堅(jiān)硬頂板沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析與圍巖控制技術(shù)研究

李君青

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公司安監(jiān)局，山西 臨汾 031400）

1 工程概況

某礦1198工作面傾向長度90m，走向長度550m，工作面總體呈一單斜構(gòu)造，工作面埋深120～170m，工作面所采9#煤層，煤層均厚4.2m，采用綜合機(jī)械化放頂煤的采煤工藝，用全部垮落法進(jìn)行頂板管理。9#煤層直接頂為11m的細(xì)砂巖及6.0m厚的泥巖，基本頂為5.0m的大青灰?guī)r，直接底為6.0m的鋁土質(zhì)粉砂巖，老底為均厚10.0m的中細(xì)砂巖，1198工作面布置位置如圖1所示，1198工作面運(yùn)料巷為沿空留巷試驗(yàn)巷道。

圖1 1198工作面布置位置示意圖

2 堅(jiān)硬頂板沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 基本頂破斷位置分析

在回采工作面的持續(xù)推進(jìn)下，采場上覆巖層會(huì)逐漸垮落，基本頂會(huì)在周期來壓的作用下依次形成“O-X”型破斷，沿空留巷基本頂斷裂位置存在四種情形，分別為：充填墻外側(cè)、充填墻上方、實(shí)體煤上方以及巷道上方。下面通過建立基本頂破斷前的力學(xué)模型，如圖2所示，圖中q1（x）為基本頂受到的上覆荷載和自重應(yīng)力，σb為充填墻體的支護(hù)阻力，q2（x）為直接頂?shù)闹С蟹戳?，σy為極限平衡區(qū)支承應(yīng)力。

圖2 基本頂破斷前受力模型

由材料力學(xué)梁的理論[3]知梁破斷必須滿足所受彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于梁上端的抗拉強(qiáng)度，表達(dá)式為：

式中：h為基本頂巖層的厚度，W為梁的彎曲系數(shù)，σt為基本頂巖層的抗拉強(qiáng)度，M為梁的彎矩。

式中：η=a+b+c，對OA段進(jìn)行取距，能夠得出OA段彎矩的表達(dá)式為：

根據(jù)上述表達(dá)式可對基本頂?shù)臄嗔盐恢眠M(jìn)行討論：在充填墻比較及時(shí)的構(gòu)筑時(shí)，會(huì)使得σb足夠大，從而能夠使得充填墻外側(cè)的彎矩MCD,max＞MBC，在直接頂厚度小且強(qiáng)度較高時(shí)墻體的支護(hù)阻力便能夠有效的傳遞到基本頂上，此時(shí)基本便會(huì)在墻體的外側(cè)發(fā)生破斷；通過對比知BC段的最大彎矩始終小于OA段的彎矩，故基本頂不會(huì)在充填體的上方破斷；通過對比知AB段的最大彎矩始終小于OA段的彎矩，同樣能夠得出基本頂?shù)臄嗔盐恢貌粫?huì)出現(xiàn)在巷道上方；實(shí)體煤幫在圍巖應(yīng)力的作用下會(huì)在淺部產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)對頂板的支護(hù)反力較小，在極限平衡區(qū)邊界由于基本頂上覆荷載與直接頂?shù)闹С蟹戳酒胶?，故基本不?huì)發(fā)生撓曲下沉，便會(huì)在該處產(chǎn)生最大彎矩，從而致使基本頂在極限平衡區(qū)邊界發(fā)生破斷[4]。

通過上述分析能夠得出，在沿空留巷基本頂力學(xué)性質(zhì)一定時(shí)，巖層無節(jié)理裂隙切割作用時(shí)，基本頂?shù)奈恢脮?huì)發(fā)生在實(shí)體煤的上方或者充填墻體的外側(cè)；當(dāng)基本頂存在節(jié)理裂隙或局部弱化區(qū)域時(shí)，此時(shí)基本頂?shù)钠茢辔恢帽憧赡茉诔涮顗w上方或巷道上方。

2.2 基本頂給定變形量的確定

基本頂破斷后會(huì)在采空區(qū)側(cè)向形成關(guān)鍵塊體A、B、C，關(guān)鍵塊體B會(huì)一端支承在實(shí)體煤上方，另一端會(huì)旋轉(zhuǎn)下沉觸及矸石從而形成支撐。塊體B觸矸點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角和下沉量S表達(dá)式如下：

式中：M為工作面采高，k0為采空區(qū)矸石的碎脹系數(shù)，為直接頂?shù)暮穸龋琇為關(guān)鍵塊體B的長度，θ為關(guān)鍵塊體B的旋轉(zhuǎn)角，x為與關(guān)鍵塊體破斷位置的距離。

2.3 沿空留巷圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)大量理論分析與工程實(shí)踐[5,6]能夠得出，巷道頂板巖層從局部破壞到結(jié)構(gòu)破話是漸進(jìn)的過程，首先為直接頂破斷垮落后與基本頂之間出現(xiàn)離層，隨后基本頂巖層出現(xiàn)裂隙，隨著裂隙的擴(kuò)展出現(xiàn)破斷、垮落及旋轉(zhuǎn)下沉，當(dāng)下沉到與采空區(qū)內(nèi)冒落矸石接觸后便會(huì)形成“斜跨梁”結(jié)構(gòu)，使得圍巖達(dá)到平衡狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 “斜跨梁”結(jié)構(gòu)示意圖

從圖3中能夠看出，斜跨巖梁受到的作用力主要有自重和上覆巖層荷載的重量，A、C巖塊對關(guān)鍵塊體B的水平擠壓作用，水平擠壓力T可用下式計(jì)算：

式中：L為基本頂巖塊的長度，m；h為基本頂巖層的厚度，m；Q為基本頂巖塊的重量，kN；s為基本頂巖層的下沉量，m。根據(jù)上式可知基本頂巖塊越厚，關(guān)鍵塊體B越穩(wěn)定；當(dāng)基本頂巖層厚度一定時(shí)，基本頂破斷后形成巖塊的L/h較大時(shí)，利于綜放沿空留巷形成“斜跨梁”結(jié)構(gòu)，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。在堅(jiān)硬頂板沿空留巷過程中，“斜跨梁”結(jié)構(gòu)越早形成，沿空留巷的圍巖便能夠得到較早的控制，因此可采取減小端頭割煤高度、向采空區(qū)破碎巖石中注入漿液及采取預(yù)裂爆破幫助直接頂切落等措施促使“斜跨梁”結(jié)構(gòu)的盡早形成。

現(xiàn)代建筑在設(shè)計(jì)時(shí)除保證建筑的安全性、舒適度、智能化和生態(tài)環(huán)境因素外，還應(yīng)注重能源的有效使用和節(jié)約，減小外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，強(qiáng)化建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱構(gòu)造。

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)與效果

3.1 沿空留巷支護(hù)技術(shù)方案

由1198工作面運(yùn)料巷設(shè)計(jì)斷面寬度為4.0m，高度為2.6m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷內(nèi)基本支護(hù)形式采用錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿直徑為22mm，長度為2400mm，間排距為750×800mm，預(yù)緊力大于80kN，錨索采用Φ17.8mm×7000mm，并配合長2m的槽鋼進(jìn)行支護(hù)，錨索梁采用“五花”布置；兩幫錨桿采用直徑為18mm，長為2m的錨桿，間排距為800×800mm，巷道支護(hù)斷面圖如圖4所示。

圖4 1198工作面運(yùn)料巷基本支護(hù)斷面圖

根據(jù)前文對堅(jiān)硬頂板綜放沿空巷道的分析知，由于充填體支護(hù)阻力及較厚的直接頂?shù)淖饔孟禄卷攷r層不易于在充填體外側(cè)斷裂，因此，在基本頂斷后形成“斜跨梁”結(jié)構(gòu)后，充填體及留巷需適應(yīng)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉變形，綜合考慮以上因素本次充填材料選用高水充填材料，充填材料的水灰比為1.5：1，充填墻體的寬度為1.5m，同時(shí)考慮到沿空留巷的使用要求，需對留巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，經(jīng)過對巷道結(jié)構(gòu)的分析，確定補(bǔ)強(qiáng)方案為：頂板中部補(bǔ)打1根型號為Φ17.8mm×7000mm的錨索，則1198工作面運(yùn)料巷充填墻施工完畢及補(bǔ)墻支護(hù)后的巷道斷面圖如圖5所示。

圖5 巷道加強(qiáng)支護(hù)后斷面圖

當(dāng)1198工作面回采推進(jìn)后，運(yùn)料巷以沿空留巷的形式保留下來，巷道一幫的充填墻體需要一定的時(shí)間才能提供足夠的支護(hù)阻力，故當(dāng)充填墻體未達(dá)到設(shè)定強(qiáng)度前，需在巷道充填墻體側(cè)設(shè)置高阻力的支護(hù)，因此在沿空留巷時(shí)需對工作面后方一定范圍內(nèi)的巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，根距1198工作面的地質(zhì)資料，確定在工作面后方設(shè)置單體液壓支柱，具體參數(shù)為：單體支柱與非采幫之間的距離為1.5m，巷道內(nèi)一排設(shè)置1根單體柱，柱間排距為1.0m，當(dāng)支護(hù)距離達(dá)到20～30m后開始從后方回撤單體液壓支柱。

3.2 沿空留巷圍巖控制效果分析

在1198工作面運(yùn)料巷實(shí)施沿空留巷后，通過在巷道頂板中部、對應(yīng)底板中部、實(shí)體煤幫及充填墻體中部布置位移測站，對留巷的圍巖變形量進(jìn)行觀測，根據(jù)礦壓監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，繪制成曲線如圖6所示，圖中負(fù)值表示測點(diǎn)位于工作面后方，正值表示測點(diǎn)位于工作面前方。

圖6 留巷圍巖變形曲線圖

從圖6中能夠看出在工作面前方0～40m范圍內(nèi)圍巖變形量較小，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?10mm，兩幫最大變形量為89mm，通過現(xiàn)有支護(hù)手段控制工作面前方圍巖變形量較小，為沿空留巷的實(shí)施提供了保障；工作面后方頂?shù)装宓淖畲笠平繛?28mm，兩幫移近量為352mm，頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量相差最大處有178mm，留巷變形后斷面的收縮率為30%，符合巷道的使用要求。

圖7 留巷兩幫移近量曲線圖

再根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)具體繪制出實(shí)體煤幫及充填墻體幫或采幫的圍巖變形曲線，如圖7所示。

從圖7中能夠看出，在工作面前方0～40m的范圍內(nèi)，采幫的最大位移為56mm，實(shí)體煤幫的最大位移為33mm，當(dāng)巷道圍巖變形穩(wěn)定后，充填墻幫的最大位移量為108mm，實(shí)體煤幫的最大位移為243mm，根據(jù)曲線能夠看出實(shí)體煤幫的圍巖變形比充填墻幫的變形更嚴(yán)重，實(shí)體煤幫的移近量占到兩幫移近量的69%，根據(jù)兩幫監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出現(xiàn)有巷旁充填體的加固技術(shù)效果較好，有效的控制了充填墻體的變形。

4 結(jié) 論

1）通過對沿空留巷基本頂斷裂前建立模型分析，得出基本頂四種可能的破斷位置，堅(jiān)硬頂板沿空留巷上覆基本頂破斷后形成“斜跨梁”結(jié)構(gòu)，巷道和充填體需主動(dòng)接受基本頂?shù)摹敖o定變形”。

2）根據(jù)對1198工作面沿空留巷結(jié)構(gòu)的分析確定充填墻選用高水確定充填材料，材料的水灰比為1.5：1，充填墻體的寬度為1.5m，并在巷道原有基本支護(hù)的基礎(chǔ)上在巷道中部補(bǔ)打一根錨索對巷道圍巖進(jìn)行控制。

3）根據(jù)對1198工作面運(yùn)料巷實(shí)施沿空留巷后的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，留巷所用巷旁充填體的加固技術(shù)較好，現(xiàn)有巷道支護(hù)手段有效的控制了沿空巷道的圍巖變形。