李 帥，侯世林，王宏宇，魏慶龍，喬博文

(1.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖石力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083)

傳統(tǒng)采煤大多采用長壁開采121工法，該工法以錢鳴高、宋振琪等的理論為基礎，回采一個工作面需要在工作面兩端分別掘進一條順槽，同時還需要在相鄰兩個工作面之間留設一片區(qū)段煤柱，區(qū)段煤柱的留設將造成大量的煤炭資源浪費。

針對留設煤柱造成的資源浪費問題，我國學者做了大量的研究。我國沿空留巷技術發(fā)展始于20世紀50年代，巷旁支護經(jīng)歷了矸石墻、密集支柱、砌塊、高水材料、高強混凝土材料的發(fā)展過程[1]。孫恒虎等[2]以彈塑性力學為理論基礎，簡化采場頂板，認為頂板巖層間黏結力近似為零，繼而將頂板簡化為層狀組合板，得出層狀組合板支撐邊界是沿空留巷巷旁支護體工作阻力荷載的主要來源。張農(nóng)等[3]于千米深高地壓軟巖巷道進行了沿空留巷現(xiàn)場試驗，其采用“三高”錨桿+錨索梁初始支護、錨索梁+注漿超前加固、工字鋼梁+鉸接頂梁輔助支護、膏體材料泵送充填構筑墻體的支護方式，有效控制了深部沿空留巷巷幫部及頂板的劇烈變形，為大埋深沿空留巷發(fā)展提供了重要參考。李化敏[4]采用理論力學分析了沿空留巷不同時期頂板活動規(guī)律與特征，提出了巷旁支護工作阻力計算公式，提出了對應的巷旁支護設計原則。漆泰岳等[5]通過現(xiàn)場實測和理論分析，研究了各種條件下巷旁澆筑護巷充填體的可行性。華心祝等[6]采用理論力學和材料力學相結合的辦法，提出了采用錨索加強巷旁支護和巷旁密集支柱聯(lián)合支護的方法，實現(xiàn)沿空留巷頂板的穩(wěn)定控制。孫曉明等[7]根據(jù)深部巷道圍巖在開挖和支護時所表現(xiàn)的非線性力學過程特性，對錨網(wǎng)索耦合支護時空規(guī)律進行了數(shù)值模擬和工程應用研究，提出了錨網(wǎng)索與圍巖之間時空耦合的最佳二次支護時間。何滿潮等[8]根據(jù)“軟巖大變形理論”提出了耦合支護原理，該理論認為，巷道變形破壞的主要原因是支護體和圍巖在強度、剛度、結構上不耦合，主張加強關鍵部位的支護，充分調動深部穩(wěn)定巖層的強度，實現(xiàn)支護一體化，荷載均勻化，根據(jù)理論分析和大量的工程實踐，提出了軟巖巷道復合型變形機制向單一型轉化的支護對策。

切頂成巷無煤柱開采技術通過在采空區(qū)側定向切頂卸壓，阻斷上覆巖層的傳力結構，實現(xiàn)了自動成巷的無煤柱開采[9]，該技術克服了傳統(tǒng)留設煤柱開采方法資源浪費嚴重、煤柱應力集中和沖擊地壓等缺點，降低了安全事故發(fā)生率，其通過爆破切頂實現(xiàn)對上覆巖層傳力結構的破壞，在使留巷側巖石保持完整的情況下使采空區(qū)側巖石提前冒落，繼而完成自動成巷[10]。因技術限制，目前大多采用炸藥爆破進行巷旁切頂操作，由于切頂爆破具有隨機性與不可控性，給巷道動載期間帶來一系列安全隱患，因此，厚煤層切頂留巷動載期間臨時支護技術現(xiàn)場試驗研究具有非常重要的意義。

本文以陜煤集團檸條塔煤礦切頂留巷開采工業(yè)性試驗為工程背景，在切頂留巷試驗段采用以單體液壓支柱為主要支護設備的支護方案進行現(xiàn)場試驗，在無煤柱自成巷試驗段采用以切頂護幫支架為支護主體的支護方案進行現(xiàn)場試驗，并對兩種方案支護條件下的散體幫頂?shù)装逡七M量進行了對比分析。以探尋切頂留巷條件下散體幫側合理的支護方案。

1 工程概況

檸條塔煤礦切頂留巷及無煤柱自成巷項目是陜煤集團神木檸條塔煤礦與中國礦業(yè)大學深部巖石力學與地下工程重點實驗室聯(lián)合共建項目，項目分為切頂留巷及無煤柱自成巷兩個階段。

1.1 切頂成巷試驗段

切頂留巷實驗工作面位于南翼2-2煤層西大巷北側，北臨紅檸鐵路煤柱，東臨S1203工作面，西臨S1201-I掘進工作面。工作面向北切眼處距紅檸鐵路約120 m，工作面輔運順槽向西距惠寶煤礦東邊界1 200 m，工作面回風順槽向東距礦井南風井廠區(qū)1 200 m，向南為通往西客站的公路。工作面走向長3 010.3 m，傾斜長295 m，面積888 038.5 m2。工作面采用一次采全高、走向長壁后退式、綜合機械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。該工作面煤層厚度4.17～4.80 m，設計采高4.35 m。直接頂為灰色薄層狀粉砂巖，厚度2.82～5.04 m，直接底為0～1.3 m的砂質泥巖，基本頂為淺灰色、淺白色細粒石英砂巖，厚度5.4～20.63 m。依據(jù)該工作面礦壓觀測結果，基本頂周期來壓步距平均為16.2 m，周期來壓強度平均為42.7 MPa。工作面巷道布置圖見圖1。

1.2 無煤柱自成巷試驗段

無煤柱自成巷工作面位于2-2煤層，工作面傾向長度280 m，走向長度2 344 m，可采儲量336.7萬t，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。

工作面老頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5 m，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯層理。直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05 m，灰色、灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯層理。直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3 m，灰色，夾細粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理，工作面外段局部底板為炭質泥巖。老底為細粒砂巖，厚3.2～19.6 m，白色灰薄層狀細粒長石石英砂巖，含白云母碎片，具波狀層理(圖2)。

圖1 工作面巷道布置圖

圖2 巷道頂板條件及基本支護截面圖

2 切頂留巷支護方案

單體液壓支柱是傳統(tǒng)支護應用較多的支護設備，其具有運輸、安裝便捷、提供壓力穩(wěn)定等特點。

方案設計采空區(qū)側碎石巷幫采用“單體支柱+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”進行支護。施工過程中先用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U型鋼。擋矸所用U型鋼型號為25U，初步設計U型鋼間距為0.4 m，工作面架后200 m全部采用單體液壓支柱進行臨時加強支護，單體排距0.8 m，同樣采用“一梁五柱”式，每排單體上方架設一根π型梁，長度為4.5 m(圖3)。

圖3 單體液壓支柱支護方案示意圖

3 無煤柱自成巷支護方案

為適應切頂后巷道頂板壓力規(guī)律，設計制造臨時支護墩式支架，該墩式支架主要組成部分為：頂梁、立柱、底座、液壓控制系統(tǒng)等，其底座部分為剛性船頭式結構，能夠很好地適應起伏變化的巷道底板情況，保證了移架的便捷性。支架頂梁支持縱向偏擺與橫向偏擺，適應基本頂上位巖層回轉變形。支架設置有安全閥，當達到工作阻力時，立柱回縮讓壓，使圍巖重新穩(wěn)定。

方案設計采空區(qū)側碎石巷幫用“墩式支架+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”進行支護?？缮炜sU型鋼間距600 mm，U型鋼豎直布置，并用鐵絲與金屬網(wǎng)連接固定，金屬網(wǎng)采用柔性8#鉛絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)配合使用，菱形網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×1 000 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3 800 mm×1 000 mm(圖4)。

圖4 墩式支架支護方案示意圖

根據(jù)機尾設備布置及鉆機支架設計尺寸，可伸縮U型鋼及掛網(wǎng)施工位置位于鉆機支架底拖板后方1.6 m范圍內(nèi)?？缮炜sU型鋼及金屬網(wǎng)安裝在緊貼鉆機支架擋矸板靠巷道內(nèi)側，安裝完成后利用切頂護幫支架側向擋矸橫桿抵緊可伸縮U型鋼，擋矸橫桿側推千斤頂工作阻力109 kN，千斤頂行程960 mm。

4 試驗結果分析

4.1 支護效果對比

經(jīng)過兩種切頂支護方案的現(xiàn)場試驗，測得兩種情況下巷道頂?shù)装逡七M量、兩種方案下主要支護設施的受力情況，通過上述兩組數(shù)據(jù)對比分析切頂支護的應用效果，現(xiàn)場支護效果如圖5和圖6所示。

圖5 切頂留巷支護效果

4.2 頂板變形對比

在試驗進行過程中分別對切頂留巷及無煤柱自成巷段進行及時監(jiān)測點布置，在巷道頂板進行位置標記，運用頂?shù)装逡七M量測量儀與人工測量法對頂?shù)装逡七M量進行精準測量，在測量數(shù)據(jù)中選取距開切眼90 m處切縫側頂?shù)装逡七M量情況進行對比分析，其隨工作面推進變化曲線如7圖所示。

圖7 90 m處監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比

由于無煤柱自成巷與切頂留巷兩種采煤方法的巷道掘進方式不同，前者采用工法專用采煤機進行邊采邊留巷操作，故而其頂?shù)装逦灰票O(jiān)測滯后于工作面。而采用切頂留巷工法的工作面則需進行預留巷道的提前掘進并進行超前支護，其數(shù)據(jù)監(jiān)測超前于工作面。

由圖7可知，在以墩式支架為主體的無煤柱自成巷試驗段中，其頂?shù)装逡七M量最大值為122.4 mm，切頂留巷段在以單體支柱為主要支護設施的情況下頂?shù)装逡七M量最大值為325.7 mm，墩式支架在控制頂板變形方面更有優(yōu)勢；墩式支架支護情況下的頂?shù)装逡七M速率明顯低于單體液壓支柱情況下的頂?shù)装逡七M速率，其支護效果更為穩(wěn)定，控制頂板沉降效果顯著。

由圖8和圖9可知，在液壓支柱支護情況下，頂?shù)装逡七M量從不穩(wěn)定期到穩(wěn)定期的轉化時間明顯長于墩式支架。在曲線方面，單體支柱支護情況下呈現(xiàn)多處波動，而墩式支架支護情況下其曲線呈現(xiàn)平滑狀態(tài)，說明墩式支架提供的支護力穩(wěn)定且長久。

圖8 160 m處監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比

圖9 250 m處監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比

5 結 論

1) 通過對不同測點頂?shù)装逡七M量數(shù)據(jù)的整理分析，得出使用墩式支架作為臨時支護主體能夠快速提供穩(wěn)定的支承壓力使頂?shù)装逡七M量控制在100 mm左右，為巷道頂板提供了安全可靠的支護；以單體液壓支柱為主的臨時支護方案的穩(wěn)定范圍在350 mm左右，效果劣于墩式支架。

2) 通過對比不同測點頂?shù)装逡七M量曲線變化，以單體液壓支柱為主支護方案的曲線斜率明顯高于墩式支架，說明后者支護阻力的穩(wěn)定性高于前者，效果更加明顯。

3) 通過繪制監(jiān)測點支護阻力變化，得出切頂卸壓措施處理后巷道在目前支護設施控制范圍之內(nèi)，說明切頂卸壓自動成巷的理論具有可實踐性。