厚表土厚堅(jiān)硬頂板無煤柱切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)研究

周均民，申世豹，劉進(jìn)曉，張 峰

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán) 菏澤煤電有限公司，山東 菏澤 271004；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

沿空留巷是在上區(qū)段工作面采過后，通過有效手段將上區(qū)段工作面運(yùn)輸平巷保留下來，供下區(qū)段工作面回采時(shí)使用。目前，我國學(xué)者在關(guān)于沿空留巷理論與技術(shù)方面做了大量的研究[1-7]，目前沿空留巷主要有兩種方式，一種是巷旁充填沿空留巷，根據(jù)充填材料的不同沿空留巷又有多種形式，柏建彪等[8]提出采用膏體材料作為巷旁對(duì)頂板的支護(hù)體，建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學(xué)模型。雷鳴[9]等采用混凝土材料做為巷旁的支護(hù)體，取得了很好的留巷效果。湯建泉等[10]采用數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)沿空切頂成巷段巷道圍巖支承壓力分布及圍巖變形規(guī)律進(jìn)行分析。常利軍、李西凡等[11，12]采用高水充填材料作為巷旁支護(hù)體，有效控制了巷道圍巖變形。高明濤[13]等建立了由采場(chǎng)沿空巷道實(shí)體煤幫、巷旁充填體和采空區(qū)矸石共同承載無煤柱沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。郝曉飛[14]等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)中厚煤層沿空留巷巷旁充填體圍巖變形情況進(jìn)行分析，并通過充填體的承載力進(jìn)行驗(yàn)算來確定柔模混凝土充填體的合理寬度。二是何滿潮院士團(tuán)隊(duì)[15-19]提出的切頂卸壓無煤柱沿空留巷，該團(tuán)隊(duì)在切頂留巷覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、大變形錨桿錨索讓壓支護(hù)、定向拉張爆破切頂卸壓、切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等方面做出了重要的貢獻(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，很多學(xué)者針對(duì)切頂卸壓留巷進(jìn)行了很多有意義的工作，華心祝等[20]對(duì)動(dòng)靜耦合作用下無煤柱切頂留巷頂板成縫與穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了研究，陳立軍[21]對(duì)一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了研究。蔡峰[22]對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)的切頂高度、切頂角度、爆破鉆孔間距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究。雖然目前切頂留巷取得了一定的成果，但是對(duì)于深厚表土堅(jiān)硬頂板條件下的沿空留巷尚有待探索和研究。

本文以郭屯煤礦深厚表土堅(jiān)硬頂板切頂留巷為研究背景，首先采用相似材料試驗(yàn)?zāi)M郭屯煤礦4307工作面頂板覆巖運(yùn)動(dòng)情況，通過控制不同長(zhǎng)度的工作面，形成了不同結(jié)構(gòu)的懸臂梁，并提出厚頂板切頂厚度、切頂角度和非對(duì)稱支護(hù)等設(shè)計(jì)，對(duì)該條件下切頂留巷頂板結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

郭屯煤礦4307位于四采區(qū)，工作面南、北兩側(cè)均為實(shí)體煤，西側(cè)為4306工作面，東側(cè)為實(shí)體煤(巖漿巖影響區(qū))，4307工作面主采3下煤，3下煤層平均厚度約2.80m，煤層傾角平均4°，該區(qū)域煤層起伏變化較小，4307工作面長(zhǎng)186m，推進(jìn)長(zhǎng)度966m。煤層埋深829～865m，3下煤頂板巖層厚度約100m，表土層平均厚度747m。煤層直接頂為厚10.68m的細(xì)砂巖，普氏系數(shù)f>11，基本頂為厚14.27m的粉砂巖，普氏系數(shù)f>5.5，底板的泥巖和細(xì)砂巖其普氏系數(shù)f均大于8，四采區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)水平主應(yīng)力33.86MPa；垂直應(yīng)力20.01MPa，水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.69倍，最大主應(yīng)力為最小主應(yīng)力的2.24倍。4307工作面布置與綜合柱狀如圖1所示，對(duì)4307軌道運(yùn)輸平巷進(jìn)行切頂留巷，4307軌道運(yùn)輸平巷斷面形狀為矩形，凈寬4500mm，凈高3400mm。

圖1 4307工作面布置與綜合柱狀

2 厚層堅(jiān)硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 厚層堅(jiān)硬頂板相似材料模型建立

為了揭示堅(jiān)硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，對(duì)3下煤頂板運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)相似模擬。模型左右邊界水平位移約束，在模型頂部用油缸進(jìn)行加載用以模擬應(yīng)力場(chǎng)。以郭屯煤礦4307工作面頂板賦存特征為對(duì)象，建立相似材料模型，模型幾何相似比例系數(shù)為1∶100，重力相似比為2∶3，時(shí)間相似比為1∶10，速度相似比為1∶10，位移相似比為1∶100，強(qiáng)度、彈模、黏聚力相似比為1∶150，內(nèi)摩擦角相似比為1∶1。模型尺寸為寬×高×厚=1.9m×1.50m×0.22m，模擬煤層頂板巖層100m，表土50m，煤層直接頂107mm，基本頂142mm，煤層厚度25mm，通過高分辨率相機(jī)進(jìn)行拍照。模型從右側(cè)邊界向左側(cè)開挖，分析上覆巖層運(yùn)動(dòng)。

2.2 厚層堅(jiān)硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)

從相似材料模擬試驗(yàn)過程如圖2—圖5所示，隨著工作面寬度的增加，上覆巖層呈現(xiàn)出不一樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面的寬度為50m時(shí)，直接頂垮落，基本頂成嵌固狀態(tài)，由于直接頂為厚硬巖層，直接頂將在采空區(qū)方向形成“倒直角梯形”懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示；當(dāng)工作面寬度為80m時(shí)，直接頂在采空區(qū)方向形成“L”型懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示；當(dāng)工作面寬度為100m時(shí)，直接頂在采空區(qū)方向形成“三角形” 懸臂梁結(jié)構(gòu)；當(dāng)工作面寬度為120m及以上時(shí)，基本頂斷裂，形成鉸接結(jié)構(gòu)，直接頂在采空區(qū)方向仍然存在“類三角形”懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于厚表土位于3下煤覆巖裂隙帶之上的彎曲下沉帶內(nèi)，厚表土作為給定載荷基本對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)影響較小。可以看出，隨著工作面長(zhǎng)度的不同，直接頂懸頂存在不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，雖然直接頂懸臂梁形態(tài)各異，但是在堅(jiān)硬直接頂和基本頂?shù)臈l件下，懸臂梁結(jié)構(gòu)一直存在于采空區(qū)上方，如果采用沿空留巷的方式，必須對(duì)懸臂梁進(jìn)行處理。

圖2 直接頂初次垮落

圖3 直接頂?shù)诙慰迓?/p>

圖4 直接頂?shù)谌慰迓?/p>

圖5 基本頂初次垮落

3 厚層堅(jiān)硬頂板無煤柱切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)

相似材料模擬表明，回采后堅(jiān)硬頂板沿空留巷側(cè)向頂板形成不易垮落的懸頂，如果不進(jìn)行干預(yù)，在上覆巖層的作用下，懸頂回轉(zhuǎn)下沉使沿空留巷圍巖承受因懸頂而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，厚層堅(jiān)硬頂板懸頂比一般頂板更大，產(chǎn)生的附加應(yīng)力增加，巷道變形嚴(yán)重。因此必須在工作面前方進(jìn)行預(yù)裂切頂，縮短頂板側(cè)向懸臂長(zhǎng)度，減弱側(cè)向覆巖的應(yīng)力傳遞，切頂范圍內(nèi)的巖層垮落后充填采空區(qū)，使得沿空留巷圍巖變形能顯著減小，并形成留巷的外幫(非采幫側(cè))，切頂留巷圍巖結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 切頂留巷圍巖結(jié)構(gòu)

對(duì)于厚層堅(jiān)硬頂板無煤柱切頂留巷，要做到：①“充得滿”，切頂后，在巖石碎脹作用下，切下來的懸頂充滿工作面端頭區(qū)域，形成非采幫，并限制高位巖層的運(yùn)動(dòng)；②“切得下”，通過設(shè)置角度合適的切頂縫，將頂板切下來；③“非對(duì)稱”的主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)，沿空留巷區(qū)域的圍巖結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱的，要控制圍巖變形，其支護(hù)也必須是非對(duì)稱的，找準(zhǔn)支護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域；④“擋得住”，切下來的頂板要限制其位置，不能進(jìn)入所留設(shè)的巷道中。

3.1 厚層堅(jiān)硬頂板切頂厚度設(shè)計(jì)

對(duì)于厚層堅(jiān)硬頂板，采用頂板定向切縫技術(shù)切斷巷道側(cè)上方直接頂或部分直接頂，當(dāng)計(jì)算的高度高于直接頂，則需要切落部分基本頂，減少懸臂長(zhǎng)度，使得冒落的懸臂在工作面端頭區(qū)域形成墊層，具有碎脹特性的墊層能對(duì)上覆巖層起到有效支撐作用，保持基本頂?shù)姆€(wěn)定。

切頂高度h根據(jù)碎脹系數(shù)按下式進(jìn)行計(jì)算：

h=(m-Δh1-Δh2)/(K-1)

式中，m為煤層采高，m；Δh1為頂板下沉量，m；Δh2為底鼓量，m；K為頂板碎脹系數(shù)，直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)取1.35，不考慮頂板下沉量和底鼓量，采高最小2.8m，考慮一定的富裕系數(shù)，按照采高3m計(jì)算，考慮0.1m誤差的情況下，可得h為8.7m，故切頂高度為8.7m。從柱狀圖來看，切頂厚度位于直接頂10.68m的細(xì)砂巖之內(nèi)。

3.2 厚層堅(jiān)硬頂板切頂角度設(shè)計(jì)

切頂角度是切縫線與垂直線之間的夾角，為了使切縫后采空區(qū)頂板能順利垮落，切頂角度α要根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)切落頂板厚度小于直接頂?shù)暮穸龋捎谥苯禹斣诓煽諈^(qū)形成懸頂，不存在鉸接結(jié)構(gòu)，因此直接頂在工作面回采后容易垮落，其切頂角度α一般不大于10°，若切頂高度大于直接頂，要切落具有鉸接作用的基本頂，則需要根據(jù)砌體梁和圍巖結(jié)構(gòu)S-R穩(wěn)定理論計(jì)算切頂角度，所計(jì)算的切頂角度α一般要大于直接頂?shù)那许斀嵌?，切頂角度?5°左右。根據(jù)4307工作面所計(jì)算的切頂厚度的實(shí)際情況，切頂角度設(shè)計(jì)成8°夾角，距巷中1800mm(偏采幫)，距幫部450mm。為減少切頂爆破對(duì)頂板采幫側(cè)錨索的破壞，孔間距為500mm。

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。預(yù)裂切縫使用隔孔爆破方式進(jìn)行爆破，預(yù)每孔采用5根雙向聚能管(6.7m)，共裝14卷炸藥進(jìn)行預(yù)裂爆破，布置方式從上往下為“4-3-3-3-1”，炮泥封堵長(zhǎng)度為2m，爆破孔位置位于巷道頂板兩根錨索之間，與其相距600mm。

3.3 厚煤層堅(jiān)硬頂板非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)沿空留巷的圍巖結(jié)構(gòu)和工作面前后支承壓力顯現(xiàn)的不同，沿空留巷的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)和工作面前后的臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)體現(xiàn)出非對(duì)稱的支護(hù)特性。切頂留巷非采幫部不能有效支撐巷道頂板，雖然進(jìn)行了切頂，但懸頂結(jié)構(gòu)依然存在，懸頂結(jié)構(gòu)仍受到上覆巖層載荷的作用，其變形仍然是非采幫側(cè)頂板變形量大，因此，在頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)、單元支架臨時(shí)支護(hù)等均要采用非對(duì)稱支護(hù)?？紤]到工作面附近支承壓力的特征、巷道圍巖結(jié)構(gòu)的變化等，運(yùn)輸平巷的臨時(shí)支護(hù)可以分成三個(gè)區(qū)域，超前支護(hù)區(qū)，架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

3.3.1 巷道頂板非對(duì)稱錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為切頂高度8.7m+2.0m+外露長(zhǎng)度150mm，錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為10.85m。采用頂板打設(shè)三排?21.8mm×10850mm普通錨索配合木墩支護(hù)，距巷中1.8m施工8700mm切頂孔，三排錨索中間排中線偏非采幫300mm，間距1000mm，采用W鋼帶連接成一條直線；采幫側(cè)中線偏采幫1300mm，間距800mm，采用W鋼帶連接成一條直線；非采幫側(cè)中線偏非采幫1800mm，間距1600mm。

3.3.2 巷道頂板非對(duì)稱臨時(shí)支護(hù)

根據(jù)以往深井工作面回采現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同支護(hù)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，超前支護(hù)區(qū)位于工作面前方120m，架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)在架后0～300m區(qū)間，成巷穩(wěn)定區(qū)位于架后300m之后。

超前支護(hù)區(qū)巷道采用單元支架支護(hù)，采用一列ZQ4000/20.6/45型液壓?jiǎn)卧Ъ懿贾镁嘞镏?.9m(偏非采幫)，間距4.0m。臨時(shí)支護(hù)區(qū)巷道位于工作面后方影響區(qū)，根據(jù)4307工作面生產(chǎn)條件實(shí)際情況，留巷段采用一列單元支架+一列單體支柱支護(hù)，單元支架距巷中0.7m(偏采空側(cè))、間距4.0m，超前和臨時(shí)支護(hù)區(qū)單元支架的初撐力為24MPa。單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護(hù)，距巷中1.5m(偏非采幫)一梁兩柱，單體液壓支柱的初撐力為11MPa。留巷穩(wěn)定區(qū)每隔2m保留一排“一梁兩柱”。

3.3.3 巷道非采幫擋矸支護(hù)

擋矸采用鋼筋網(wǎng)配合U型鋼進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)，U型鋼排距500mm。鋼筋網(wǎng)采用直徑為6mm的鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)尺寸為4200mm×2000mm，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間重疊100mm，鋼筋網(wǎng)與原支護(hù)的鋼筋網(wǎng)搭接，之間布置廢舊風(fēng)筒布，用于采空區(qū)的防風(fēng)，滯后30m進(jìn)行噴漿支護(hù)。

U型鋼長(zhǎng)2.6m，采用兩副特制卡攬連接，卡攬上下沿距U型鋼搭接端頭各100mm，搭接長(zhǎng)度不小于0.7m。U型鋼底部埋入底板以下不少于300mm，上部焊接300mm圓鋼插入頂板不少于150mm。

4 無煤柱切頂留巷工程應(yīng)用

4.1 留巷圍巖變形分析

為了驗(yàn)證上述無煤柱切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用效果，在4307工作面軌道運(yùn)輸平巷設(shè)計(jì)兩個(gè)礦壓監(jiān)測(cè)斷面，第一個(gè)位于工作面位置，該工作面距離切眼200m，在該斷面設(shè)計(jì)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用來觀測(cè)留巷頂板、兩幫和底板的變形量，第二個(gè)位于工作面前方120m，在該斷面設(shè)計(jì)2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用來監(jiān)測(cè)錨索工作阻力，斷面內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的位置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)(mm)

切頂留巷錨索工作阻力變化規(guī)律如圖9所示，錨索在超前工作面50m時(shí)開始變化并迅速增大，工作面推過該斷面后，在工作面后方40m之內(nèi)錨索工作阻力變化明顯，說明在該范圍內(nèi)覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈，在工作面推過約240m后，錨索工作阻力趨于穩(wěn)定。沿空側(cè)和巷道中心線位置的錨索工作阻力的變化曲線表明，錨索工作阻力沿空側(cè)頂板大于巷道中心位置，說明沿空側(cè)頂板變形大于非沿空側(cè)。切頂留巷頂板變形量如圖10所示，滯后工作面30m之內(nèi)頂板變形相對(duì)平緩，在30～100m范圍內(nèi)頂變形速度快，在100～240m范圍內(nèi)變形速度趨于平緩。留巷基本穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為沿空側(cè)282mm。從實(shí)體幫側(cè)、巷道中心線和沿空側(cè)頂板下沉量變化規(guī)律可以看出，頂板變形量從實(shí)體幫側(cè)向沿空側(cè)呈增加趨勢(shì)，穩(wěn)定后可以看出沿空側(cè)比實(shí)體幫側(cè)下沉量增加約130mm。錨索工作阻力和頂板變形量均表明：堅(jiān)硬頂板切頂留巷頂板受力和變形均呈現(xiàn)非對(duì)稱特征，因此采用非對(duì)稱支護(hù)的思路是正確的。

圖9 切頂留巷錨索工作阻力

圖10 切頂留巷頂板變形量

切頂留巷兩幫的變形量如圖11所示，工作面后部25～50m段兩幫變形速度快，說明該段巷道在靜壓和動(dòng)壓的雙重作用下，巷道兩幫擠出嚴(yán)重。工作面后部100m處，兩幫的變形趨于穩(wěn)定，實(shí)體幫變形最大值約460mm，矸石幫變形最大值約270mm，底鼓量約380mm。在實(shí)體幫比矸石幫變形量大主要原因是頂板的載荷主要由實(shí)體幫承載，并轉(zhuǎn)移至底板，造成了實(shí)體幫和底板變形量比矸石幫大。

圖11 切頂留巷兩幫變形量

4.2 留巷效果分析

4307軌道運(yùn)輸平巷留巷穩(wěn)定后，巷道斷面最終尺寸約為3970mm×3200mm，較原斷面收縮約22.1%，由于4307軌道運(yùn)輸平巷在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮留巷時(shí)的斷面收縮，原斷面設(shè)計(jì)比實(shí)際使用斷面要大，通過對(duì)底鼓量較大的底板進(jìn)行臥底、對(duì)變形較大的實(shí)體幫部進(jìn)行刷幫等措施，處理后使得斷面能滿足使用要求。

5 結(jié) 論

1)相似材料表明，厚表土堅(jiān)硬頂板采場(chǎng)側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)隨著工作面長(zhǎng)度不同呈現(xiàn)出“L”型、“三角形”和“類三角形”等懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于厚表土位于3下煤覆巖裂隙帶之上的彎曲下沉帶內(nèi)，厚表土作為給定載荷基本對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)影響較小。厚層堅(jiān)硬頂板的懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)沿空留巷影響較大，必須對(duì)懸臂梁進(jìn)行切頂處理。

2)對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板無煤柱切頂留巷提出了“充得滿”“切得下”“非對(duì)稱”支護(hù)和“擋得住”四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)4307工作面實(shí)際情況對(duì)這四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

3)厚層堅(jiān)硬頂板無煤柱切頂留巷工程實(shí)踐表明，滯后工作面30m內(nèi)頂板變形相對(duì)平緩，在30～100m范圍內(nèi)頂變形速度快，在100～240m范圍內(nèi)變形速度趨于平緩。監(jiān)測(cè)表明，實(shí)體幫和底鼓量變形較大，頂板和矸石幫變形較小。4307軌道運(yùn)輸平巷留巷穩(wěn)定后，較原斷面收縮約22.1%。由于4307軌道運(yùn)輸平巷在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮留巷時(shí)的斷面收縮，原斷面設(shè)計(jì)比實(shí)際使用斷面要大，因此留巷收縮后的斷面基本能滿足回采復(fù)用的要求。