楊曉杰 毛文彬 張星宇 王二雨 劉晨康 孫 躍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市海淀區(qū)，100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁式留設(shè)煤柱開采技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但是該技術(shù)造成的資源回收率低、采掘比高等問題日益突出，特別是留設(shè)煤柱造成煤(巖)爆現(xiàn)象和瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害，在圍巖高應(yīng)力作用下巷道發(fā)生大變形增加巷道維護(hù)成本，縮短了巷道使用壽命，嚴(yán)重威脅井下工人的生命安全，因此傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開采方式已經(jīng)不能很好地適應(yīng)深部煤炭開采要求。

巷旁充填沿空留巷技術(shù)是應(yīng)用較多的沿空留巷無煤柱開采方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巷旁充填材料、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巷旁支護(hù)體作用機(jī)制等方面進(jìn)行大量研究，且成果顯著，但是現(xiàn)有的巷旁支護(hù)技術(shù)具有充填材料支護(hù)強(qiáng)度不高、造價(jià)昂貴、巷旁充填體內(nèi)部易產(chǎn)生應(yīng)力集中、采空區(qū)密封性能差等缺點(diǎn)，使得該技術(shù)很難推廣。為解決傳統(tǒng)無煤柱開采技術(shù)難題，何滿潮院士提出切頂卸壓自成巷無煤柱開采新技術(shù)，該技術(shù)不僅可以提高煤炭回采率，降低開采成本，緩解采掘接替緊張，避免因留設(shè)煤柱引起的煤礦地質(zhì)災(zāi)害，而且可以實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)，解決瓦斯突出問題。本文以紅慶河礦3101工作面為地質(zhì)背景，對(duì)厚煤層切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以期指導(dǎo)厚煤層巷道切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)實(shí)施。

1 工程概況

紅慶河煤礦3101工作面位于3-1采區(qū)，西北鄰3-1采區(qū)邊界，東北鄰南翼輔運(yùn)大巷，東南鄰3103輔運(yùn)平巷，西南鄰DF10斷層，工作面平均埋深600 m，采高6 m，屬于大采高、大埋深工作面，工作面長(zhǎng)度245.75 m，回采長(zhǎng)度3212.7 m。該工作面為首采工作面，實(shí)行雙巷布置，在大采高、大埋深條件下受工作面強(qiáng)擾動(dòng)影響，并且在留設(shè)30 m巷道煤柱的條件下，3103輔運(yùn)平巷依然變形嚴(yán)重，出現(xiàn)冒頂、底鼓、片幫和煤爆現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常使用。煤層厚度平均6 m，屬于厚煤層，煤層直接頂主要由砂質(zhì)泥巖和粉砂巖組成，平均厚度13.04 m，基本頂主要由細(xì)砂巖和礫巖組成，平均厚度為58.66 m，工作面地層綜合柱狀圖如圖1所示。

2 切頂卸壓技術(shù)分析

2.1 技術(shù)原理

切頂卸壓技術(shù)是解決傳統(tǒng)沿空掘巷開采方式問題的重要手段之一。該技術(shù)原理是沿巷道走向?qū)嵤┏肮ぷ髅娴念A(yù)裂爆破，爆破后各炮孔之間形成一條連續(xù)的結(jié)構(gòu)面切斷了巷道頂板與采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞路徑，工作面回采后采空區(qū)頂板在上覆巖層重力和礦山壓力作用下發(fā)生垮落，減小了懸臂梁的長(zhǎng)度，使得頂板作用在煤壁上的壓力減少，緩解了煤柱的應(yīng)力集中，減少了煤爆現(xiàn)象?？迓浜蟮乃槊涰肥瘜?duì)頂板起到很好的支撐作用，減少了基本頂對(duì)巷道頂板的壓力，避免了巷道頂板隨基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形而發(fā)生明顯變形位移。

2.2 參數(shù)力學(xué)分析

煤層開挖后，直接頂首先發(fā)生垮落。隨著工作面的推進(jìn)，直接頂懸露面積也隨之增大，直接頂懸露一定程度后發(fā)生初次垮落。直接頂厚度明顯大于工作面采高時(shí)，靠近煤壁側(cè)的直接頂可能不會(huì)斷裂，將其視為懸臂梁，預(yù)裂切頂后受力模型如圖2所示。

圖2 頂板受力簡(jiǎn)化圖

該工作面頂板厚度顯著大于采空區(qū)高度，而且切頂高度沒有貫穿整個(gè)直接頂，可能導(dǎo)致懸臂梁未充分垮落。為了實(shí)現(xiàn)懸臂梁的完全垮落，預(yù)裂切縫未貫穿面的拉力要大于巖石的極限抗拉強(qiáng)度，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：σ——巖石的極限抗拉強(qiáng)度，MPa；

M(x)——預(yù)裂切頂未貫穿面巖梁內(nèi)的彎矩，MN·m；

W——頂板截面模量，m2。

(2)

式中：q——基本頂作用均布荷載，MPa；

hc——切頂高度，m；

α——切頂角度，(°)；

L——直接頂斷裂長(zhǎng)度，m；

Gm——垮落頂板自重，MPa；

Mp——垮落頂板彎矩，MN·m；

J——頂板巖塊繞點(diǎn)O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

g——重力加速度，kg·s-2；

La——巷道寬度，m；

P(x)——巷內(nèi)支護(hù)作用力，MPa。

(3)

式中：mz——垮落頂板厚度，m。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，預(yù)裂切頂未貫穿面的拉力主要取決于切頂高度。因此應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的切頂高度，保證預(yù)裂切頂未貫穿面的拉力大于其抗拉強(qiáng)度，使得懸臂梁在上部荷載和自重作用下完全垮落，形成切頂短臂梁，減小煤柱應(yīng)力集中。為此，借助數(shù)值模擬軟件計(jì)算出不同切頂高度下巷道圍巖應(yīng)力和位移變化情況，通過分析對(duì)比確定合理的切頂高度。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

針對(duì)紅慶河礦3101工作面工程地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件建立模型，對(duì)比分析各種切頂高度下巷道圍巖應(yīng)力和位移變化情況。模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=328 m×100 m×80 m，模擬巷道開挖尺寸為6 m×100 m×4 m，工作面開挖尺寸為200 m×100 m×6 m，巷道埋深600 m，一次采全高。數(shù)值模擬中的切頂線是通過細(xì)化單元格，將切頂線位置的單元格進(jìn)行分組、開挖實(shí)現(xiàn)模擬切頂，如圖3所示。固定模型的側(cè)面和底部，上側(cè)表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為14.7 MPa，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，計(jì)算所用參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值模擬示意圖

3.2 模擬結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，首先建立數(shù)值計(jì)算模型以研究切縫對(duì)巷道頂板的卸壓效果，在不影響研究問題實(shí)質(zhì)的情況下，數(shù)值模型設(shè)置切頂角度為垂直頂板，避免了模型網(wǎng)格畸化，造成較大扭轉(zhuǎn)角從而影響切頂區(qū)域的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，切頂高度分別為10 m、12 m和14 m，模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。

表1 模型主要物理力學(xué)參數(shù)

圖4 不同切頂高度應(yīng)力場(chǎng)分布

圖5 不同切頂高度位移場(chǎng)分布

由圖4可以看出，未切頂時(shí)3103輔運(yùn)巷道左側(cè)煤柱出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值較大，為25.329 MPa；預(yù)裂切頂后巷道左側(cè)煤柱應(yīng)力峰值明顯減小，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力較小，巷道圍巖應(yīng)力值也相對(duì)減少，右側(cè)煤層應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道，顯示出明顯卸壓效果。對(duì)比圖4(b)、(c)和(d)，切頂高度為14 m時(shí)巷道左側(cè)煤柱應(yīng)力峰值最小，為15 MPa，應(yīng)力集中區(qū)范圍最小，巷道圍巖應(yīng)力最小。

由圖5可以看出，未切頂時(shí)巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲?；預(yù)裂切頂后巷道頂?shù)装逦灰屏烤黠@減小，切頂高度為14 m時(shí)巷道頂?shù)装逦灰屏孔钚?，頂板下沉量?72 mm。

綜上所述，預(yù)裂切頂高度為14 m時(shí)卸壓效果最佳。

3.3 工程試驗(yàn)

對(duì)比模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)不同切頂角度試驗(yàn)效果，最終確定預(yù)裂切頂高度為14 m、切頂角度為15°。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了爆破參數(shù)試驗(yàn)，爆破孔間距0.5 m，采用連孔爆破方案。聚能爆破采用二級(jí)乳化炸藥，炸藥規(guī)格為?32 mm×200 mm/卷。聚能管內(nèi)安裝炸藥，采用不耦合裝藥形式。雙向聚能管外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，管長(zhǎng)1500 mm，單孔裝藥量為4500 g，封泥長(zhǎng)度為3 m。

3103輔運(yùn)平巷使用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，幫部支護(hù)采用左旋螺紋鋼錨桿+鉛絲菱形網(wǎng)+鋼護(hù)板，錨桿排距為1000 mm，每幫5根，間距為900 mm，上下錨桿距頂?shù)赘鳛?50 mm。頂板支護(hù)采用左旋螺紋鋼錨桿+鋼護(hù)板+鋼筋網(wǎng)+錨索，錨桿排距1000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm，兩邊頂錨桿距幫各為350 mm。

工作面推進(jìn)期間對(duì)3103輔運(yùn)巷道切頂卸壓試驗(yàn)段的巷中位置布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距20 m。通過激光測(cè)距儀對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的頂?shù)装逦灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)段開始位置和結(jié)束位置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

由圖6可知，頂?shù)装逶诔肮ぷ髅?0 m時(shí)開始產(chǎn)生變形；滯后工作面0～60 m內(nèi)，頂?shù)装彘g的變形量較快增長(zhǎng)，圍巖處于劇烈變形階段；滯后工作面60～170 m內(nèi)，由于采空區(qū)碎脹矸石的垮落，變形量增長(zhǎng)較慢，圍巖處于緩慢變形階段；滯后工作面170 m后，采空區(qū)碎脹矸石對(duì)頂板起到較好支撐作用，變形量趨于平緩，圍巖處于穩(wěn)定階段。

圖6 試驗(yàn)段頂?shù)装逦灰屏勘O(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

(1)當(dāng)采空區(qū)頂板厚度遠(yuǎn)大于采高時(shí)，切頂高度決定了預(yù)裂未切縫面的拉力大小，是實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板充分垮落的關(guān)鍵。數(shù)值模擬軟件可以較好的計(jì)算不同切頂高度下巷道圍巖應(yīng)力和位移變化情況，從而確定合理切頂高度。

(2)通過定向聚能爆破理論研究和觀察現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)效果，確定合理的裝藥量和預(yù)裂爆破孔間距，從而達(dá)到切縫效果，確保頂板完全垮落。

(3)針對(duì)紅慶河煤礦3101工作面厚煤層切頂卸壓工程地質(zhì)條件，確定切頂高度為14 m，切頂角度為15°，預(yù)裂爆破孔間距0.5 m；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：輔運(yùn)巷道頂?shù)装逶诔肮ぷ髅?0 m處發(fā)生變形，滯后工作面170 m處變形量趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)效果良好，可為切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)提供應(yīng)用參考。