綜放工作面沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉兵晨，秦建飛，許向前

(1.晉能控股集團(tuán)晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3.山西科技學(xué)院，山西 晉城 048000)

綜放沿空留巷技術(shù)可提高煤炭資源回采率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)往復(fù)式無煤柱開采和Y型通風(fēng)，是綜放工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、解決上隅角瓦斯積聚的關(guān)鍵技術(shù)，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，是我國煤炭資源綠色開采和科學(xué)開采的重要組成部分[1-5]。

近半個(gè)多世紀(jì)以來，沿空留巷技術(shù)在我國條件較好的薄及中厚煤層得到了廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者圍繞沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律，圍巖與支護(hù)相互作用關(guān)系，巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及巷旁支護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行了大量研究[6]，如：楊德傳[7]基于關(guān)鍵層理論，建立了深部沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出了分段分區(qū)加固的圍巖變形控制技術(shù)；侯朝炯等[8]提出影響留巷穩(wěn)定性的“大小結(jié)構(gòu)”觀點(diǎn)，認(rèn)為“小結(jié)構(gòu)”自身穩(wěn)定性是留巷能否成功的關(guān)鍵因素；韓昌良[9]通過分析圍巖應(yīng)力演化規(guī)律和分布特征，提出了留巷區(qū)域應(yīng)力優(yōu)化的思路；華心祝等[10]在考慮巷幫煤體承載作用的基礎(chǔ)上，分析了巷內(nèi)基本支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)的作用機(jī)理；汪文勇等[11]利用有限差分法分析了埋深超千米的沿空留巷在整個(gè)回采過程中的應(yīng)力分布及變形特征，并確定了錨桿的合理預(yù)緊力區(qū)間；韓昌良等[12]解釋了堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷“卸壓—錨固”雙重主動(dòng)控制原則，即通過控制頂板破斷位置、時(shí)序和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頂板“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定，以及通過構(gòu)建上覆巖層淺部“基礎(chǔ)承載圈”和深部“強(qiáng)化承載圈”實(shí)現(xiàn)巷道“小結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定，工程實(shí)踐表明該方法可有效提高錨固系統(tǒng)支護(hù)效能，優(yōu)化沿空留巷應(yīng)力環(huán)境；張自政等[13]提出了沿空留巷不均衡承載系數(shù)，即實(shí)體煤幫承載與巷旁支護(hù)體承載的比值，通過分析其影響因素和變化規(guī)律，對(duì)高水材料巷旁支護(hù)體沿空留巷不均衡承載特征進(jìn)行驗(yàn)證，并將該研究成果應(yīng)用于大采高開采條件下的沿空留巷；朱川曲等[14-15]基于沿空留巷圍巖變形特征，將工程結(jié)構(gòu)可靠性理論應(yīng)用于沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性分析，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠度的理論表達(dá)式，并據(jù)此提出了增強(qiáng)沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的方法。

上述研究為沿空留巷技術(shù)的成功實(shí)施提供了借鑒，但留巷圍巖需經(jīng)受本工作面及下一工作面的強(qiáng)烈采動(dòng)影響，維護(hù)周期長、破壞范圍廣、變形量大且變形不均衡，常因支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而造成頂板事故或巷道斷面收縮過大，無法滿足下一工作面正?；夭傻男枰?。

筆者以成莊煤礦4311綜放工作面沿空留巷為工程背景，從分析沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)特征和覆巖活動(dòng)規(guī)律入手，建立頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，在巷內(nèi)支護(hù)和巷旁充填體材料與尺寸確定的情況下，對(duì)“頂板錨固結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和巷旁充填體”組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果可為相似工況條件下該項(xiàng)技術(shù)的推廣提供指導(dǎo)。

1 工程概況與支護(hù)條件

1.1 工程概況

試驗(yàn)巷道為成莊煤礦4311綜放工作面運(yùn)輸巷，工作面埋深為480 m，工作面長度210 m，全部垮落法處理采空區(qū)，煤層平均厚度為6.3 m，煤層傾角為3°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值為2～4，屬中硬煤層；直接頂?shù)闹饕煞质呛谏鄮r，厚度 2.45 m，層理較為發(fā)育，基本頂成分主要為砂質(zhì)泥巖，厚度為10.1 m；直接底和老底為總厚15.51 m的砂質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装鍘r性及參數(shù)見表1。

表1 煤層頂、底板巖性及參數(shù)

選用無機(jī)雙液高水充填材料充填，其具有速凝早強(qiáng)特性，水灰比為1.5∶1.0，2 h、1 d、3 d和7 d的單軸抗壓強(qiáng)度分別為3.2、5.5、7.5、9.2 MPa。巷旁充填體尺寸為3.0 m(長)×2.0 m(寬)×3.2 m(高)，采用柔模吊袋連續(xù)制漿工藝。

1.2 支護(hù)條件

試驗(yàn)巷道斷面尺寸為5.0 m(凈寬)×3.2 m(凈高)，斷面為矩形，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。巷道支護(hù)如圖1所示。

(a)頂板支護(hù)

2 沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定機(jī)理

沿空留巷位于采空區(qū)邊緣，其穩(wěn)定性取決于上覆巖層破斷的力學(xué)響應(yīng)，研究其覆巖結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定機(jī)理是對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.1 沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)特征

煤層頂?shù)装鍘r性及參數(shù)見表1，根據(jù)關(guān)鍵層理論[16]，由式(1)確定關(guān)鍵層載荷，式(2)判別關(guān)鍵巖層位置：

(1)

q1(x)|n+1

(2)

關(guān)鍵層破斷距Lk由式(3)和式(4)確定：

(3)

Lk

(4)

式中：q1(x)|n為第n層巖層對(duì)第1層巖層形成的載荷；Ei為第i層巖層的彈性模量；hi為第i層巖層的厚度；γi為第i層巖層的容重；hk為第k層巖層的厚度；Rk為第k層巖層的抗拉強(qiáng)度；qk為第k層巖層的載荷。

經(jīng)計(jì)算可知，覆巖C2、C10和C14為關(guān)鍵巖層(見表1)，破斷距分別為L2=31.01 m、L10=42.43 m和L14=10.01 m。由此可判定覆巖C10為主關(guān)鍵層，C2為第一亞關(guān)鍵層，C14為第二亞關(guān)鍵層。

2.2 沿空留巷覆巖活動(dòng)規(guī)律

研究表明[17]，沿空留巷上覆巖層活動(dòng)可分為3個(gè)時(shí)期，即活動(dòng)前期、活動(dòng)過渡期、活動(dòng)穩(wěn)定期。

1)活動(dòng)前期：直接頂C1為厚2.45 m的軟弱泥巖，在自重及巷旁充填體早強(qiáng)支護(hù)阻力的作用下，將沿巷旁充填體邊緣切斷，上方第一亞關(guān)鍵層C2與受其控制的C3～C9隨動(dòng)層破斷后呈“倒臺(tái)階”狀，采空區(qū)基本被填滿。該時(shí)期的覆巖活動(dòng)以直接頂回轉(zhuǎn)垮落為主要特征。

2)活動(dòng)過渡期：隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)垮落矸石逐漸被壓實(shí)，主關(guān)鍵層C10在采空區(qū)側(cè)發(fā)生破斷后形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，由于“硬集多載”效應(yīng)，采空區(qū)垮落矸石的剛度與煤體的剛度不匹配，導(dǎo)致實(shí)體煤幫深處出現(xiàn)應(yīng)力集中。該時(shí)期的覆巖活動(dòng)以基本頂在采空區(qū)側(cè)和實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力調(diào)整為主要特征。

3)活動(dòng)穩(wěn)定期：沿空巷道處于主關(guān)鍵層C10破斷后形成的穩(wěn)定鉸接結(jié)構(gòu)保護(hù)之下，支承應(yīng)力較小。該時(shí)期覆巖活動(dòng)以實(shí)體煤側(cè)塑性區(qū)擴(kuò)展和頂板平行下沉為主要特征。

2.3 覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

根據(jù)上述對(duì)沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)和活動(dòng)規(guī)律的分析，在各層上選一條沿空留巷載荷最大的單位寬度條帶作為計(jì)算單元，一側(cè)以煤幫松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)交界位置為支點(diǎn)，忽略層面內(nèi)應(yīng)力引起的彎矩，只考慮巖層自重載荷的作用，利用疊加層板條帶分割法建立實(shí)體煤幫承載作用的覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[18-22]，如圖2所示。

(a)上覆巖層結(jié)構(gòu)

1)應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度和支承應(yīng)力

應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0和支承應(yīng)力σy分別按式(5)和(6)計(jì)算：

(5)

(6)

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)；W為煤層高度；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖平均重度；H為煤層埋深；C0和φ0分別為煤層與頂?shù)装鍘r層接觸面黏聚力和內(nèi)摩擦角；px為實(shí)體煤幫支護(hù)阻力。

2)巷旁充填體支護(hù)阻力

第一層情況：

DE段：

∑Fy=0，F(xiàn)D1-q1L1=0，則FD1=γhL1

AD段：

∑M=0

極限條件下MA1=MP1，則：

(7)

式中：FD1為D點(diǎn)覆巖C1破斷塊之間的剪力；MP1、MA1分別為覆巖C1的極限彎矩和抗彎彎矩；c、d分別為留巷寬度和充填體寬度；p1為第一層情況下的支護(hù)阻力。

在第一層，切頂阻力主要由巷旁充填體等人工支護(hù)提供，第二層及以上巖層則需考慮已垮巖層殘留邊界的作用，第m層情況：

(8)

3)巷旁充填體壓縮量

覆巖關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉屬于“給定變形”，巷旁充填體壓縮量S由式(9)和(10)計(jì)算：

(9)

Sd=h(1-cosα)+Lsinα

(10)

式中：Sd為關(guān)鍵塊觸矸位置的下沉量；h和L分別為覆巖關(guān)鍵塊的厚度和長度。

結(jié)合工作面實(shí)際開采參數(shù)，將λ=0.5，W=6.3 m，K=1.2，γ=26 kN/m3，H=480 m，C0=0.02 MPa，φ0=20°，px=0.6 MPa，c=3 m，d=2 m，代入各公式后計(jì)算可得：①實(shí)體煤側(cè)極限平衡區(qū)寬度和支承應(yīng)力分別為7.8 m和7.39 MPa；②巷旁充填體支護(hù)阻力為2 296 kN/m；③巷旁充填體壓縮量為457 mm。

以上分析得到的沿空留巷的覆巖結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定機(jī)理,特別是理論計(jì)算得出的極限平衡區(qū)寬度和充填體支護(hù)阻力,為留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。

3 沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

相對(duì)于由深部煤幫、關(guān)鍵塊、采空區(qū)矸石組成的上覆巖層大結(jié)構(gòu)而言，頂板錨固結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和巷旁充填體共同組成了沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和與外部圍巖力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性決定了沿空留巷的穩(wěn)定性。

3.1 巷旁充填體

覆巖活動(dòng)前期，構(gòu)筑具有較高早期強(qiáng)度的巷旁充填體，有利于及時(shí)切頂形成垮落帶，垮落矸石充滿采空區(qū)后，不僅可減少更高層位巖層的下沉空間，還可發(fā)揮承載作用，降低巷旁充填體承受的支護(hù)阻力；覆巖活動(dòng)過渡期，老頂運(yùn)動(dòng)劇烈，要求巷旁充填體具有足夠支撐力的同時(shí)，還應(yīng)有一定的可縮量，以適應(yīng)基本頂應(yīng)力調(diào)整；覆巖活動(dòng)穩(wěn)定期，巷旁充填體需要有較高的殘余強(qiáng)度來支撐垮落帶范圍內(nèi)巖層的重量。

巷道充填體預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)如圖3所示。使用6根鋼筋梯及9根對(duì)穿鋼筋固定巷道旁充填體，為保證鋼筋梯底部穩(wěn)定，選用三角架結(jié)構(gòu)。在充填工藝的最后階段加入可壓縮率為60%的發(fā)泡材料，并在巷道旁充填體上部布置可壓縮層，以滿足工程需要。

(a)正視圖

3.2 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

頂板每排補(bǔ)打3根錨索，與原錨索形成“2-3-2-3”布置形式，排距選用2 m。其中，1#補(bǔ)強(qiáng)錨索主要作用為輔助巷旁充填體切頂，應(yīng)緊貼工作面?zhèn)让罕谑┕?，連接方式采用鋼筋梁；2#補(bǔ)強(qiáng)錨索主要用于加固巷旁充填體上方頂板，應(yīng)在巷旁充填體正上方施工，采用工字鋼連接；3#補(bǔ)強(qiáng)錨索主要作用為強(qiáng)化留巷頂板穩(wěn)定性，應(yīng)在巷道實(shí)體煤側(cè)1 m處施工，采用鋼筋梯梁連接。頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖4所示。

圖4 頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3.3 實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

實(shí)體煤幫在關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，塑性區(qū)增大，出現(xiàn)強(qiáng)烈的擴(kuò)容變形。原實(shí)體煤幫支護(hù)設(shè)計(jì)僅有長度為2.4 m錨桿支護(hù)，過短的錨桿支護(hù)長度難以形成有效支護(hù)。實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖5所示。錨索采用“三花”布置形式，間距1.5 m，排距2.0 m。

圖5 實(shí)體煤幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3.4 巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支護(hù)

巷內(nèi)支護(hù)的方式難以保證巷道穩(wěn)定，尤其在覆巖活動(dòng)過渡期，應(yīng)力調(diào)整劇烈，圍巖變形量大。輔助加強(qiáng)支護(hù)有利于平衡覆巖劇烈活動(dòng)，減輕對(duì)實(shí)體煤幫和巷旁充填體的動(dòng)壓影響。

在超前工作面30 m范圍內(nèi)采用單體柱加鉸接頂梁支護(hù)，單體柱每排布置1根，排距為1 m，鉸接頂梁長度1.2 m；巷旁充填體對(duì)穿鋼筋施加預(yù)緊力后，補(bǔ)打單體柱，鉸接頂梁連接，形成“一梁三柱”布置形式，待留巷圍巖穩(wěn)定后拆除。

4 工程實(shí)際監(jiān)測

為判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是否合理，掌握沿空留巷在服務(wù)期內(nèi)的覆巖活動(dòng)情況和圍巖穩(wěn)定性，根據(jù)前述研究成果進(jìn)行了礦壓觀測。

4.1 巷道表面位移

沿空留巷圍巖表面位移觀測主要采用十字布點(diǎn)法，在留巷內(nèi)共布置5個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距50 m。巷道表面位移觀測結(jié)果如圖6所示。

(a)兩幫位移量

由圖6可知：巷道兩幫最終位移量小于500 mm，且實(shí)體煤幫位移量與巷旁充填體位移量基本一致，在250 mm內(nèi)；頂?shù)装逦灰屏啃∮?00 mm，且頂板下沉量與底鼓量均小于300 mm，其中實(shí)測的頂?shù)装逦灰屏?500 mm)與理論計(jì)算得出的巷旁充填體壓縮量(457 mm)相近；工作面后方70～80 m內(nèi)巷旁充填體位移速度達(dá)到最大，約為53 mm/d，工作面后方120 m內(nèi)實(shí)體煤幫位移速度最大,達(dá)到了44 mm/d；工作面后方150 m以遠(yuǎn)，巷道圍巖活動(dòng)基本趨于穩(wěn)定；工作面后方100 m內(nèi)頂?shù)装逦灰屏亢臀灰扑俣冗_(dá)到最大，占總位移量的80%左右。

4.2 沿空留巷圍巖活動(dòng)分區(qū)特征

由沿空留巷表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可得各分區(qū)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2所示。

表2 沿空留巷各分區(qū)位移統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可知，沿空留巷圍巖變形量在覆巖活動(dòng)前期、過渡期和穩(wěn)定期所占比例分別為12%、77%和11%，圍巖變形量主要集中在覆巖活動(dòng)過渡期；原留巷斷面為3.0 m×3.2 m，最終留巷斷面約為2.3 m×2.7 m，巷道整體維護(hù)效果良好。沿空留巷支護(hù)效果如圖7所示。

圖7 沿空留巷支護(hù)效果圖

5 結(jié)論

1)根據(jù)關(guān)鍵層理論，對(duì)綜放沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)和覆巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，建立了覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得到對(duì)“頂板錨固結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和巷旁充填體”組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路。

2)成莊煤礦4311綜放工作面沿空留巷時(shí)，位于裂隙帶第10層巖層是影響沿空留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主關(guān)鍵層，實(shí)體煤側(cè)極限平衡區(qū)寬度和支承應(yīng)力分別為7.8 m和7.39 MPa，所需巷旁充填體支護(hù)阻力和壓縮量分別為2 296 kN/m和457 mm。

3)在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)“頂板錨固結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和巷旁充填體”組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)沿空留巷圍巖變形進(jìn)行礦壓觀測。監(jiān)測結(jié)果表明，沿空留巷圍巖變形量主要集中在覆巖活動(dòng)過渡期，最終留巷斷面為2.3 m×2.7 m，巷道整體維護(hù)效果良好。