高 亮，付 強，周開放，王宏宇，劉斌慧，魏慶龍

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國采礦技術(shù)也在不斷的進步。煤炭開采技術(shù)與裝備水平得到極大提升[1],并經(jīng)歷了以下階段：第一階段為20世紀60～70年代，錢鳴高[2-3]提出“砌體梁”理論，首次完整論述了采空區(qū)上覆壓力傳遞和平衡方法，并形成了長臂開采的一個工作面提前開掘兩條巷道，為我國采礦技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；第二階段以宋振騏等[4-5]“傳遞巖梁”理論為主體，通過分析高應(yīng)力區(qū)礦壓分布方式，發(fā)現(xiàn)了區(qū)內(nèi)存在內(nèi)外應(yīng)力場，提出了小煤柱工法，為提高煤炭回收率做出了貢獻。但由于我國煤炭資源的逐漸減少，迫使在采煤過程中應(yīng)該更加重視煤炭回收率。隨著開采深度的增加，留設(shè)煤柱上方應(yīng)力集中引起的巷道圍巖大變形、沖擊地壓、煤(巖)爆以及煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害十分嚴重[6]。因此，嚴峻的“安全、資源節(jié)約和開采成本”問題已成為當前制約我國煤炭工業(yè)發(fā)展的瓶頸和突出問題[7-8]，我國煤炭必需通過技術(shù)創(chuàng)新、裝備創(chuàng)新推動行業(yè)發(fā)展。

“切頂短臂梁”理論是通過在回采巷道將要形成的采空區(qū)側(cè)頂板進行定向預(yù)裂，切斷頂板的應(yīng)力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長度，從而減小采空區(qū)側(cè)巷幫受到回采動壓的影響?；凇扒许敹瘫诹骸崩碚摚螡M潮等[9]創(chuàng)新性地提出了回采整個盤區(qū)工作面，無需提前掘進回采巷道，無需留設(shè)區(qū)段煤柱的切頂卸壓自成巷新技術(shù)，并提出了相應(yīng)的關(guān)鍵工藝和與之配套裝備系統(tǒng)，使回采巷道掘進和工作面采煤實現(xiàn)一體化，最終在無需提前掘進回采巷道的條件下實現(xiàn)無煤柱開采。

目前，該技術(shù)已于陜煤檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面成功試驗，并取得了良好的應(yīng)用效果。因此，本文以檸條塔煤礦切頂卸壓自成巷生產(chǎn)試驗為工程背景，對切頂卸壓自成巷的技術(shù)原理、關(guān)鍵工藝和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計進行了闡述，并對應(yīng)用效果進行了總結(jié)。

1 理論基礎(chǔ)及技術(shù)原理

1.1 理論基礎(chǔ)

以“切頂短臂梁”理論為基礎(chǔ)，通過頂板定向切縫技術(shù)切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板壓力傳遞，使巷道頂板形成“切頂短臂梁”，從而減少采空區(qū)頂板變形和垮落對巷道頂板帶來的影響，減小應(yīng)力集中，保證巷道圍巖穩(wěn)定性。其力學(xué)模型見圖1。

圖1 切頂短臂梁力學(xué)模型(資料來源：文獻[6])

圖1中，G為直接頂巖層重量，σh為水平應(yīng)力分量，Hc為頂板切縫深度，τ為切縫面的剪切力，L為工作面傾向長度，L0為巷道寬度，α為切縫角度，F(xiàn)h為水平力應(yīng)，T為剪應(yīng)力。在頂板切縫作用下，采空區(qū)頂板沿設(shè)計的切縫面垮落，根據(jù)靜力平衡理論，可以推導(dǎo)切縫面的平衡方程，見式(1)和式(2)。

N=Fh·cosα-G·sinα

(1)

T=G·cosα-Fh·sinα

(2)

式中：N為正應(yīng)力；T為切縫面剪應(yīng)力；g為重力加速度；其他變量含義同上文。

切縫面的摩擦力可表示為式(3)。

Fφ=(G·sinα-Fh·sinα)tanφ+CA

(3)

式中：Fφ為摩擦阻力；C為滑動平面黏聚力(黏聚力的單位為kN/m2,則黏聚力與面積平方米相乘等于力，單位為kN)；A為單位長度切縫平面的面積；其他變量含義同上文。

該平面上的極限平衡方程表達為式(4)。

T=∑γiHi(cosα-λsinα)tanφ+CA

(4)

式中：Hi為關(guān)鍵塊及上覆軟弱巖層的厚度，m；γi為關(guān)鍵塊及其上覆軟弱巖層的各層容重，kN/m3；其他變量含義同上文。

由于切斷了采空區(qū)部分頂板和巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，從而使巷道頂板形成短臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一端延伸至煤體深部穩(wěn)定位置，另一端沿頂板切縫斷裂。上覆巖層變形、下沉過程中，巷道頂板在采空區(qū)垮落矸石斜撐力、NPR恒阻錨索支護力共同作用下保持穩(wěn)定。當采空區(qū)垮落矸石壓實后，上位頂板將形成新的穩(wěn)定支承結(jié)構(gòu)，此時支承壓力已轉(zhuǎn)移至煤體深部，巷道圍巖處于卸壓區(qū)內(nèi)從而保證巷道穩(wěn)定。

1.2 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的采煤技術(shù)工作面回采過程中需提前掘進兩條回采巷道，用于通風(fēng)、行人和運輸；下一個工作面回采時，兩工作面間留設(shè)一個區(qū)段煤柱，用來保護下一區(qū)段回采巷道不被破壞。其巷道布置方式見圖2。

切頂卸壓自成巷技術(shù)創(chuàng)新性地改變了傳統(tǒng)采煤技術(shù)回采巷道布置方式和采掘模式，利用一系列關(guān)鍵工藝和配套裝備，實現(xiàn)采煤過程中在工作面后方自動形成一條巷道的開采模式，其巷道布置方式見圖3和圖4。

第一個工作面回采時，首先沿盤區(qū)(采區(qū))四周邊界布置一條集中回風(fēng)巷、長切眼和運輸順槽。開采首采面時，工作面一側(cè)為已掘的運輸順槽，另一側(cè)則在回采過程中一邊采煤一邊形成一條回風(fēng)順槽。

回采下續(xù)工作面時，一側(cè)為上區(qū)段工作面回采后留下的回風(fēng)巷道，作為本工作面的運輸順槽使用；同時，工作面另一側(cè)繼續(xù)采用該技術(shù)和配套裝備在回采過程中形成新的巷道，由此往復(fù)直至盤區(qū)(采區(qū))所有工作面回采完成，如圖4所示。

圖2 傳統(tǒng)有煤柱巷道布置

圖3 首采面巷道布置示意圖

圖4 后續(xù)工作面巷道布置示意圖

2 關(guān)鍵工藝

2.1 實體煤幫成巷技術(shù)

對于傳統(tǒng)采煤技術(shù)，工作面回采前需提前在兩側(cè)掘進回采巷道。采煤機運行至端頭割煤時，只需割透兩條巷道的內(nèi)側(cè)煤壁即可，見圖5。因此，應(yīng)用于傳統(tǒng)采煤技術(shù)條件下的常規(guī)開采技術(shù)和裝備，無法實現(xiàn)采煤機超越刮板機機頭(機尾)進行割煤和裝煤的功能。

在本技術(shù)中，工作面機頭為上區(qū)段工作面回采后已形成的巷道，機尾需在工作面回采過程中邊采煤邊形成一條新的回采巷道，這就要求工作面采煤裝備在正常的采煤過程中必須具備超越刮板機機尾割煤的能力，以便割出預(yù)成巷道的頂板和實體煤幫邊界輪廓，見圖6。

2.2 自成巷道技術(shù)

自動成巷技術(shù)包括頂板切縫技術(shù)、恒阻大變形錨索支護技術(shù)和擋矸支護技術(shù)。具體的成巷工藝見圖7。

圖5 傳統(tǒng)有煤柱端頭割煤示意圖

圖6 切頂卸壓自成巷技術(shù)端頭割煤示意圖

圖7 自動成巷工藝示意圖

1) 頂板切縫技術(shù)。首先通過定向切縫技術(shù)沿擬成巷道邊緣切縫線(圖7中“1”位置)施工一排切縫鉆孔，然后利用頂板定向切縫技術(shù)在切縫鉆孔內(nèi)進行定向切縫，最終使巷道頂板沿軸線形成一個連通的切縫結(jié)構(gòu)面，從而改變頂板應(yīng)力傳遞路徑，減少頂板旋轉(zhuǎn)對巷道的作用力，有利于巷道的穩(wěn)定性。

2) 恒阻大變形錨索支護技術(shù)。切縫同時，采煤機割出擬留巷道空間，需要及時對該空間范圍內(nèi)的頂板進行支護。在該技術(shù)實施過程中，留巷要經(jīng)歷初期采動影響變形、采場頂板來壓影響變形、二次回采動壓變形等多個變形階段，巷道圍巖具有顯著的大變形特征，這就要求支護材料必須具有較大的變形能力以適應(yīng)巷道的大變形特征。而目前煤礦巷道普遍采用的支護材料當屈服伸長達至極限(一般為3.5%～18%)時，就會產(chǎn)生破壞。而本技術(shù)則采用的何滿潮研發(fā)的一種能適應(yīng)巷道大變形的NPR恒阻大變形錨索(圖7中“2”位置)，此錨索既能吸收變形還能保持恒阻，從而有利于頂板的穩(wěn)定性。

3) 擋矸支護技術(shù)。通過沿擬形成的巷道邊緣進行頂板定向切縫，切斷采空區(qū)部分頂板和巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，進而使采空區(qū)頂板在礦山壓力作用下自行垮落并不影響巷道穩(wěn)定，同時，利用巖石的碎脹性，使垮落的巖石體積變大后對采空區(qū)頂板實現(xiàn)支撐作用。然后，利用擋矸支護技術(shù)和擋矸支架(圖7中“3”位置)對采空區(qū)垮落矸石進行擋矸支護，使垮落矸石沿擋矸支護結(jié)構(gòu)逐漸堆積，并經(jīng)上覆巖層壓實后形成穩(wěn)定的矸石幫。

3 工藝參數(shù)設(shè)計

3.1 工作面工程地質(zhì)條件

檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面位于2-2煤層，工作面傾向長度280 m，走向長度2 344 m，煤層厚度3.81～4.35 m，煤層平均厚度4.11 m，埋藏深度90～165 m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角近水平。工作面巷道布置見圖8。

圖8 S1201-Ⅱ工作面巷道布置圖

工作面基本頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5 m，具大型交錯層理；直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05 m，灰色薄層狀，含植物碎屑化石，具水平及波狀層理；直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3 m，夾細粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理；老底為細粒砂巖，厚3.2～19.6 m，具波狀層理。

3.2 頂板定向切縫參數(shù)

根據(jù)巖石自身碎脹特性，當采空區(qū)頂板垮落后，其體積較完整巖體增大。若垮落巖石能夠完全充填采出空間，則垮落巖石自身可對上覆巖層有效支撐，從而避免上覆巖層運動對巷道圍巖產(chǎn)生的集中應(yīng)力。因此，理論上頂板切縫高度應(yīng)不小于巖層垮落后能夠完全充滿采出空間的巖層厚度，其值計算見式(5)。

Hf=(Hm-Hd-Hg)/(K-1)

(5)

式中：Hf為頂板切縫高度，m；Hm為采煤高度，m；Hd為采空區(qū)上覆巖層彎曲下沉量，m；Hg為采空區(qū)底板鼓起量，m；K為頂板巖石碎脹系數(shù)。為了安全起見，計算時Hd、Hg一般取值為0。

根據(jù)理論計算及現(xiàn)場試驗結(jié)果，本次頂板切縫深度取9.0 m。為了減小采空區(qū)頂板沿裂縫面垮落時與巷道頂板之間產(chǎn)生的摩擦阻力，切縫角度確定為10°，向采空區(qū)側(cè)傾斜。

3.3 巷道支護參數(shù)

1) 頂板支護。檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面留巷寬度6 200 mm，高度3 750 mm。根據(jù)前期S1201工作面110工法生產(chǎn)試驗結(jié)果，留巷頂板每排布置5根恒阻值為35 t的恒阻大變形錨索，錨索排距設(shè)計為一個采煤步距(800 mm)。恒阻錨索鋼絞線長度取10.5 m(大于切縫高度)，鋼絞線直徑21.8 mm。沿巷道走向每3根恒阻錨索采用1根長1.9 m的W鋼帶連接。巷道支護設(shè)計斷面見圖9，支護設(shè)計平面見圖7。

2) 實體煤幫支護。采用“玻璃鋼錨桿+8#鉛絲網(wǎng)”進行支護，每排3根錨桿，錨桿長度1.6 m，錨桿直徑18 mm，錨桿間排距為1 200 mm×800 mm。

圖9 巷道支護設(shè)計斷面圖

3.4 擋矸支護參數(shù)

采用“擋矸支架+U型鋼+金屬網(wǎng)”進行擋矸支護。U型鋼間距為600 mm，U型鋼豎直布置，并使用鐵絲將其與金屬網(wǎng)連接固定。安裝完成后利用檔矸支架側(cè)向擋矸橫梁抵緊U型鋼，擋矸U型鋼布置側(cè)視圖見圖10。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

該技術(shù)的成功應(yīng)用，有效解決了該礦原采用留煤柱開采方式存在的“掘巷工程量大、資源浪費嚴重、生產(chǎn)接續(xù)緊張”等問題，回收煤柱資源帶來直接經(jīng)濟效益1.04億元(煤炭當時價格420元/t)，現(xiàn)場應(yīng)用效果見圖11～13。

圖10 擋矸支護設(shè)計側(cè)視圖

圖11 檸條塔煤礦實體煤側(cè)成巷效果

圖12 檸條塔煤礦采空區(qū)側(cè)成巷效果

圖13 檸條塔煤礦整體成巷效果

根據(jù)現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，留巷過程中工作面后方0～150 m范圍內(nèi)屬于壓力變化區(qū)，留巷圍巖變形增長速度較快；工作面后方150 m以外，采空區(qū)垮落矸石壓實穩(wěn)定，留巷圍巖變形基本不再增。留巷內(nèi)頂?shù)装逡平孔畲笾导s78.54 mm，完全滿足下一工作面使用要求，典型的位移監(jiān)測曲線見圖14(N1測點為距工作面切眼10 m位置，N4測點為距工作面切眼90 m位置)。

圖14 試驗巷道頂?shù)装逡平O(jiān)測

5 結(jié) 論

1) 以切頂卸壓為理論基礎(chǔ)，分析了切頂卸壓自成巷新技術(shù)的技術(shù)原理，與傳統(tǒng)采煤技術(shù)相比，切頂卸壓自成巷技術(shù)無需提前掘進，無需留設(shè)煤柱，并系統(tǒng)的闡述了切頂卸壓自成巷新技術(shù)的關(guān)鍵工藝。

2) 根據(jù)陜煤檸條塔煤礦S1201-Ⅱ工作面的現(xiàn)場生產(chǎn)和工程地質(zhì)條件，確定了首個采留一體化的切頂卸壓自成巷試驗工作面關(guān)鍵工藝參數(shù)。

3) 結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用效果圖及監(jiān)測時間最長測點(N1)和監(jiān)測位移量最大測點(N4)的頂?shù)装逡平勘O(jiān)測數(shù)據(jù)，可知切頂卸壓自成巷技術(shù)成巷效果很好，并且在滯后工作面150 m以后，巷道變形基本穩(wěn)定，最大穩(wěn)定位移量為78.54 mm。留巷效果顯著，在節(jié)約煤炭資源、節(jié)省開采成本、緩解巷道接替緊張等方面具有顯著優(yōu)勢。