楊 軍，張家賓，2，周 帥，馬新根，2，王亞軍，侯世林，2

（1.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，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；3.內(nèi)蒙古伊泰寶山煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

切頂卸壓自動成巷是1 種新型的無煤柱開采工藝，通過超前工作面在巷道幫頂實施預(yù)裂切縫，利用巖石自重和礦山壓力，切落采空區(qū)頂板并形成矸石墻體，充填密實后形成穩(wěn)定的巷旁支護結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)切斷了采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，促使巷道頂板形成“短臂梁”結(jié)構(gòu)，同時，有利于采空區(qū)側(cè)頂板垮落，加速采空區(qū)垮落矸石接頂，從而達到了卸壓的目的[1-4]。由于該項技術(shù)利用自然垮落的矸石作為補充巷旁支護，矸石墻體不同于完整結(jié)構(gòu)的圍巖體，巖石的碎脹特性嚴重影響該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，研究巖石碎脹系數(shù)對于切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)的成敗具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外的研究學(xué)者對于巖石碎脹系數(shù)展開了大量的研究。廖協(xié)興[5]通過巖石松散-壓實試驗，對比分析了兗州礦區(qū)煤、砂巖、石灰?guī)r的碎脹特性和壓實特性。張俊英[6]等通過對不同狀態(tài)下破碎巖石的壓實試驗，研究分析了碎脹系數(shù)、孔隙率、壓應(yīng)變、割線模量等與軸壓的關(guān)系。余一松[7]通過室內(nèi)物理實驗，研究分析了碎脹系數(shù)與深孔爆破補償空間的關(guān)系，為現(xiàn)場深孔爆破設(shè)計提供理論依據(jù)。汪北方[8]等通過相似材料模擬和巖石壓實試驗，研究分析了采空區(qū)垮落巖體應(yīng)力與碎脹系數(shù)分布規(guī)律之間的關(guān)系，認為采空區(qū)垮落巖體應(yīng)力與碎脹系數(shù)呈現(xiàn)負對數(shù)關(guān)系，為煤礦地下水庫儲水量和地表沉降量提供了理論依據(jù)。梁冰[9]等運用數(shù)學(xué)方法，根據(jù)采空區(qū)垮落巖體應(yīng)力的分區(qū)特性將采空區(qū)劃分為松散堆積區(qū)、堆荷影響區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū)，并建立了采空區(qū)垮落巖體碎脹系數(shù)與煤壁位置的數(shù)學(xué)模型，成功計算了采空區(qū)垮落巖體空隙儲水體積。

在采煤工作中，巖石的碎脹特性對采空區(qū)充填開采[10]、上覆頂板運移規(guī)律[11-12]工作面及巷道頂板管理[13]、瓦斯抽放[14]等方面的研究都有著重要的意義。特別的，在對工作面煤巷進行切頂卸壓自動成巷時，垮落矸石的碎脹特性是切頂參數(shù)的計算以及矸石墻體穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。為此通過理論分析、現(xiàn)場實測研究方法，對碎石幫細粒砂巖碎脹特性進行研究，為切頂卸壓自動成巷圍巖穩(wěn)定性控制提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)

1.1 留巷概況

試驗工作面為寶山煤礦6302 工作面，主采煤層為 6#煤層，煤層厚度 1.5～1.6 m,傾角 1°～3°，埋深53.5～73.7 m。工作面走向長度890 m，傾向長度200 m，采用一次采全高、長壁式綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板。相鄰工作面為6301 工作面和6303 工作面，目前6301 工作面已經(jīng)全部開采，試驗巷道為6302 主運煤巷，工作面布置及留巷方式如圖1。根據(jù)工作面附近鉆孔實測，得到的試驗工作面巷道頂?shù)装宓膸r性特征見表1。

圖1 寶山煤礦切頂卸壓自動成巷試驗巷道平面位置圖Fig.1 Plane position diagram of roadway for automatic roadway formation test of top cutting and pressure relief in Baoshan Coal Mine

表1 頂?shù)装鍘r性Table 1 Top and bottom lithology

1.2 技術(shù)原理

切頂卸壓自動成巷不同于傳統(tǒng)長壁開采工藝，其通過超前工作面預(yù)裂切縫切斷巷道頂板與采空區(qū)頂板的應(yīng)力傳遞路徑，頂板結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)發(fā)生改變，使巷道頂板在恒阻大變形錨索主動支護下形成更加穩(wěn)定的短臂梁結(jié)構(gòu)。而采空區(qū)頂板在礦山壓力和自重的作用下發(fā)生垮落，并碎脹形成矸石墻體與恒阻大變形錨索組成耦合支護體系。由于切頂后采空區(qū)頂板的圍巖應(yīng)力得到一定程度的釋放，有效改善了巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境，在耦合支護體系作用下回采巷道得到有效維護，供下一個工作面使用，從而減少了護巷煤柱，節(jié)省了煤炭資源。由上述原理可知，采空區(qū)矸石的碎脹特性不僅關(guān)系到采空區(qū)的充填效果，對巷道的穩(wěn)定也有重要影響。切頂卸壓自動成巷技術(shù)原理如圖2。

2 巖石碎脹系數(shù)測量方法

2.1 碎脹系數(shù)的機理

圖2 切頂卸壓自動成巷技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of automatic roadway formation for cutting top pressure relief

初（原）始碎脹系數(shù)K0是指發(fā)生垮落膨脹的矸石體積與垮落破碎前原巖體積之比；殘余（穩(wěn)定）碎脹系數(shù)Ks是指采空區(qū)垮落充填密實后矸石剩余體積與原巖體積的比。

垮落矸石的初始碎脹系數(shù)是切頂高度計算和設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，切頂高度Hq是指鉆孔底部到孔口的垂直距離，其與切縫鉆孔深度Hf的關(guān)系是Hq=Hfcosα（α 為切縫角度），為保證切落的矸石能形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，從而限制上覆巖層的回轉(zhuǎn)變形，切頂高度在設(shè)計過程中要大于頂板的垮落高度。由此得到預(yù)裂切縫鉆孔深度的設(shè)計公式：

式中：Hf為預(yù)裂切縫鉆孔深度，m；Hm為工作面采高，m；K0為初（原）始碎脹系數(shù)，α 為切縫角度，（°）。

由煤層采高、切縫高度、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層的關(guān)系，得巖石殘余（穩(wěn)定）碎脹系數(shù)Ks[15]：

式中：Hq為切縫孔高度，m；SL為基本頂巖梁旋轉(zhuǎn)下沉量，SL=Sd-Sl；Sd為頂板下沉量，m；Sl為頂板離層量，m；SG為底鼓量，m。

2.2 自然標定準線法

一般情況下，巖石碎脹系數(shù)K 是巖石破碎后的體積 V′與原巖體積 V 之比，即：K=V′/V，但是，在實際工程中，考慮到采空區(qū)垮落頂板的巖石體積V′、V難以精確測定，因此，按照簡單、準確、易操作的原則將其簡化為頂板垮落破碎后高度h′與破碎前高度h 之比，即：K＝h′/h。結(jié)合寶山煤礦實際工程地質(zhì)條件，建立的碎脹系數(shù)測量模型如圖3。

圖3 自然標定準線法測定巖石碎脹系數(shù)的模型Fig.3 Model of rock fragmentation and expansion coefficient measured by natural calibration alignment method

根據(jù)上述測量模型，針對寶山煤礦110 工法留巷段頂板巖性分布情況，確定110 工法頂板碎脹系數(shù)現(xiàn)場測定方法具體為：

1）利用熒光漆進行測量點位孔洞標記，標出標準初始高度H0以及測量點位置。

2）移架后，待采空區(qū)初次垮落穩(wěn)定，當頂板煤層垮落且露出成巷側(cè)，測量垮落粉砂巖初始高度H1。

3）每 2～4 h 測量測量垮落砂巖高度（H2，…，Hn），即熒光標記最高位置距離巷道底板最大垂直距離。

4）當連續(xù)48 h 測量垮落粉砂巖高度變化值小于10 mm，此高度為細砂巖穩(wěn)定垮落高度Hs，計算實時碎脹系數(shù)Kn。

5）利用公式Kn=Hn/H0，計算實時碎脹系數(shù)Kn，并形成連續(xù)曲線。

6）計算可得該處巖石穩(wěn)定碎脹系數(shù)Ks=Hs/H0（s=max｛1，…，n｝）。

3 工程應(yīng)用

基于上述110 工法碎脹系數(shù)實測原理和測量方法，根據(jù)寶山煤礦6302 工作面的巖性分布情況，超前工作面利用切縫孔標記測量點位，在工作面回采完后，根據(jù)采空區(qū)矸石現(xiàn)場垮落情況對碎脹系數(shù)進行了實測。

3.1 碎脹系數(shù)規(guī)律

根據(jù)對各測點處巖石碎脹系數(shù)的實時監(jiān)測與記錄，得出的巷道區(qū)段內(nèi)測點的實測碎脹系數(shù)隨工作面推進以及隨時間變化的規(guī)律曲線如圖4。

圖4 巖石碎脹系數(shù)監(jiān)測曲線Fig.4 Rock fragmentation and expansion coefficient monitoring curves

由圖4 分析可知：各測點的碎脹系數(shù)隨著時間的變化逐漸變小，初始碎脹系數(shù)從1.83～1.88 逐漸變小并穩(wěn)定在1.35～1.39 之間，均值為1.37；巖石碎脹系數(shù)在 1～10 d 變化劇烈，10～20 d 變化減緩并逐漸趨于穩(wěn)定，20 d 后基本穩(wěn)定。

各測點的碎脹系數(shù)隨著工作面推進逐漸變小，初始碎脹系數(shù)從1.83～1.88 減小并穩(wěn)定于1.34～1.39之間，均值為1.37；滯后工作面6～60 m 測點碎脹系數(shù)變化劇烈，滯后工作面60～120 m 垮落矸石的碎脹系數(shù)變化緩慢，滯后工作面距離大于120 m 后基本壓實穩(wěn)定，此階段垮落矸石的碎脹系數(shù)基本不變。

由圖4 可知：6302 工作面頂板細粒砂巖垮落矸石在壓實過程中分為3 個階段：第1 階段為快速壓實階段，移架后0～10 d，滯后工作面距離6～60 m，碎脹系數(shù)由 1.83～1.88 變化至 1.37～1.42；第 2 階段為緩慢壓實階段，移架后10～20 d，滯后工作面距離60～120 m，碎脹系數(shù)由 1.37～1.42 變化至 1.35～1.39；第3 階段為壓實穩(wěn)定階段，隨著工作面的持續(xù)推進，采空區(qū)碎脹矸石在上覆巖層的重力作用下逐漸充填密實，此時碎脹系數(shù)變化值≤0.01。

3.2 巷道圍巖變形規(guī)律

由于采空區(qū)矸石的碎脹特性對巷旁矸石墻體的穩(wěn)定性和有效性具有顯著影響，進而影響與恒阻大變形錨索耦合支護作用下的巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此，在6302 工作面推進過程中，對巷道圍巖的變形情況進行了適時監(jiān)測，得出的巷道表面位移曲線如圖5。

圖5 巷道圍巖變形規(guī)律Fig.5 Surrounding rock deformation law of roadway

由圖5 分析可知：受超前支撐壓力影響，在距工作面約30 m 時，巷道開始發(fā)生變形；滯后工作面約0～60 m 范圍內(nèi)，巷道變形劇烈，為動壓影響區(qū)；60～120 m 范圍內(nèi)，隨著采空區(qū)側(cè)頂板逐步垮落壓實，巷道變形趨于平緩動壓穩(wěn)定區(qū)；滯后工作面120 m后，采空區(qū)矸石垮落密實，并對上覆巖層提供足夠的支撐反力，與恒阻大變形錨索形成耦合支護，巷道變形穩(wěn)定，為變形穩(wěn)定區(qū)。最終，無煤柱自成巷頂板移近量為296 mm，其中頂板下沉量為180 mm，底鼓量為116 mm；兩幫縮進量135 mm，其中副幫縮量27 mm，正幫縮量108 mm。

圖4、圖5 對比分析可知，巷道頂板的變形規(guī)律與采空區(qū)矸石的碎脹特性都存在3 個階段：

1）第1 階段。0～60 m，由于碎脹矸石未能密實充填采空區(qū)，耦合支護體系尚未形成，巷道頂板變形劇烈，碎脹矸石在上覆巖層的自重和沖擊作用下快速壓實。

2）第 2 階段。60～120 m，碎脹矸石已經(jīng)密實充填采空區(qū)，并對巷道頂板產(chǎn)生一定的支護力，耦合支護體系開始形成，碎脹矸石逐步壓實，支護強度逐步增加，巷道圍巖變形趨緩。

3）第3 階段。120 m 以后，耦合支護體系構(gòu)建形成，碎脹矸石基本壓實穩(wěn)定，巷道圍巖變形穩(wěn)定。因此，在滯后工作面0～120 m，由于采空區(qū)碎脹矸石尚不能形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，耦合支護體系未能形成，應(yīng)及時在巷道內(nèi)部進行臨時補強支護，以維護巷道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

1）目前對巖石碎脹系數(shù)的研究主要采用室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬方法，因為受到多重因素的影響，得到的巖石碎脹系數(shù)與實際存在較大誤差。忽略巖石的泊松效應(yīng)，將巖石破碎前后的體積之比轉(zhuǎn)化為巖石原位狀態(tài)下的高度之比，簡化了測量難度的同時又保證了巖石碎脹系數(shù)測量值的精度。

2）傳統(tǒng)巖石碎脹系數(shù)的現(xiàn)場測量方法，對于直接頂厚度較大和難以顯著區(qū)分巖性分界線出的采空區(qū)矸石，難以得到精確的碎脹系數(shù)測量值，采用自然標定準線法，首先利用爆破孔預(yù)先標定初始高度，待工作面回采過后，測量采空區(qū)帶有明顯標記的碎脹矸石垮落高度，可以精準測量巖石的碎脹系數(shù)。

3）寶山煤礦6302 工作面采空區(qū)矸石從垮落到壓實經(jīng)歷了3 個階段：快速垮落、緩慢壓實、穩(wěn)定壓實3 個階段，碎脹系數(shù)隨著工作面的推進逐漸變小，最終穩(wěn)定值介于1.35～1.39 之間，均值為1.37。

4）工作面巷道頂板從發(fā)生變形到最終穩(wěn)定經(jīng)歷了3 個區(qū)段：動壓影響區(qū)、動壓穩(wěn)定區(qū)、變形穩(wěn)定區(qū)，巷道圍巖隨著工作面推進逐漸穩(wěn)定，最終巷道圍巖變形量為頂?shù)装逡平?96 mm, 兩幫移近量135 mm。工作面在切頂留巷過程中，巷內(nèi)臨時支護體系和巷旁擋矸支護體系支護長度應(yīng)≥120 m。