)[9]。本文建立數(shù)值模型，分析了堅硬厚層頂板條件下，側(cè)向懸臂的狀態(tài)對圍巖變形的影響。

2.1 數(shù)值模型

運用基于離散單元法理論的計算程序UDEC(Universal Distinct Element Code)，模擬分析側(cè)向懸臂長度對沿空留巷圍巖變形的影響。模型長130m，高60m，采用平面應(yīng)變模型，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型側(cè)向邊界采用鉸支約束，底邊界采用固支約束，頂邊界施加4.32MPa垂直應(yīng)力，左右邊界施加12.42MPa水平應(yīng)力，模型如圖1所示。

表1 數(shù)值模擬計算模型的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果分析

通過強制放頂?shù)姆绞娇刂撇煽諈^(qū)頂板懸臂的長度，懸臂長度0m表示頂板在巷旁支撐體的外緣直接切落，5m表示頂板懸臂末端至巷旁支撐體外緣的長度。

計算得到巷道圍巖變形與懸臂長度的關(guān)系曲線如圖2所示，其中，沿空留巷的兩幫變形隨著側(cè)向懸臂長度的變化情況如圖2(a)所示，懸臂長度從0m增加至20m時，兩幫的變形量不斷增加，最大變形量從0m時的214.5mm，5m時的257.3mm，10m時的268.7mm，15m時的310.1mm逐漸增加至20m時的392.8mm。而當(dāng)頂板不采取放頂措施時，幫部變形量要顯著大于其他情況，最大變形量達到489.3mm，分別為0m時的2.28倍和20m時的1.25倍。頂?shù)装遄冃坞S著側(cè)向懸臂長度的增加也呈現(xiàn)出遞增的趨勢，最大變形量從0m時的207.7mm，5m時的209.5mm，10m時的223.7mm，15m時的268.7mm逐漸增加至20m時的338.5mm，而當(dāng)不對頂板采取放頂措施時，頂?shù)鬃畲笞冃瘟窟_到了377.3mm，分別為0m時的1.82倍和20m時的1.11倍。

圖2 留巷圍巖變形與懸臂長度關(guān)系曲線

模擬結(jié)果說明懸臂長度對留巷圍巖變形有著極為重要的影響，通過人為減小側(cè)向懸臂的長度能夠有效降低圍巖變形量，最大降低幅度可達56%。在厚層堅硬頂板條件下實施大跨度沿空留巷，為了有效控制留巷圍巖變形，需要采取主動措施減小懸臂長度。

3 超前深孔預(yù)裂爆破方案

根據(jù)上文分析，堅硬厚層頂板條件下，采空區(qū)側(cè)向懸臂的運動及其形成的附加應(yīng)力對于巷旁充填體和留巷圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，忽視側(cè)向懸臂的影響作用而一味提高留巷支護強度并不能有效解決巷旁墻體破裂和留巷圍巖大變形失穩(wěn)的問題[10]，因此，堅硬厚層頂板條件下的留巷必須采取主動措施，對頂板進行弱化，以降低采空區(qū)側(cè)向懸臂的長度，降低作用于留巷圍巖的集中載荷。

基于154307工作面的頂?shù)装鍡l件，借鑒國內(nèi)堅硬厚層頂板管理經(jīng)驗[11]，采用超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對堅硬頂板進行提前預(yù)裂。

3.1 爆破深度的確定

爆破深度的確定原則為爆破深度范圍內(nèi)巖石垮落碎脹后可有效支承上覆圍巖。工作面采高M為2.2m，煤系沉積巖殘余碎脹系數(shù)Kp一般為1.2～1.3，因此，爆破深度H=M/(Kp-1)=8.8m，考慮一定富裕系數(shù)，確定爆破深度為工作面頂板上方垂直高度10m。

3.2 炮孔布置

沿軌道巷每隔 30m 設(shè)置一組炮孔，每組4 個爆破孔，扇形布置，記作 A，B，C，D，孔深、水平角、仰角見圖3。炮孔孔底距工作面煤壁5 m 時進行爆破孔裝藥、爆破，爆破孔聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式，鉆孔參數(shù)見表2。

圖3 超前深孔預(yù)裂爆破炮孔布置

孔深/m水平角/(°)仰角/(°)282011232026202732132749

4 留巷加強支護方案

工作面回采后，其前方35m至后方100m范圍內(nèi)，受采動集中應(yīng)力影響，留巷易發(fā)生較大變形，因此，在此范圍內(nèi)需采取主動和被動加強支護措施，避免留巷在一次采動影響下發(fā)生較大變形，為下個工作面復(fù)用預(yù)留足夠空間。

4.1 留巷巷旁充填

經(jīng)過理論和數(shù)值模擬計算，在該地質(zhì)生產(chǎn)條件下巷旁充填體所受到最大垂直主應(yīng)力約為11MPa，設(shè)計墻寬2.2～2.6MPa，可達到使用要求?？紤]巷道底板為復(fù)合泥巖，確定墻體寬度為2.4m，要求充填墻體強度達到20MPa。采用水泥、粉煤灰、石子、外加劑作為充填主料，經(jīng)過不同配比試驗，最終充填材料單軸抗壓強度28d后達到22MPa，滿足使用要求。

為提高充填墻體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、完整性及結(jié)構(gòu)剛度，充填墻體內(nèi)應(yīng)合理布筋。設(shè)計在充填墻體內(nèi)外兩側(cè)，距離充填模板200mm，走向布網(wǎng)孔100mm×100mm，直徑6～8mm的焊接金屬網(wǎng)，網(wǎng)間采用鋼筋固定。

4.2 被動加強支護

超前工作面前方35m，滯后工作面100m范圍內(nèi)受采動影響的區(qū)域，采取單體液壓支柱的加強支護形式。采用一梁三柱形式，3根單體柱配合鉸接頂梁。100m之后視礦壓情況采用木點柱拆換單體支護。

圖4 采動應(yīng)力影響段被動加強支護

4.3 主動加強支護

在掘進期間頂板單體錨桿支護的基礎(chǔ)上，施工強力錨索進行補強支護。錨索直徑21.8mm，長6300mm，配合規(guī)格為300mm×300mm×16mm錨索托盤；頂板中部錨索垂直頂板打設(shè)，墻體側(cè)錨索傾斜15°打設(shè)；使用2支MSK2335、配合2支MSZ2360 樹脂藥卷進行錨固，要求錨固力不低于200kN，預(yù)緊力達到100kN以上。

5 留巷礦壓規(guī)律分析

對留巷表面位移、單體液壓支柱受力進行連續(xù)監(jiān)測，分析留巷礦壓規(guī)律如下：

(1)留巷圍巖變形發(fā)展較快區(qū)域為工作面后方140m范圍之內(nèi)，工作面后方200m之后圍巖基本穩(wěn)定，但仍保持著煤巖蠕變，變形速度不超過1～2mm/d。

(2)底鼓始終是最主要的變形，最大達到610mm。

(3)頂板下沉呈現(xiàn)出明顯的“實體煤側(cè)下沉量小、墻體側(cè)下沉量大”的特點，這是由于頂板向采空區(qū)的彎轉(zhuǎn)下沉導(dǎo)致的，巷道頂板下沉穩(wěn)定后，能保持較好的整體性和穩(wěn)定性。

(4)留巷加強支護能夠適應(yīng)留巷初期劇烈的礦壓顯現(xiàn)，保證了巷道頂板的完整性。

(5)留巷穩(wěn)定后，平均斷面收縮率為23%，若不包括底鼓量，收縮率僅有12%，局部底鼓量較大的留巷段，經(jīng)過一定的臥底和局部的刷幫，斷面面積大于8m2，滿足了留巷的要求，沿空留巷技術(shù)取得了成功。

6 結(jié) 論

(1)采用UDEC離散元方法分析了側(cè)向懸臂狀態(tài)對沿空留巷圍巖穩(wěn)定的影響，得到了留巷圍巖活動、變形規(guī)律。

(2)形成了超前工作面深孔預(yù)裂爆破切放頂技術(shù)，確定了切頂高度、炮眼布置方式、爆破時間等完整技術(shù)流程。

(3)采取了超前深孔爆破和采動集中應(yīng)力影響段加強支護后，154307工作面沿空留巷圍巖變形得到有效控制，留巷穩(wěn)定后巷道斷面8.0m2以上，可以滿足下一工作面回采要求，實現(xiàn)Y型通風(fēng)，緩解了采掘接續(xù)緊張，實現(xiàn)了堅硬厚層頂板條件下的沿空留巷。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

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1006-6225(2017)05-0053-04

2017-05-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.013

王永志(1974 -)，男，山西朔州人，高級工程師，現(xiàn)任岳城煤礦礦長，主要從事采掘銜接、巷道支護以及安全生產(chǎn)的管理和研究工作。

王永志.堅硬厚層頂板工作面沿空留巷技術(shù)研究[J].煤礦開采，2017，22(5)：53-56.