楊曉杰 張 民 王二雨(1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

我國煤礦井工開采由于大部分工作面之間留設(shè)煤柱留設(shè)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(yán)重安全威脅[1]。國內(nèi)外學(xué)者提出了沿空留巷技術(shù)來消除煤柱留設(shè)，沿空留巷技術(shù)少掘巷道，降低了礦井掘進(jìn)率；消除了煤柱應(yīng)力集中影響，防止煤與瓦斯突出災(zāi)害及采空區(qū)自燃發(fā)火，是目前無煤柱開采技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

目前國內(nèi)外沿空留巷技術(shù)方法以巷旁充填體護(hù)巷的方式為主[3-5]。該沿空留巷技術(shù)雖然在薄及中厚煤層中取得了工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)成功，但在大面積推廣時(shí)，存在工藝復(fù)雜、成本高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、采空區(qū)作業(yè)、施工進(jìn)度慢、影響工作面回采進(jìn)度、控頂寬度大、充填體應(yīng)力集中容易失穩(wěn)等諸多缺點(diǎn)，并且該項(xiàng)技術(shù)鮮少在厚煤層大采高條件下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)及推廣應(yīng)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(shè)造成大量的資源損失。以檸條塔煤礦為例，該礦年生產(chǎn)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(jià)值約1.488億元。在神南礦區(qū)大力發(fā)展無煤柱開采技術(shù)，對(duì)提高煤炭回收率，緩解煤炭經(jīng)濟(jì)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(shù)，改變傳統(tǒng)沿空留巷硬頂強(qiáng)支的留巷手段，不與采場壓力對(duì)抗，而是利用采場壓力主動(dòng)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(shù)施工快，不影響回采進(jìn)度，成本低，在薄及中厚煤層應(yīng)用效果良好[7]。本項(xiàng)目針對(duì)全國首個(gè)厚煤層開采切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)圍巖變形機(jī)理開展研究。

1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)應(yīng)用

1.1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，是在將要形成回采巷道的采空區(qū)側(cè)頂板定向預(yù)裂爆破，切斷頂板采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑，工作面回采后，頂板沿預(yù)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(cè)煤體回采后動(dòng)壓的影響[8]。如圖1所示，工作面回采后，切縫范圍內(nèi)沿空側(cè)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(zhuǎn)下沉變形，壓實(shí)后形成矸石幫，同時(shí)巷道直接頂形成切頂短臂梁3，巖梁3隨上覆巖層2產(chǎn)生輕微的回轉(zhuǎn)變形。該巷道作為下個(gè)回采工作面的運(yùn)輸或者回風(fēng)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yù)裂切縫角度，H為預(yù)裂切縫高度，α為基本頂回轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)變形量，U3為切縫高度范圍內(nèi)頂板巖層的回轉(zhuǎn)變形量。

從式(1)～式(3)中可以看出，切縫向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變形量和回轉(zhuǎn)角度，碎脹效應(yīng)更加明顯，對(duì)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(nèi)巖層的彈塑性變形量，同時(shí)巷道寬度越大，基本頂回轉(zhuǎn)變形量越大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

1.2 切頂卸壓沿空留巷工藝

該技術(shù)的關(guān)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(yù)裂頂板、沿空擋矸巷旁巷內(nèi)高強(qiáng)密集單體支柱支護(hù)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(jī)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(jiān)硬致密，底板含薄層砂質(zhì)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(yùn)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(yùn)輸巷煤壁側(cè)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(jù)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(shí)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(jié)構(gòu)為“3+3+3+3+2″卷，藥卷為二級(jí)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(nèi)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(jī)成孔，成孔直徑50 mm。⑥裝填聚能管時(shí)要求聚能方向要沿著切縫方向，保證鉆孔布設(shè)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(qiáng)支護(hù)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(yù)緊力28 t。②靠近采空區(qū)側(cè)布置1排恒阻錨索，排距1 m， 距煤壁700 mm[10-12]。

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

2 切頂卸壓自動(dòng)成巷數(shù)值分析

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

圖4 應(yīng)力場數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Numerical model of stress field

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

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

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

通過對(duì)比圖2～圖4可以得出如下結(jié)論：

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

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

圖5 垂直應(yīng)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(dú)立的變形特征，巷道頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，其變形不再受采空區(qū)頂板垮落下沉影響，回轉(zhuǎn)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(yàn)監(jiān)測及成巷效果分析

3.1 井下礦壓監(jiān)測結(jié)果分析

對(duì)頂?shù)装逡平孔兓闆r進(jìn)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(cè)和煤柱側(cè)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(gè)階段：第一個(gè)階段為架后40 m之內(nèi)，此段巷段距工作面較近，受采動(dòng)和頂板切落影響，老頂回轉(zhuǎn)下沉，頂?shù)装鍟?huì)有明顯移近，說明頂板已經(jīng)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(shí)過程中的動(dòng)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(shí)，主動(dòng)支護(hù)、被動(dòng)支護(hù)與頂板壓力達(dá)到一個(gè)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(zhì)條件可能會(huì)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巷道穩(wěn)定距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巷段在架后150～160 m位置頂?shù)装逡平兓呀?jīng)很少，巷段在架后180 m趨于穩(wěn)定，200 m之內(nèi)基本達(dá)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(shí)支護(hù)設(shè)備，臨時(shí)支護(hù)回撤后頂?shù)装逦灰屏坑兴黾印?/p>

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

對(duì)巷段兩幫移近情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(huì)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(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，兩幫最大移近250 mm左右，臨時(shí)支護(hù)回撤后兩幫移近量無明顯增加。兩幫穩(wěn)定的時(shí)間比頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間要早，因此為了防漏風(fēng)，可在回撤單體支柱之前進(jìn)行噴漿或防漏風(fēng)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(jìn)行離層監(jiān)測，如圖8所示，深基點(diǎn)距頂板表面7 m，淺基點(diǎn)距頂板表面2 m，統(tǒng)計(jì)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(zhuǎn)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(shí)，離層趨于穩(wěn)定；此外單體回撤對(duì)頂板離層也有一定的影響，但影響不大，單體開始回撤時(shí)，離層值會(huì)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(duì)離層影響時(shí)，離層值變化大致分為4個(gè)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(duì)工作面回采后恒阻錨索受力進(jìn)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(gè)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(duì)恒阻錨索已產(chǎn)生明顯作用，因此滯后工作面50 m左右應(yīng)重點(diǎn)注意支護(hù)；二是滯后工作面100 m位置，恒阻錨索受力會(huì)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(shí)造成頂板回轉(zhuǎn)下沉變形。錨索最大拉力為錨索357 kN，預(yù)測測點(diǎn)錨索已達(dá)到恒阻狀態(tài)。通過對(duì)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(duì)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(yīng)力計(jì)錨索應(yīng)力值變化曲線Fig.9 Variation curve of stress change curve of stressmeter with constant resistance bolt

切縫側(cè)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(jìn)尺時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度降低表明工作面切縫側(cè)頂板通過預(yù)裂切頂沿切縫結(jié)構(gòu)面垮落，切縫高度范圍內(nèi)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(zhuǎn)的空間較小，回轉(zhuǎn)角越小，因此回轉(zhuǎn)變形也較小，導(dǎo)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(duì)大采高工作面切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，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(shè)計(jì)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(cè)采空區(qū)完全充滿，并且采空區(qū)矸石沒有向巷道內(nèi)涌出，擋矸側(cè)向力較小，頂板沿切縫線整齊切落，形成了有效的對(duì)上覆巖層的支承結(jié)構(gòu)，矸石幫成型良好，如圖11所示。采取最佳施工及設(shè)計(jì)參數(shù)后的留巷效果圖如圖12所示，圖12(a)為動(dòng)壓影響下加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)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(nèi)，巷道切縫側(cè)巷幫密封性較好，最終留巷效果良好，從下個(gè)工作面的設(shè)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(fēng)要求。

圖11 沿切縫結(jié)構(gòu)面切落頂板形成巷幫Fig.11 Roadway side formed by roof caving along the slit

4 結(jié) 論

(1)使用數(shù)值模擬方法對(duì)厚煤層切頂卸壓沿空留巷工作面回采前后的應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并與不切頂沿空圍巖應(yīng)力場進(jìn)行了對(duì)比分析，預(yù)裂切縫可以切斷采空區(qū)采動(dòng)應(yīng)力傳遞路徑，在留巷附近圍巖附近形成卸壓底應(yīng)力區(qū)，使其具有獨(dú)立的變形特征，不再受采空區(qū)頂板垮落下沉影響，回轉(zhuǎn)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(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)恒阻錨索受力、頂?shù)装逡平俊㈨敯咫x層量、液壓支架受力進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，通過采集分析數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。

(3)進(jìn)行了大采高工作面沿空留巷永久支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、切縫、爆破、臨時(shí)支護(hù)回撤等工藝設(shè)計(jì)，將之應(yīng)用到現(xiàn)場，取得良好的應(yīng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)工藝，可以實(shí)現(xiàn)綜采面開采高產(chǎn)高效的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，從根本上解決煤柱應(yīng)力集中引起的下順槽巷道難維護(hù)的技術(shù)難題。

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