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(1.中國礦業(yè)大學(北京) 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；3.同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037000)

沿空留巷技術(shù)自20世紀50年代在我國開始使用以來，一直是我國采煤領(lǐng)域的重要技術(shù)發(fā)展方向，然而隨著我國煤炭開采的逐步深部化、煤炭資源的日益緊張，傳統(tǒng)留巷方式的實施難度不斷增大[1，2]。針對以上問題，中國科學院何滿潮院士于2009年提出切頂卸壓無煤柱自成巷理論，即通過于留巷頂板采空區(qū)側(cè)實施定向預裂爆破，切斷留巷頂板與采空區(qū)頂板的應力傳遞，待工作面回采過后，采空區(qū)頂板發(fā)生垮落并利用矸石的碎脹特性進行采空區(qū)充填，從而實現(xiàn)零煤柱自動成巷、保證成巷圍巖變形可控[3，4]。目前，切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)已在多礦試驗成功，積累了一定的理論與實踐經(jīng)驗[5，6]。

根據(jù)切頂卸壓自成巷開采理論，切頂高度的設計主要需考慮頂板垮落后能否對采空區(qū)進行有效充填，因此頂板冒落矸石的碎脹系數(shù)直接關(guān)系到切頂高度的設計以及留巷圍巖的穩(wěn)定[7]。而在以往研究中，受到區(qū)段煤柱留設或者傳統(tǒng)留巷方式的支護體留設影響，采空區(qū)頂板矸石冒落難以進行直接觀測，因此其碎脹系數(shù)相關(guān)研究主要以理論計算和室內(nèi)試驗為主，現(xiàn)場測定研究較為薄弱，如張俊英通過相似材料模擬試驗，研究了長壁開采條件下不同高度采動破碎巖體的動態(tài)碎脹變化規(guī)律[8]；褚廷湘通過室內(nèi)試驗測試了破碎煤體在應力、應力-溫度、應力-水分不同條件下的碎脹系數(shù)演變特征與機制[9]；夏小剛運用分形算法對冒落帶動態(tài)高度進行了計算[10]。在切頂卸壓自成巷條件下，留巷側(cè)采空區(qū)頂板矸石垮落具備了觀測條件，目前現(xiàn)場觀測研究方法主要有自然觀測和標記觀測兩類[11]。在上述研究成果基礎(chǔ)上，本文擬以塔山煤礦8304工作面復合頂板為例，對復合頂板切頂卸壓后頂板冒落矸石的碎脹系數(shù)進行測定，并對矸石冒落堆積過程中的側(cè)向壓力進行觀測，以優(yōu)化碎脹系數(shù)測定方法，明確碎脹系數(shù)與側(cè)壓的演變關(guān)系，從切頂高度設計及擋矸支護設計兩個方面為切頂卸壓自成巷技術(shù)的進一步推廣提供參考。

1 工程概況

圖1 塔山煤礦三盤區(qū)8304工作面布置圖

同煤集團塔山煤礦三盤區(qū)東翼8304工作面為塔山煤礦三盤區(qū)東翼的首采面，與8305工作面毗鄰，其布置如圖1所示，8304工作面埋深367～411m，煤層平均厚度3.1m，平均傾角4°，走向長度670m，工作面長度127m。直接頂和基本頂分別為泥巖和細砂巖，平均厚度為1.47m、3.88m；直接底和基本底分別為泥巖和粉砂巖，平均厚度為3.2m、3.1m。留巷550m進尺處存在一頂板巖性鉆孔，該鉆孔測得的頂板巖性柱狀圖如圖2所示。

圖2 頂板巖性柱狀圖

2 碎脹系數(shù)及切頂高度計算

在切頂卸壓自動成巷技術(shù)的相關(guān)研究中，切頂高度主要依據(jù)式(1)進行設計計算[13]：

HF=(HM-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，HF為切頂高度，m；HM為煤層采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)。

由式(1)可以看出，碎脹系數(shù)值直接影響切頂高度設計，目前關(guān)于碎脹系數(shù)的取值主要有以下兩種方法：

1)假定切頂高度范圍內(nèi)頂板共有n(n≥1)層不同巖性分層，每層厚度為Di(1≤i≤n)，通過室內(nèi)試驗可確定每種巖性巖石的理論碎脹系數(shù)Ki(1≤i≤n)，則以厚度作為權(quán)值可對切頂范圍內(nèi)頂板巖體的碎脹系數(shù)進行加權(quán)計算：

2)由于切頂卸壓自動成巷可為碎石幫側(cè)的矸石垮落提供直接觀測條件，因此也可通過現(xiàn)場測定來確定碎脹系數(shù)取值，常用方法有自然觀測、標記觀測兩種，如圖3所示。其中，自然觀測適用于頂板有明顯巖性分層的地質(zhì)條件，在采空區(qū)垮落前首先對頂板不同巖性分層厚度進行詳查，隨后在頂板垮落后，可依據(jù)不同巖性冒落矸石的塊度、顏色等特征對碎石幫進行分層，利用矸石垮落后的分層高度計算頂板切縫冒落后的碎脹系數(shù)，如圖3(a)所示；當切縫頂板無明顯巖性分層時，可采用標記觀測，即通過頂板鉆孔，人為在固定高度處采用噴漆、設置錨爪等方式進行標記，待工作面回采后，再次測量標記點高度，進而計算頂板碎脹系數(shù)，如圖3(b)所示。

圖3 碎脹系數(shù)現(xiàn)場測定方法

根據(jù)圖2及式(2)，取值塔山煤礦三盤區(qū)8304工作面頂板碎脹系數(shù)為1.42，進而將工作面采高參數(shù)代入式(1)，計算出8304工作面切頂高度為7.4m。

3 碎脹系數(shù)及側(cè)向壓力測定

在工作面實施切頂卸壓無煤柱自動成巷回采后，在留設巷道中通過碎石幫觀測對頂板碎脹系數(shù)及擋矸壓力進行現(xiàn)場測定。

3.1 頂板巖性詳查

首先對留巷巷道頂板巖性進行詳查，作為碎脹系數(shù)測定方法的選擇依據(jù)和測定基礎(chǔ)。8304工作面原巖性鉆孔位于進尺550m處(如圖2所示)，由該鉆孔可以看出，工作面頂板較為復合，存在多層泥巖與砂巖互層，整體條件較為復雜。為進一步掌握8304工作面留巷頂板巖性變化，為后續(xù)碎脹系數(shù)測定提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，分別于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m進尺處對頂板巖性進行鉆孔窺視，得到上覆巖層斷面圖，如圖4所示。

圖4 8304工作面留巷巷道上覆巖層斷面圖

3.2 碎脹系數(shù)測定

由8304工作面上覆巖層斷面圖可以看出，該頂板巖性于切頂范圍內(nèi)存在明顯分層，因此可考慮首先使用自然觀測法對頂板碎脹系數(shù)進行觀測。工作面回采后，采空區(qū)頂板垮落堆積形成留巷碎石幫，碎石幫下層矸石塊度較小、色澤較暗，上層矸石塊度較大、色澤較亮，對比巖性圖，可知碎石幫下層由泥巖垮落形成，碎石幫上層由細砂巖垮落形成。

在工作面回采過程中，分別于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m進尺處每日測量碎石幫泥巖、細砂巖矸石垮落分層處高度，與上覆巖層斷面圖中直接頂泥巖厚度的比值即為頂板泥巖碎脹系數(shù)，根據(jù)六個測點的測量結(jié)果，擬合得到泥巖碎脹系數(shù)與滯后工作面距離的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 泥巖碎脹系數(shù)變化曲線

8304工作面切頂范圍內(nèi)頂板巖性主要為泥巖和細砂巖兩種，其中泥巖的碎脹系數(shù)根據(jù)頂板巖性分層采用自然觀測法即可測定，而細砂巖的分層上限無法于留巷中進行直接觀測，因此需采用標記觀測法進行測定。首先于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m進尺處分別選取5個爆破孔作為標記孔，并將標記孔內(nèi)深度[0m，D泥+0.3m]段使用油漆涂色進行標記(D泥為該處頂板直接頂泥巖厚度)；隨后在工作面回采、頂板垮落后，對標記孔內(nèi)涂色段的垮落高度H標進行測量，則細砂巖的碎脹系數(shù)K可由式(3)進行計算：

K=(H標-H泥)/0.3

(3)

式中，H泥為泥巖垮落高度，m。

根據(jù)六個測點的測量結(jié)果，整理得到泥巖碎脹系數(shù)與滯后工作面距離的變化關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 細沙巖碎脹系數(shù)變化曲線

3.3 側(cè)向壓力測定

為進一步掌握頂板冒落矸石的碎脹系數(shù)演化與側(cè)向壓力之間的關(guān)系，研究對留巷碎石幫的側(cè)向壓力，即留巷擋矸壓力也進行了測定，將擋矸壓力盒安裝于碎石幫與擋矸工字鋼之間，隨后每日記錄擋矸壓力示數(shù)及工作面回采進尺，得到擋矸壓力監(jiān)測曲線如圖7所示。

圖7 擋矸壓力監(jiān)測曲線

4 測定結(jié)果分析

4.1 碎脹系數(shù)取值

由圖5、圖6測定結(jié)果可知，8304工作面采空區(qū)頂板中，泥巖垮落壓實后最終殘余碎脹系數(shù)為1.49，細砂巖垮落壓實后最終殘余碎脹系數(shù)為1.37?？紤]頂板切縫深度范圍內(nèi)主要巖性為泥巖和細砂巖，且各層厚度變化如圖4所示，根據(jù)式(2)可對留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m進尺處頂板碎脹系數(shù)進行計算，計算結(jié)果見表1，計算得頂板碎脹系數(shù)均在1.38～1.41之間，取平均值為1.40。

表1 留巷側(cè)采空區(qū)頂板碎脹系數(shù)計算結(jié)果表

4.2 碎脹系數(shù)演變規(guī)律

根據(jù)圖5、圖6測定結(jié)果可知，泥巖垮落后初始碎脹系數(shù)為1.71，壓實后殘余碎脹系數(shù)為1.49；細砂巖初始碎脹系數(shù)為1.56，殘余碎脹系數(shù)為1.37。在采空區(qū)垮落壓實過程中，兩種巖性碎脹系數(shù)均逐漸減小隨后趨于穩(wěn)定，其中泥巖自工作面架后21m開始有碎脹系數(shù)記錄，架后36～79m段碎脹系數(shù)下降最為明顯，架后109m后碎脹系數(shù)基本穩(wěn)定；細砂巖自工作面架后23m開始有碎脹系數(shù)記錄，架后39～75m段碎脹系數(shù)下降最為明顯，架后103m后碎脹系數(shù)基本穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場觀測，泥巖較之細砂巖，垮落塊度較小，初始碎脹系數(shù)及殘余碎脹系數(shù)較大，碎脹系數(shù)穩(wěn)定區(qū)滯后架后距離較長。

4.3 碎脹系數(shù)與側(cè)向壓力關(guān)系

根據(jù)圖7碎石幫側(cè)向壓力監(jiān)測結(jié)果，滯后工作面29m時擋矸壓力盒開始有示數(shù)，為0.2MPa；隨后擋矸壓力逐漸上升，滯后工作面67m時上升速度變緩，直至滯后工作面103m時達到壓力最大值0.46MPa；之后隨工作面推進，擋矸壓力值出現(xiàn)下降，滯后工作面223m時擋矸壓力值逐漸穩(wěn)定于0.28MPa。即初始進入采空區(qū)后，由于頂板矸石的垮落，碎石幫側(cè)向壓力快速增加；隨后采空區(qū)矸石堆積接頂，形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，上覆頂板再次來壓時，碎石幫側(cè)向壓力增加速度降緩；之后隨著工作面采場的逐漸遠離，碎石幫遠離應力集中區(qū)，擋矸壓力進一步減小并趨于穩(wěn)定。

圖8 碎脹系數(shù)與側(cè)向壓力關(guān)系曲線

對比碎脹系數(shù)測定結(jié)果，進入采空區(qū)初期時，隨著頂板的逐步冒落，碎石幫側(cè)向壓力快速升高，此時矸石碎脹系數(shù)快速下降；至于架后70～80m時，碎石幫初步形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，側(cè)向壓力增速減小，矸石碎脹系數(shù)降速變緩；至于架后100～110m時，碎石幫側(cè)向壓力達到峰值，矸石碎脹系數(shù)趨于穩(wěn)定；碎石幫側(cè)向壓力達到峰值后，隨著工作面的逐漸推進遠離，側(cè)向壓力會逐漸降低，直至于架后220～230m時趨于穩(wěn)定，而在該階段過程中，矸石碎脹系數(shù)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯回彈上升現(xiàn)象。頂板碎脹系數(shù)與側(cè)向擋矸壓力關(guān)系曲線如圖8所示，可見碎石幫側(cè)向壓力達到峰值后再次下降，但頂板碎脹系數(shù)基本維持不變。

5 結(jié) 論

1)將切頂留巷條件下的頂板碎脹系數(shù)取值方法歸納為層厚加權(quán)計算、現(xiàn)場直接測定兩類，其中現(xiàn)場測定常用方法有自然觀測法、標記觀測法兩種。并以此為基礎(chǔ)，以塔山煤礦8304工作面復合頂板為例，采用多種測定手段相互配合的方法，測定得到其頂板碎脹系數(shù)約為1.40。

2)塔山煤礦8304工作面切頂層位主要巖性為泥巖與細砂巖：泥巖垮落后初始碎脹系數(shù)為1.71，滯后工作面109m時碎脹系數(shù)趨于穩(wěn)定，壓實后殘余碎脹系數(shù)為1.49；細砂巖初始碎脹系數(shù)為1.56，滯后工作面103m時碎脹系數(shù)趨于穩(wěn)定，殘余碎脹系數(shù)為1.37?，F(xiàn)場測定顯示，頂板中泥巖較之細砂巖，垮落塊度較小，初始碎脹系數(shù)及殘余碎脹系數(shù)較大，碎脹系數(shù)穩(wěn)定區(qū)滯后架后距離較長。

3)與碎石幫側(cè)向壓力變化對比顯示，進入采空區(qū)初期時，隨著頂板的逐步冒落，碎石幫側(cè)向壓力快速升高，此時矸石碎脹系數(shù)快速下降；至于架后70～80m時，碎石幫初步形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，側(cè)向壓力增速減小，矸石碎脹系數(shù)降速變緩；至于架后100～110m時，碎石幫側(cè)向壓力達到峰值，矸石碎脹系數(shù)趨于穩(wěn)定；碎石幫側(cè)向壓力達到峰值后，隨著工作面的逐漸推進遠離，側(cè)向壓力會逐漸降低，直至于架后220～230m時趨于穩(wěn)定，而在該階段過程中，矸石碎脹系數(shù)始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯回彈上升現(xiàn)象。