檸條塔煤礦大采高工作面切頂沿空留巷圍巖變形機理研究

楊曉杰 張 民 王二雨(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

我國煤礦井工開采由于大部分工作面之間留設煤柱留設造成大量區(qū)段煤柱損失，并且煤柱受支承壓力作用極易破碎，容易形成采空區(qū)及煤柱自燃發(fā)火，造成嚴重安全威脅[1]。國內外學者提出了沿空留巷技術來消除煤柱留設，沿空留巷技術少掘巷道，降低了礦井掘進率；消除了煤柱應力集中影響，防止煤與瓦斯突出災害及采空區(qū)自燃發(fā)火，是目前無煤柱開采技術的發(fā)展方向[2]。

目前國內外沿空留巷技術方法以巷旁充填體護巷的方式為主[3-5]。該沿空留巷技術雖然在薄及中厚煤層中取得了工業(yè)技術試驗成功，但在大面積推廣時，存在工藝復雜、成本高、工人勞動強度大、采空區(qū)作業(yè)、施工進度慢、影響工作面回采進度、控頂寬度大、充填體應力集中容易失穩(wěn)等諸多缺點，并且該項技術鮮少在厚煤層大采高條件下進行工業(yè)性試驗及推廣應用。

檸條塔井田位于陜西省神木縣西北部，為神府東勝礦區(qū)的一部分，長壁開采是該礦區(qū)普遍采用的采煤方法，隨著工作面走向長度的增加，由于殘留煤柱的留設造成大量的資源損失。以檸條塔煤礦為例，該礦年生產能力1 800萬t，綜采工作面順槽隔離煤柱寬度為20 m左右，煤層平均厚度為4 m，屬于厚煤層大采高工作面，每年回采工作面推采總長度約為9 000 m左右，每年順槽隔離煤柱損失煤量約93萬t，價值約1.488億元。在神南礦區(qū)大力發(fā)展無煤柱開采技術，對提高煤炭回收率，緩解煤炭經濟下行壓力及該礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展勢必有重大意義。

何滿潮院士提出切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術，改變傳統(tǒng)沿空留巷硬頂強支的留巷手段，不與采場壓力對抗，而是利用采場壓力主動切落頂板充填巷幫，來減小沿空巷道頂板和煤幫壓力及變形[6]。該技術施工快，不影響回采進度，成本低，在薄及中厚煤層應用效果良好[7]。本項目針對全國首個厚煤層開采切頂卸壓沿空留巷技術應用試驗圍巖變形機理開展研究。

1 切頂卸壓沿空留巷技術應用

1.1 切頂卸壓沿空留巷技術原理

切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術，是在將要形成回采巷道的采空區(qū)側頂板定向預裂爆破，切斷頂板采動應力傳遞路徑，工作面回采后，頂板沿預裂位置滑落形成巷幫，留巷巷道頂板形成短懸臂梁，減弱采空區(qū)側煤體回采后動壓的影響[8]。如圖1所示，工作面回采后，切縫范圍內沿空側頂板率先垮落，并且碎脹充滿采空區(qū)，形成冒落碎脹區(qū)1，支撐上覆巖層2，減弱上覆巖層2的回轉下沉變形，壓實后形成矸石幫，同時巷道直接頂形成切頂短臂梁3，巖梁3隨上覆巖層2產生輕微的回轉變形。該巷道作為下個回采工作面的運輸或者回風順槽，且其受采空區(qū)頂板作用力大大減少，能保證巷道使用期間的穩(wěn)定性。

圖1 切頂卸壓沿空留巷結構模型Fig.1 Structural model of gob-side entry retaining by roof pre-splitting pressure releasing

圖1中區(qū)域1為冒落碎脹區(qū)，區(qū)域2為旋轉變形區(qū)，區(qū)域3為彈塑性變形區(qū)，

(1)

(2)

U1=U2+U3，

(3)

式中，β為預裂切縫角度，H為預裂切縫高度，α為基本頂回轉角度，HC為煤層厚度，L為頂板懸臂梁長度，ET、EC分別為切縫高度范圍內頂板巖層和煤層的彈性模量，U1為切落巖層的碎脹變形量，U2為基本頂回轉變形量，U3為切縫高度范圍內頂板巖層的回轉變形量。

從式(1)～式(3)中可以看出，切縫向采空區(qū)偏轉一定角度，并且增大切縫高度，有利于減小基本頂巖層的回轉變形量和回轉角度，碎脹效應更加明顯，對切頂短臂梁和基本頂巖層的支承力增大，減少了切縫高度范圍內巖層的彈塑性變形量，同時巷道寬度越大，基本頂回轉變形量越大，應加強支護。

1.2 切頂卸壓沿空留巷工藝

該技術的關鍵步驟是采用恒阻大變形錨索加固頂板、雙向聚能張拉爆破預裂頂板、沿空擋矸巷旁巷內高強密集單體支柱支護頂板[8]。檸條塔S1201工作面走向長3 010.3 m，傾斜長295 m，所采煤層為2-2煤。工作面采用一次采全高、走向長壁后退式、綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。該工作面煤層厚度3.85～4.11 m，4.11 m，傾角0°～2°，埋深80～160 m，工作面巖性描述如表1所示，頂?shù)装鍘r性以砂巖為主，堅硬致密，底板含薄層砂質泥巖。工作面布置及留巷位置如圖2所示，切頂成巷長度為840 m。檸條塔S1201工作面膠運沿空留巷參數(shù)，如圖3所示。

圖2 S1201工作面布置及留巷位置Table 1 Lithology description of working surface

(1)切縫爆破參數(shù)。①在工作面運輸巷煤壁側距煤壁0.3 m處沿巷道走向布置1排聚能爆破孔，炮孔間距0.6 m，根據回采煤層厚度及頂板巖體的碎脹系數(shù)確定炮孔深9 m，為減小頂板沿切縫滑落時的阻力，炮孔傾向采空區(qū)10°[9]。②單孔裝5根聚能管，每根聚能管長1.5 m，聚能管裝藥結構為“3+3+3+3+2″卷，藥卷為二級乳化炸藥，規(guī)炸藥規(guī)格為φ32 mm×200 mm/卷。③聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm，管壁厚2.5 mm。④采用黃泥封孔，單孔封堵長度為1.5 m，正向串聯(lián)起爆。⑤單孔采用錨桿鉆機成孔，成孔直徑50 mm。⑥裝填聚能管時要求聚能方向要沿著切縫方向，保證鉆孔布設和聚能方向成1條線。

表1 工作面巖性描述Fig.2 Arrangement and gob-side entry retaining position of S1201 working face

圖3 切頂卸壓沿空留巷參數(shù)Fig.3 Parameters of gob-side entry retaining by roof pre-splitting pressure releasing

(2)錨索加強支護參數(shù)。①錨索長10.5 m，直徑21.8 mm，恒阻器長500 mm，外徑72 mm，恒阻值為35 t，預緊力28 t。②靠近采空區(qū)側布置1排恒阻錨索，排距1 m， 距煤壁700 mm[10-12]。

(3)動壓加強支護參數(shù)。架后200 m全部采用單體液壓支柱進行臨時加強支護，單體排距0.8 m，采用“一梁五柱”式，每排單體上方架設1根π型梁，長度為4.5 m，通過巷旁高強密集支柱的切頂阻力在動壓作用下沿切縫線切落采空區(qū)頂板，巷內單體支柱提供支護阻力減弱動壓作用下留巷頂板的回轉下沉變形。擋矸支護先用14#鐵絲網將鋼筋網和頂網連接，網片尺寸3.8 m×1.1 m，網格尺寸80 mm×80 mm，在鋼筋網外圍架設U型鋼。擋矸所用U型鋼型號為25U，U型鋼間距為0.4 m。

2 切頂卸壓自動成巷數(shù)值分析

用數(shù)值方法分析切頂卸壓自動成巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，使用FLAC建立計算模型，分別對無切縫和設計切縫模型工作面煤層回采后垂直應力分布規(guī)律進行數(shù)值計算，數(shù)值計算模型巖性分布及巖體物理力學參數(shù)如表1所示，得出計算結果如圖4所示。

圖4 應力場數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical model of stress field

表2 巖體物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of rock mass

根據圖5(a)的垂直應力分布云圖，無切縫時工作面開挖后，沿空留巷實體煤幫內部產生明顯的應力集中區(qū)，垂直應力最大值4.8 MPa，且應力集中區(qū)距離巷幫較近，約1 m，容易導致煤壁片幫等不利現(xiàn)象；巷道及工作面上方一定范圍內仍存在較高的垂直應力，平均1 MPa，容易導致巷道圍巖變形，不利于巷道穩(wěn)定。

根據圖5(b)切縫時垂直應力分布云圖，工作面開挖后，沿空留巷實體煤幫內部應力集中范圍較小，垂直應力最大值約4 MPa，且應力集中區(qū)距離巷幫較遠，約2～3 m；巷道上方一定范圍內存在明顯的卸壓區(qū)，垂直應力平均值約0.4 MPa，對巷道維護及圍巖穩(wěn)定性起到積極作用。

通過對比圖2～圖4可以得出如下結論：

(1)切頂卸壓自動成巷技術能夠有效切斷巷道及采空區(qū)頂板之間應力傳播途徑，從而減弱實體煤幫內部應力集中現(xiàn)象，不僅大大降低了應力峰值，而且使得應力集中區(qū)遠離巷幫，轉移到實體煤幫深部位置。

(2)頂板預裂切縫能夠有效降低巷道頂板一定范圍內的應力，形成卸壓區(qū)，有利于巷道頂板穩(wěn)定。

圖5 垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution

(3)由于切縫的存在，巷道及采空區(qū)頂板的連續(xù)性被切斷，使其具有獨立的變形特征，巷道頂板形成短臂梁結構，其變形不再受采空區(qū)頂板垮落下沉影響，回轉變形減小，因而使得巷道頂板變形得到有效控制。

3 井下試驗監(jiān)測及成巷效果分析

3.1 井下礦壓監(jiān)測結果分析

對頂?shù)装逡平孔兓闆r進行監(jiān)測分析，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律。

圖6 切縫側和煤柱側頂?shù)装逡平孔兓疐ig.6 Displacement of roof and floor along slit side and coal pillar side

頂?shù)装逡平笾驴煞譃?個階段：第一個階段為架后40 m之內，此段巷段距工作面較近，受采動和頂板切落影響，老頂回轉下沉，頂?shù)装鍟忻黠@移近，說明頂板已經有一次大的來壓作用；第二階段為架后60～150 m，此階段頂板仍沒有完全穩(wěn)定，仍受到矸石壓實過程中的動壓影響，但增長速度較第一階段有所放緩；第三階段為架后150 m之后，此階段所留巷道巷旁的矸石已壓實，主動支護、被動支護與頂板壓力達到一個區(qū)域平衡的狀態(tài)，頂板有微量下沉，下沉速度也明顯減少，不同位置及地質條件可能會稍有差別。以每天下沉量不超過5 mm為巷段趨于穩(wěn)定的評判標準，對巷道穩(wěn)定距離進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，巷段在架后150～160 m位置頂?shù)装逡平兓呀浐苌?，巷段在架?80 m趨于穩(wěn)定，200 m之內基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此從頂?shù)装逡平窟@一因素整體考慮，初步判斷檸條塔礦淺埋大采高切頂成巷架后200 m位置為保守穩(wěn)定區(qū)，200 m后可回撤臨時支護設備，臨時支護回撤后頂?shù)装逦灰屏坑兴黾印?/p>

通過對切縫側和煤柱側頂?shù)装逡平窟M行對比發(fā)現(xiàn)，前期切縫側頂板下沉明顯多于非切縫側，說明切頂后在碎矸的摩擦下墜作用及老頂?shù)幕剞D下沉作用下，切頂短臂巖梁發(fā)生回轉，切縫側最終下沉在400～450 mm左右，煤柱側下沉量在200～250 mm。

對巷段兩幫移近情況進行統(tǒng)計，如圖7所示，得到以下規(guī)律：與頂板移近變化趨勢類似，距端頭架尾40 m位置處有較大移近，說明受到來壓影響，之后兩幫移近會趨于平緩過渡狀態(tài)，至140 m位置左右兩幫移近趨于穩(wěn)定，說明已經達到穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫最大移近250 mm左右，臨時支護回撤后兩幫移近量無明顯增加。兩幫穩(wěn)定的時間比頂?shù)装暹\動穩(wěn)定時間要早，因此為了防漏風，可在回撤單體支柱之前進行噴漿或防漏風作業(yè)。

圖7 兩幫移近量變化Fig.7 Displacement of two sides in roadway

在巷道頂板進行離層監(jiān)測，如圖8所示，深基點距頂板表面7 m，淺基點距頂板表面2 m，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，滯后工作面40 m左右受到頂板來壓影響離層值開始明顯增加；而后滯后工作面78 m左右隨著老頂回轉觸矸離層值增長速度趨于緩慢，大約滯后工作面160 m巷幫基本充填壓實，離層趨于穩(wěn)定；此外單體回撤對頂板離層也有一定的影響，但影響不大，單體開始回撤時，離層值會有小幅度增加，回撤后15 m左右離層值基本不再變化，頂板最終離層量為103 mm。從離層變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，不考慮撤柱對離層影響時，離層值變化大致分為4個階段：不變段、快速增大段、增速減緩段和穩(wěn)定段。

圖8 頂板離層變化曲線Fig.8 Change curve of roof separation

對工作面回采后恒阻錨索受力進行監(jiān)測，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：恒阻錨索壓力明顯升高主要有2個位置，一是滯后工作滿38～50 m位置，恒阻錨索出現(xiàn)明顯的受力升高現(xiàn)象，說明工作面老頂巖層對恒阻錨索已產生明顯作用，因此滯后工作面50 m左右應重點注意支護；二是滯后工作面100 m位置，恒阻錨索受力會出現(xiàn)另一波增大，推斷為采空區(qū)碎漲矸石被上覆巖層壓實造成頂板回轉下沉變形。錨索最大拉力為錨索357 kN，預測測點錨索已達到恒阻狀態(tài)。通過對恒阻錨索受力趨勢分析發(fā)現(xiàn)，恒阻錨索受力滯后工作面一段距離突然增加，對于這種受力突變，推斷為恒阻錨索剛好受到來壓影響，受頂板巖層斷裂影響受力瞬間增大。

圖9 恒阻錨索應力計錨索應力值變化曲線Fig.9 Variation curve of stress change curve of stressmeter with constant resistance bolt

切縫側液壓支架工作阻力變化曲線如圖10所示，支架在工作面開始回采階段處于121工法區(qū)，推至205 m進尺時支架受到110工法切頂影響。與工作面121工法區(qū)相比，距切縫線5m位置，最大來壓強度降低了8.7 MPa(降低31%),最大來壓步距增大2 m(增加8.7%)，平均來壓步距增大3.5 m(增加32.1%)；周期來壓強度降低表明工作面切縫側頂板通過預裂切頂沿切縫結構面垮落，切縫高度范圍內頂板隨采隨冒，碎脹后支撐上覆基本頂巖層，降低了作用在支架上的上覆巖層壓力。周期來壓步距增加表明在切頂爆破影響下，工作面端頭直接頂垮落高度大、采空區(qū)充填效果好，形成碎漲的矸石通常可以將采空區(qū)充滿，基本頂發(fā)生回轉的空間較小，回轉角越小，因此回轉變形也較小，導致基本頂不易發(fā)生斷裂，即斷裂步距加大。

圖10 支架工作阻力變化規(guī)律Fig.10 Changing law of support working force

3.2 切頂卸壓自成巷效果分析

通過對大采高工作面切頂卸壓關鍵參數(shù)進行數(shù)值模擬及現(xiàn)場工業(yè)性試驗，確定了適合于檸條塔礦區(qū)淺埋大采高工作面的最佳施工及設計參數(shù)，并提出了大采高切頂成巷的巷道圍巖控制體系。切縫側采空區(qū)完全充滿，并且采空區(qū)矸石沒有向巷道內涌出，擋矸側向力較小，頂板沿切縫線整齊切落，形成了有效的對上覆巖層的支承結構，矸石幫成型良好，如圖11所示。采取最佳施工及設計參數(shù)后的留巷效果圖如圖12所示，圖12(a)為動壓影響下加強臨時支護的留巷巷道，圖12(b)為單體回撤后變形穩(wěn)定的巷道，單體回撤前后巷道變形在允許范圍之內，巷道切縫側巷幫密封性較好，最終留巷效果良好，從下個工作面的設備配套及使用要求發(fā)現(xiàn)，所留巷道尺寸完全滿足斷面使用尺寸及通風要求。

圖11 沿切縫結構面切落頂板形成巷幫Fig.11 Roadway side formed by roof caving along the slit

4 結 論

(1)使用數(shù)值模擬方法對厚煤層切頂卸壓沿空留巷工作面回采前后的應力場進行了數(shù)值模擬研究，并與不切頂沿空圍巖應力場進行了對比分析，預裂切縫可以切斷采空區(qū)采動應力傳遞路徑，在留巷附近圍巖附近形成卸壓底應力區(qū)，使其具有獨立的變形特征，不再受采空區(qū)頂板垮落下沉影響，回轉變形減小，因而使得巷道頂板變形得到有效控制。

圖12 S1201工作面成巷效果Fig.12 Effect of gob-side entry retained at S1201 working face

(2)通過在留巷巷道安設遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對恒阻錨索受力、頂?shù)装逡平?、頂板離層量、液壓支架受力進行實時在線監(jiān)測，通過采集分析數(shù)據結果對巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。

(3)進行了大采高工作面沿空留巷永久支護、臨時支護、切縫、爆破、臨時支護回撤等工藝設計，將之應用到現(xiàn)場，取得良好的應用效果。研究表明，所確定的淺埋、大采高切頂卸壓沿空留巷各項關鍵技術工藝，可以實現(xiàn)綜采面開采高產高效的目標，實現(xiàn)無煤柱開采，從根本上解決煤柱應力集中引起的下順槽巷道難維護的技術難題。

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