堅硬石灰?guī)r頂板大采高無煤柱沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)及變形特征

范子偉

（山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司 ，山西 太原 030006）

0 引言

我國煤礦地下巷道總長超過4.0萬km，其中受采動影響的煤巷約占80%。對于一些采空側(cè)巷道、采動影響劇烈的巷道，即使留設(shè)較寬的區(qū)段為主，不但不能維護(hù)回采巷道的安全穩(wěn)定，而且浪費(fèi)大量的煤炭資源[1]。因此，經(jīng)過科學(xué)發(fā)展不斷進(jìn)步，沿空留巷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。相比較留設(shè)煤柱維護(hù)巷道而言，可以提高煤炭采出率，及有效的控制巷道穩(wěn)定，對礦井安全高效開采具有重要意義[2]。

現(xiàn)階段，許多研究學(xué)者針對沿空留巷圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究。謝生榮[3]針對邢東礦大采高工作面，分析了沿空留巷頂板關(guān)鍵塊B的不同下沉量情況，有效地控制了巷道圍巖變形；趙一鳴[4]分析了厚硬頂板大面積懸露問題，并采用了深孔預(yù)裂爆破放頂技術(shù)；段昌瑞[5]采用理論分析了嚴(yán)控巷道礦壓顯現(xiàn)特征，采取放頂技術(shù)減小了關(guān)鍵塊的下沉變形和回轉(zhuǎn)?，F(xiàn)由于凌志達(dá)煤礦工作面環(huán)境較為復(fù)雜，現(xiàn)針對其工作面具體條件分析沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)及變形特征，保證巷道安全穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 礦井概況

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)凌志達(dá)煤業(yè)有限公司礦井生產(chǎn)能力為150萬t/a，隨著礦井生產(chǎn)效率的不斷提高，傳統(tǒng)的巷道布置方式已不能滿足采掘接替的需要，同時留設(shè)護(hù)巷煤柱也造成了煤炭資源的浪費(fèi)。目前，礦井設(shè)計中工作面區(qū)段保護(hù)煤柱寬度為20m，不僅造成了大量的煤炭資源損失，降低了煤炭采出率。同時，下區(qū)段工作面回采期間采空側(cè)回采巷道維護(hù)量大，給礦井安全高效帶來安全隱患。因此，凌志達(dá)煤礦擬結(jié)合15210工作面煤層、頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)和采、掘等生產(chǎn)地質(zhì)條件，進(jìn)行無煤柱沿空留巷技術(shù)研究。

1.2 工作面具體條件

15210工作面所采煤層為15號煤層，屬結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜近水平中厚煤層。15210工作面煤層厚度在4～4.5m之間，平均4.28m。煤層傾角3～6°。煤層直接頂為平均厚度0.7m的泥巖和平均厚度1.1m的14#煤，據(jù)巷道掘進(jìn)揭露的情況，大多數(shù)直接頂缺失，15#煤上方多為堅硬的K2灰?guī)r，其平均厚度為6.02m。該煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

15210工作面位于二采區(qū)南部，其東部為15208工作面，西部為實(shí)體煤，南部為井田邊界，北部為東翼回風(fēng)大巷。蓋山厚度195～300m，平均埋藏深度260.5m。15210工作面長度200m，回風(fēng)順槽（輔助進(jìn)風(fēng)順槽）設(shè)計長度1890m，其采掘工程平面圖見圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 15210工作面采掘工程平面圖

2 沿空留巷頂板礦壓顯現(xiàn)特征

煤層開采后，分析其上覆巖層運(yùn)動破斷規(guī)律對沿空留巷的穩(wěn)定性有非常重要的意義。由砌體梁理論分析可知，沿空留巷頂板大面積來壓演化過程如圖2所示。

圖2 沿空留巷大面積來壓演化過程

根據(jù)15210工作面具體地質(zhì)條件可知，煤層上方有一層堅硬的石灰?guī)r頂板，隨著15210工作面不斷地向前推進(jìn)，堅硬頂板的懸露面積也在不斷地增大，如圖（a）所示。在懸露面積達(dá)到一定的極限值時，頂板會彎曲下沉而這時堅硬頂板及其上覆巖層的載荷將作用在巷旁充填體和頂板上方，如圖（b）所示。當(dāng)懸露面積超過極限值，就會因?yàn)槠鋬?nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于頂板抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破斷，然后上覆巖層發(fā)生整體下沉回轉(zhuǎn)垮落，這種大范圍的整體下沉，會對沿空巷道和巷旁支護(hù)體造成較大的變形破壞，如圖（c）所示，沿空留巷安全無法得到保障。大面積來壓主要發(fā)生在厚層堅硬頂板中，這類巖石的特征是抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較大且節(jié)理不發(fā)育。

3 堅硬頂板處理技術(shù)研究

3.1 聚能爆破切頂技術(shù)研究

為了避免堅硬頂板沿空留巷時出現(xiàn)頂板動力災(zāi)害，通常需要對頂板采取一定控制措施，根據(jù)理論分析及前期工程經(jīng)驗(yàn)，定為在工作面初次來壓前，采用淺孔聚能爆破和充填體切斷基本頂；初次來壓后，采用密集鉆孔和充填體切頂，若出現(xiàn)頂板不垮冒情況，再采用水力致裂等其它技術(shù)措施處理頂板。使得沿空巷道上方巖層礦山壓力充分釋放，保證巷道的安全穩(wěn)定。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及計算，確定炮孔深度6.0m，間距1.0m，為方便頂板跨落，設(shè)計炮孔向工作面?zhèn)绕D(zhuǎn)10°，同時為了避免對充填體的破壞，設(shè)計炮孔距充填體距離為300～500mm，正向裝藥，每節(jié)聚能管裝入35mm、L=200mm藥卷8支，每孔裝入2節(jié)聚能管，在每節(jié)聚能管最后一卷藥上安設(shè)好一發(fā)雷管，將腳線引出，然后用炮泥堵好聚能管口，封泥長度2.8m。炮孔的具體參數(shù)見表2所示，炮孔布置如圖3所示。

表2 炮孔具體參數(shù)

圖3 炮孔布置示意圖

當(dāng)工作面初次來壓后，可采用密集鉆孔和充填體共同切頂，將鉆孔間距更改為500mm，其余不變。若在留巷的過程中，出現(xiàn)特別堅硬的頂板，再增加水力定向切割等措施處理。

3.2 數(shù)值模擬

圖4 切頂前后留巷圍巖結(jié)構(gòu)對比圖

為了更好地突顯聚能爆破弱化頂板的效果，利用離散元軟件UEDC模擬厚層堅硬頂板條件下切頂前后沿空留巷的圍巖結(jié)構(gòu)特征，如圖4所示。

在巷道采空區(qū)側(cè)的臨時支護(hù)區(qū)進(jìn)行切割形成預(yù)裂切頂線，首先會切落下位的直接頂，后期上位基本頂將會在巷旁充填體承載之后沿著預(yù)裂切縫切落。隨著工作面的推進(jìn)，基本頂以及更上位頂板將會在巷旁充填體的支撐作用下沿著形成的預(yù)裂切縫切落。這樣一來隨著采空區(qū)側(cè)頂板的切落，比較好的保證了所留巷道上方頂板的穩(wěn)定性和完整性，達(dá)到保存預(yù)留巷道為下一工作面服務(wù)的目的。

4 工業(yè)試驗(yàn)

凌志達(dá)煤礦15210工作面采用無煤柱沿空留巷，采用聚能爆破切頂技術(shù)維護(hù)嚴(yán)控巷道圍巖，并采取一定的加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。掘進(jìn)巷道后，采用十字布點(diǎn)法針對巷道圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測，觀測周期為30天。記錄并處理數(shù)據(jù)，得到在巷道掘進(jìn)18天后巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在76mm，兩幫移近量穩(wěn)定在94m，巷道變形量得到了有效的控制，保證了沿空巷道的安全穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

對現(xiàn)階段堅硬頂板大采高工作面沿空留巷圍巖變形較大等問題，針對凌志達(dá)煤礦15210工作面具體地質(zhì)賦存條件，分析了沿空留巷頂板巖層礦壓顯現(xiàn)特征，并采用了聚能爆破切頂技術(shù)對沿空巷道頂板巖層進(jìn)行切頂，并采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證。最后進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，沿空巷道沒有出現(xiàn)較大的變形破壞，取得了良好的應(yīng)用效果。