雙層近距離堅硬頂板切頂成巷圍巖控制技術(shù)

王成帥，黃玉誠，郭俊慶，沈玉旭，4，王希明，趙鵬飛，曹政權(quán)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.山西省能源職業(yè)學(xué)校(山西省能源職工教育中心)，山西 太原 030012；3.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；4.山西能源學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 晉中 030600；5.山西靈石華瀛天星柏溝煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031300)

沿空留巷無煤柱開采技術(shù)因其高回采率、低掘進(jìn)率、減弱上煤層煤柱對下煤層安全開采的影響等優(yōu)點，在我國煤礦中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。眾多學(xué)者對厚煤層、堅硬頂板等困難條件下的沿空留巷圍巖控制技術(shù)做出了研究。如王凱等[1]針對古城煤礦軟弱厚煤層工作面，認(rèn)為沿煤層底板留巷時頂板承載能力差，導(dǎo)致頂板大幅下沉甚至冒落，進(jìn)而提出“柔?；炷料锱灾ёo(hù)+沿煤層頂板布置沿空留巷+澆筑巷旁支護(hù)基礎(chǔ)+錨索加固幫部”的協(xié)同變形支護(hù)體系。王恩等[5]以左則溝煤礦緩斜工作面為工程背景，提出防治上側(cè)采空區(qū)矸石擠壓巷旁充填體的雙通道沿空留巷技術(shù)。Shen等[6]針對近距離煤層煤柱下的沿空留巷大變形問題，在分析下煤層巷道圍巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上，提出“切頂+頂板恒阻大變形錨索+液壓單體支柱”的圍巖控制方案。王志強(qiáng)[7]等針對淺埋煤層條件，采用FLAC3D模擬、力學(xué)分析和工程實例相結(jié)合的方法，確定五家溝煤礦沿空留巷所需的柔模墻體寬度為1.5 m。顏丙雙[8]針對三江煤礦淺埋大采高開采條件，采用力學(xué)分析手段確定采用“支卸組合-泵充混凝土支柱”技術(shù)，圍巖控制效果較好。在沿空留巷過程中，若頂板和兩幫較大的垂直應(yīng)力傳遞至底板，則底板塑性滑移產(chǎn)生大變形，采用切頂卸壓技術(shù)能夠有效減小底板變形量[9，10]。切頂卸壓控制沿空留巷圍巖變形的原理為一方面切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板之間的力學(xué)聯(lián)系[11]，另一方面減小巷道上方堅硬頂板下沉量[12]，達(dá)到主動改變留巷圍巖受力狀態(tài)、圍巖變形的目的[13]。上述研究促進(jìn)了沿空留巷技術(shù)在厚煤層、堅硬頂板等困難條件下的發(fā)展和應(yīng)用。然而，雙層近距離堅硬頂板下切頂卸壓沿空留巷技術(shù)有待于進(jìn)一步研究。鑒此，以柏溝煤業(yè)090109工作面為工程背景，通過理論分析和現(xiàn)場探測闡明090109運輸巷道圍巖大變形特征及機(jī)制，結(jié)合數(shù)值模擬分析切頂參數(shù)與控制巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)系，提出雙層近距離堅硬頂板下切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)并進(jìn)行工程應(yīng)用。

1 工程概況

柏溝煤業(yè)所采9號煤層平均厚度1.3 m，煤層傾角2°～11°?；卷敒槠骄穸?.7 m的K2灰?guī)r；間隔K2灰?guī)r上方4.6 m為平均厚度5.77 m的K3灰?guī)r。底板為平均厚度5.67 m的砂質(zhì)泥巖。9號煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。為了提高煤炭采出率，緩解采掘緊張，降低9號煤遺留煤柱對10號煤開采的安全隱患，如圖2所示，對090109運輸巷道實施切頂卸壓沿空留巷，作為下一工作面的回采巷道。090109運輸巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，斷面寬×高=4.4 m×2.5 m，全斷面采用錨網(wǎng)支護(hù)。

圖1 9號煤層頂?shù)装鍘r性

圖2 090109工作面切頂留巷

2 沿空留巷圍巖大變形分析

2.1 礦壓顯現(xiàn)特征

柏溝煤業(yè)090109運輸巷道采用切頂卸壓留巷，初始設(shè)計切頂高度為5 m，切頂角度為10°。根據(jù)現(xiàn)場觀測090109運輸巷道留巷初期的情況，發(fā)現(xiàn)留巷圍巖變形主要表現(xiàn)出3種特征：頂?shù)装迨湛s嚴(yán)重，最大頂?shù)装逑鄬σ平繛?20 mm，且采空區(qū)側(cè)頂?shù)装迨湛s量大于實體煤側(cè)；實體煤幫變形相對不大，其變形量為487 mm；巷道圍巖處于長期流變變形狀態(tài)，圍巖變形穩(wěn)定時滯后工作面的距離超過230 m。

2.2 礦壓顯現(xiàn)機(jī)制

現(xiàn)場觀測表明，在切頂高度為5 m、切頂角度為10°條件下，柏溝煤業(yè)090109運輸巷道實際斷面尺寸已不能滿足留巷要求，其圍巖大變形主要原因一方面為采空區(qū)上方的雙層堅硬頂板將采空區(qū)上覆巖層載荷傳遞至巷道圍巖并帶動巷道頂板同步下沉，另一方面為錨桿支護(hù)作用范圍小，不能控制巷道頂板內(nèi)雙層堅硬頂板間軟弱巖層的離層。

通過頂板鉆孔窺視結(jié)果可知(圖3)，當(dāng)切頂卸壓高度為5 m、切頂角度為10°時，K2灰?guī)r頂板在采空區(qū)側(cè)的裂隙發(fā)育高度為5.2～5.4 m，小于其厚度，即煤層上方的堅硬頂板不能在采空區(qū)側(cè)完全破斷，形成了雙層“砌體梁”結(jié)構(gòu)(圖4)。采空區(qū)上方的雙層堅硬頂板彎曲下沉?xí)r迫使巷道頂板下沉，并將采空區(qū)上覆巖層載荷轉(zhuǎn)移至巷道頂板，巷道兩幫和底板在高應(yīng)力作用下塑性擴(kuò)容產(chǎn)生大變形。另外，K2灰?guī)r不完全破斷導(dǎo)致其下沉緩慢，雙層堅硬頂板間的軟弱巖層不能及時垮落充滿采空區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖處于流變變形狀態(tài)。原支護(hù)方案中頂板僅采用錨桿支護(hù)，無法抵抗層間軟弱巖層裂隙節(jié)理發(fā)育導(dǎo)致的頂板離層。頂板離層進(jìn)一步增加了巷道頂板下沉量。上述兩方面共同作用使巷道圍巖整體失穩(wěn)。

圖3 K2灰?guī)r裂隙發(fā)育高度鉆孔窺視結(jié)果

圖4 雙層堅硬頂板的“砌體梁”結(jié)構(gòu)

3 沿空留巷切頂卸壓圍巖控制技術(shù)

切頂卸壓的關(guān)鍵在于采用爆破或水力壓裂等技術(shù)使煤層上方的堅硬頂板破斷結(jié)構(gòu)由“砌體梁”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為“懸臂梁”或“短砌體梁”[14，15]結(jié)構(gòu)，否則切頂卸壓效果不顯著。理想的雙層堅硬頂板切頂卸壓后的巖層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙層堅硬頂板切頂卸壓巖層結(jié)構(gòu)

研究表明，切頂高度和切頂角度是影響沿空留巷效果的直接因素[16-19]，因此通過理論和數(shù)值模擬分析切頂高度和角度對沿空留巷圍巖應(yīng)力和變形的影響，從而得到合理的切頂高度和角度。

3.1 切頂高度的確定

最佳切頂高度應(yīng)保證切落后的頂板巖塊能夠充滿采空區(qū)，理想狀態(tài)下的切頂高度應(yīng)滿足式(1)：

式中，h為切頂高度，m；M為采高，取1.3 m；k為頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.19，則理論計算得切頂高度為6.8 m。

綜合考慮090109工作面實際地質(zhì)條件及計算過程的復(fù)雜程度，采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立計算模型(圖6)，模型模擬巷道寬度為4.4 m，兩側(cè)實體煤各75 m(工作面長150 m，考慮對稱性取其一半)，模型尺寸長×寬×高=154.4 m×200 m×59.3 m。模型四周和底部為位移邊界，其中四周限制水平位移，底部限制水平位移和垂直位移；模型頂部為應(yīng)力邊界，按均布載荷施加上覆巖層重力為8.2 MPa。應(yīng)力測線和位移測點布置如圖7所示。模型巖石力學(xué)參數(shù)和模型巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)分別見表1、表2。

表1 模型巖石力學(xué)參數(shù)

表2 模型巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

圖6 數(shù)值模型(m)

圖7 不同切頂高度下090109運輸巷道圍巖位移

為確定合理的切頂高度，使用3DEC數(shù)值模擬軟件，選取切頂高度分別為3，4，5，6，7，8 m，共計6個模擬方案，模擬過程中保持其他參數(shù)不變，切頂角度均為15°，分析切頂高度對090109運輸巷道沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布特征、水平應(yīng)力分布特征和變形量的影響。不同切頂高度下圍巖位移如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)切頂高度從3 m增加至8 m，頂板變形量減小了201 mm，底板變形量減小了116 mm，實體煤幫變形量減小了266 mm。

實體煤幫應(yīng)力隨切頂高度的變化如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)切頂高度為3～5 m時，實體煤幫最大垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力差異不顯著，當(dāng)切頂高度為6～8 m時，實體煤幫最大垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力差異不顯著，但當(dāng)切頂高度由5 m增加至6 m，實體煤內(nèi)最大垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力分別減小了7.8 MPa和4 MPa。即隨著切頂高度的增加，實體煤幫的最大垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力降低。結(jié)合圖8可知，當(dāng)切頂高度為3～5 m時，煤層回采后采空區(qū)頂板未沿切縫發(fā)生破斷切落，在煤層頂?shù)装彘g形成一個“弧形三角板”支撐的未被矸石充填的空區(qū)，K2灰?guī)r頂板彎曲下沉對巷道頂板施加有一個較大的垂直作用力；當(dāng)切頂高度不小于6 m時，煤層回采后采空區(qū)頂板中的K2灰?guī)r沿切縫完全破斷，該巖層失去傳遞力的作用，并且層間軟弱巖層垮落后充填采空區(qū)程度增加，對上層堅硬巖層形成支撐作用力，導(dǎo)致巷道實體煤幫應(yīng)力值較小。綜合圖7和圖8可知，當(dāng)切頂高度能夠使基本頂完全破斷，并且雙層堅硬頂板間的軟弱巖層垮落能夠充滿采空區(qū)，該切頂高度即可滿足工程需要。

3.2 切頂角度的確定

合理的切頂角度有助于采空區(qū)頂板垮落，頂板巖層斷裂后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)需滿足式(2)[20]：

式中，α為切頂角度，(°)；λ為巖層體積力，取0.026 MN/m3；L為工作面長度，取150 m；T為水平推力，取73.1 MN；φ為巖塊內(nèi)摩擦角，取22.5°，則理論計算得切頂角度為13.4°。

為確定合理的切頂角度，使用3DEC數(shù)值模擬軟件，選取切頂角度分別為0°，5°，10°，15°，20°，25°，共計6個模擬方案，模擬過程中保持其他參數(shù)不變，切頂高度均為6 m，分析切頂角度對090109運輸巷道沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布特征、水平應(yīng)力分布特征和變形量的影響。不同切頂角度下圍巖位移如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)切頂角度從0°增加至10°，頂板變形量減小了207 mm，底板變形量減小了41 mm，實體煤幫變形量減小了54 mm；當(dāng)切頂角度從10°增加至25°，巷道圍巖變形量基本一致。

圖9 不同切頂角度下090109運輸巷道圍巖位移

實體煤幫應(yīng)力隨切頂角度的變化如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)切頂角度由0°增加至15°，實體煤內(nèi)最大垂直應(yīng)力減小了0.8 MPa；當(dāng)切頂角度由15°增加至25°，實體煤內(nèi)最大垂直應(yīng)力基本一致。當(dāng)切頂角度從0°增加至15°，實體煤幫最大水平應(yīng)力減小了2.6 MPa；當(dāng)切頂角度由15°增加至25°，實體煤內(nèi)最大水平應(yīng)力基本一致。即隨著切頂角度的增大，實體煤幫的最大垂直應(yīng)力和最大水平應(yīng)力降低。結(jié)合圖9可知，當(dāng)切頂角度為0°時，由于切縫兩側(cè)的巖塊間的摩擦作用，煤層回采后采空區(qū)頂板中的K2灰?guī)r未沿切縫完全破斷，即該巖層將其上覆載荷傳遞至巷道圍巖內(nèi)，導(dǎo)致巷道實體煤幫應(yīng)力值較大；當(dāng)切頂角度不為0°時，切縫兩側(cè)的巖塊間的摩擦作用基本不存在，煤層回采后采空區(qū)頂板中的K2灰?guī)r沿切縫完全破斷，即該巖層失去傳遞力的作用，并且層間軟弱巖層垮落后充填采空區(qū)程度增加，對上層堅硬巖層形成支撐作用力，導(dǎo)致巷道實體煤幫應(yīng)力值較小。與確定合理的切頂高度同理，當(dāng)切頂角度能夠使基本頂完全破斷，并且雙層堅硬頂板間的軟弱巖層能夠垮落充滿采空區(qū)，則該切頂角度滿足工程需要。

圖10 實體煤幫應(yīng)力隨切頂角度的變化

綜上所述，雙層堅硬頂板條件下，合理的切頂高度和切頂角度不僅需要完全切斷堅硬頂板使之失去傳遞力和帶動巷道頂板同步下沉的作用，另還需要使切頂后軟弱巖層充分垮落形成對上覆巖層的支撐作用，以減弱頂板緩慢下沉導(dǎo)致巷道圍巖處于流變變形狀態(tài)的作用。

4 工程應(yīng)用

采用切頂卸壓后，若頂板管理不當(dāng)，巷道圍巖仍舊會表現(xiàn)出大變形，采用錨索補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可有效減少巷道頂板下沉量[11]，從而控制巷道圍巖整體的穩(wěn)定性。利用錨索對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，控制頂板內(nèi)軟弱巖層離層，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，并且錨索布置于靠近采空區(qū)側(cè)，以改善090109運輸巷道采空區(qū)側(cè)頂?shù)装迨湛s量大于實體煤側(cè)的現(xiàn)象，減少巷道變形，保證留巷效果。

綜上所述，結(jié)合柏溝煤業(yè)實際地質(zhì)和工程條件，在不改變切頂卸壓留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，并且考慮到施工設(shè)備安裝所需的空間，綜合確定090109運輸巷道切頂沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為：切頂高度由5 m增加為6 m，切頂角度由10°增加為15°，并利用錨索對頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。巷道斷面支護(hù)方案如圖11所示。

圖11 巷道斷面支護(hù)方案(mm)

在巷道支護(hù)后進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測，結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，切頂卸壓后試驗段巷道圍巖變形量明顯小于原支護(hù)段巷道。在滯后工作面0～61 m范圍內(nèi)，巷道圍巖處于快速變形階段，該階段內(nèi)圍巖頂?shù)装迨諗苛亢蛯嶓w煤幫變形量分別為383 mm和203 mm；在滯后工作面61～103 m范圍內(nèi)，巷道圍巖處于緩慢變形階段，該階段內(nèi)圍巖頂?shù)装迨諗苛亢蛯嶓w煤幫變形量分別為71 mm和32 mm；在滯后工作面103 m范圍外，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定。相較于之前的原始支護(hù)方式，在切頂卸壓-頂板錨索補(bǔ)強(qiáng)協(xié)同控制技術(shù)下，圍巖控制效果好，巷道頂?shù)着c實體煤幫變形量較原大變形區(qū)段分別減少了35.3%(原720 mm)、49.9%(原487 mm)，圍巖穩(wěn)定時滯后工作面距離減少了55.2%(原230 m)。

圖12 圍巖位移隨滯后工作面距離的變化

5 結(jié) 論

1)雙層近距離堅硬頂板在煤層回采過后不易垮落而緩慢下沉，層間軟弱巖層對堅硬巖層的支撐作用小，導(dǎo)致沿空留巷圍巖處于高應(yīng)力和長時間流變狀態(tài)產(chǎn)生大變形。

2)雙層近距離堅硬頂板條件下，控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵在于切頂高度和切頂角度一方面需要滿足切斷頂板使之失去傳遞力和帶動巷道頂板同步下沉的作用，另一方面需要滿足切頂后軟弱巖層碎脹形成對上覆巖層的支撐作用。

3)針對柏溝煤礦090109運輸巷道地質(zhì)及工程條件，控制沿空留巷圍巖穩(wěn)定的切頂高度和角度分別為6 m和15°，并采用錨索對頂板強(qiáng)化支護(hù)，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，沿空留巷圍巖控制效果良好。

4)柏溝煤業(yè)9號煤層為薄煤層，因此切頂時僅需切斷第一層堅硬頂板，在中厚煤層及厚煤層條件下，切頂高度的確定需進(jìn)一步研究。