李小鵬，申駿超，姜彥軍，于 濤

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.鄭州煤炭工業(yè)集團 新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451100)

沿空留巷是煤礦常用的無煤柱護巷技術(shù)之一，在技術(shù)和經(jīng)濟上有很大的優(yōu)越性，如減少區(qū)段保護煤柱，提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進工作量，緩解采掘接替緊張局面，改善工作面通風條件等[1]，其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益顯著。到目前為止，我國在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面進行了大量的研究工作，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護、巷內(nèi)支護、加強支護及煤幫加固技術(shù)已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題[2-5]。巷旁支護是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)[6，7]，目前我國巷旁支護主要為充填體護巷。根據(jù)充填材料不同，大致分4種充填技術(shù)：高水速凝材料、膏體材料、柔模泵注和快硬混凝土[8，9]。這些充填技術(shù)具有凝固速度快、早期強度高、采空區(qū)密閉效果好、機械化程度高、勞動強度低等特點，使我國沿空留巷技術(shù)水平得到大幅度提高。在支護理論方面，何滿潮[10]研究了采空區(qū)側(cè)頂板預裂卸壓機制，建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護體”力學模型，推導得出了巷旁支護阻力的計算方法。陳勇、柏建彪等[11]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗，分析充填體寬度與留巷圍巖應力和變形的關(guān)系，確定了合理的巷旁充填體寬度。譚云亮等[12]提出充填體需要有載荷適用性和變形適應性，并得出了巷旁充填體強度公式。張東升等[13]通過沿空留巷物理和數(shù)值模擬，推導出充填體強度、縱向應變及充填側(cè)頂板下沉量等估算公式。沿空留巷成功的前提是對巷道圍巖進行有效支護，使得圍巖達到自穩(wěn)狀態(tài)，避免產(chǎn)生過大的變形與破壞，充填體的穩(wěn)定是沿空留巷成功的關(guān)鍵。

趙家寨煤礦12209工作面為典型的三軟厚煤層綜采工作面，由于巷道托頂煤厚度不同(1～4m)，巷道頂板松軟破碎，且直接頂厚度較小，其上部為比較堅硬的老頂，雖然回采后直接頂隨之垮落，但因厚度不大，不能填滿采空區(qū)，老頂置于懸露狀態(tài)，當工作面推進一段距離后老頂才開始垮落，此時因采空區(qū)落差較大[14]，致使工作面呈現(xiàn)周期來壓狀態(tài)，回采巷道變形特別嚴重。因此針對趙家寨煤礦12209工作面留巷困難的現(xiàn)狀，提出超前切頂、巷內(nèi)充填的留巷方案并在現(xiàn)場選取典型試驗巷道進行試驗。

1 工程概況

趙家寨煤礦12209工作面主采山西組二1煤，煤質(zhì)松軟，強度較低，層理不清，煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層平均厚度6.5m，平均傾角4°。巷道沿底板掘進，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.29m，基本頂為大占砂巖，平均厚度19.52m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度8.86m。工作面頂?shù)装鍘r層柱狀如圖1所示。

圖1 12209工作面地層綜合柱狀

12209工作面巷道掘進期間采用全錨網(wǎng)支護，擴巷后進行補強加固。原巷道為矩形斷面，寬5.4m，高3.5m，凈斷面18.9m2，擴巷3.5m，擴巷后凈寬8.9m，總斷面31.15m2。原巷道支護參數(shù)如下：

頂板支護使用螺紋鋼錨桿，規(guī)格?20mm×2400mm，單排7根布置，間距800mm，排距800mm；使用鋼絞線錨索，規(guī)格?17.8mm×8200mm，呈“3-2-3”布置，錨索間距1200mm，排距1600mm。幫部支護運輸巷兩幫采用錨網(wǎng)支護，錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，間距800mm，排距800mm。擴巷后采用“冷拔絲編織網(wǎng)+鋼筋焊接網(wǎng)+H型鋼帶(橫向)+頂錨索+頂W鋼帶(縱向)+錨桿”進行補強支護。斷面采用規(guī)格為?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為幫部800mm×600mm，頂部為600mm×600mm。錨索按“3-2-3”布置，錨索為?17.8mm×8200mm鋼絞線錨索，排距600mm。擴巷后支護參數(shù)如圖2所示。

圖2 回采巷道支護斷面(mm)

擴巷后在巷道工作面?zhèn)冗M行超前爆破切頂，爆破使用煤礦3級許用水膠炸藥，采用雙抗D型聚能管作為炸藥的載體，為保證定向切頂，在裝藥時使各爆破孔聚能管兩側(cè)凹槽連線始終與巷道走向平行。在進行切頂時，切頂角度越大，切頂效果越好，但由于頂板巖層較軟，巷道跨度較大，為避免切頂后巷道頂板發(fā)生垮塌，所以需要保留一定的角度進行切頂，使得切頂后煤壁側(cè)實體煤對頂板施加一個側(cè)向的支撐力，避免巷道頂板發(fā)生垮塌。另外考慮到趙家寨礦頂板鉆孔施工問題，垂直頂板進行鉆孔施工難度較大，將鉆孔向工作面?zhèn)葍A斜一定角度，以保證鉆孔施工順利。綜合考慮后確定切頂角度為垂直巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。

根據(jù)以往爆破經(jīng)驗，結(jié)合礦井實際地質(zhì)條件，確定切頂高度為工作面基本頂2/3的界面高度時，切頂部分直接垮落，剩余基本頂在自重及上覆巖層載荷的影響下完全垮落。根據(jù)圖1中巖層分布可知，工作面基本頂界面高度為25.3m，因此，爆破孔深度為：

式中，Hf為切頂高度，取18.8m；α為爆破孔沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)角度，取10°；β為爆破孔與工作面運輸巷走向方向所成夾角，取90°。

計算可得爆破孔深度H為19.2m?？紤]到巖層厚度的變化以及保證厚硬頂板在礦山壓力作用下順利垮落，現(xiàn)場爆破孔采用20m。經(jīng)過現(xiàn)場試驗確定，爆破孔深20m時基本頂完全垮落，垮落后的頂板能夠有效支撐上覆巖層。

綜合考慮，確定爆破孔深20m，孔徑為50mm，傾角為沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。切頂結(jié)束后工作面開始回采，并在工作面后方巷道內(nèi)，以泵送C30型號混凝土作為充填材料，模箱澆筑方式構(gòu)筑巷旁充填墻體。切頂及巷內(nèi)充填體留設位置如圖3所示。

圖3 切頂及巷內(nèi)充填方案

2 不同條件下的充填墻力學特征及尺寸優(yōu)化

充填墻在支護受力過程中，主要以受壓為主，墻體破壞也多為受壓破壞，因此對充填墻受壓強度進行設計[15]。

2.1 未超前切頂時充填墻力學特征分析

隨著工作面推進，采空區(qū)的直接頂在巖體的自重影響以及充填墻體的切頂阻力作用下，直接頂沿充填墻體破斷、垮(冒)落。而采空區(qū)的基本頂由于巖層較厚且?guī)r性較硬，當基本頂折斷垮落后會在巷道上方形成倒臺階鉸接梁[16]。充填體受力模型如圖4所示。

圖4 未超前切頂充填體后期受力模型

充填墻受力按照式(2)[17]計算：

(2)

式中，h5、h3、h4分別為頂煤、直接頂、基本頂?shù)暮穸?，m；γ2、γ3、γ4分別為煤體、直接頂、基本頂單位長度的自重，kN/m3；L1為老頂超前斷裂步距，m；L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度，m；L3為關(guān)鍵塊體長度，m。

關(guān)鍵塊體長度按式(3)[18]計算；

式中，l為基本頂來壓步距，m；Lm為工作面長度，m。

qn為上覆巖層載荷，按照式(4)[19]計算；

式中，x0為應力極限平衡區(qū)的寬度，按照式(5)[20]計算(或通過礦井生產(chǎn)探測鉆孔確定)：

式中，λ為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴膬?nèi)摩擦角，(°)；k為實煤體幫側(cè)向支承應力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；c0為煤層與頂?shù)装宓酿ぞ哿?，MPa；Px為煤幫支護阻力，MPa。

σy為應力極限平衡區(qū)的支承應力，按照式(6)[21]計算；

式中，h2為煤層厚度，m。

在充填墻留設期間，為保證充填墻不發(fā)生破壞性變形，充填墻的受力σ2應小于充填墻強度σc，即σ2≤σc[22]。所以未超前切頂時巷旁充填墻寬度a1應滿足式(7)：

(7)

2.2 超前切頂時充填墻力學特征分析

巷道在完成擴巷并進行爆破切頂后留設充填墻，隨著工作面推進，采空區(qū)上方的基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，由于基本頂在采空區(qū)懸露長度較短，產(chǎn)生彎矩較小，基本頂在實體煤側(cè)基本不發(fā)生回轉(zhuǎn)。充填墻與煤壁共同承擔頂板和基本頂上覆巖層的重量。充填墻受力模型如圖5所示。

圖5 超前切頂充填墻后期受力模型

此時充填墻受力按照式(8)計算：

(8)

式中，L3為基本頂從切頂線到應力極限平衡區(qū)投影長度，m；L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度，m。

關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長度按照式(9)計算：

超前切頂時巷旁充填墻寬度a2應滿足式(10)：

(10)

計算巷內(nèi)充填墻寬度范圍的參數(shù)如下：λ=1.25，Lm=195m，l=21m，m=3.1m，c0=0.5MPa，k=1.5，φ0=35°，Px=0.1kN/m，H=300m，γ2=19.7kN/m3，γ3=22.5kN/m3，γ4=25kN/m3，h1=8.8m，h2=6.5m，h3=2.3m，h4=19.5m。不切頂時L1=15m，L2=10m，L3=25.0m；切頂時L1=15m，L2=2.83m，L3=17.83m；經(jīng)過計算，上覆巖層載荷qn=3.13MN/m；根據(jù)地質(zhì)資料顯示，在工作面推進10d左右出現(xiàn)初次來壓，巷旁充填體10d左右應達到切頂阻力，由試驗可知充填體10d的強度可以達到27.5MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式，由式(7)和式(10)可得未超前切頂與切頂時的最小充填墻留設寬度(a1，a2)為(3.5，2.2m)。由理論計算結(jié)果可知，超前切頂與不切頂相比，巷道巷道穩(wěn)定時所需留設充填墻寬度明顯減小。

3 沿空巷道超前切頂充填墻尺寸優(yōu)化數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

以趙家寨煤礦12209工作面回風巷實際地質(zhì)條件為依據(jù)，建立數(shù)值模型，數(shù)值模型長×寬×高=450m×50m×50m。數(shù)值模型兩側(cè)、底部和前后界面進行位移和應力邊界約束，12209工作面平均埋深300m，在模型頂部施加初始垂直載荷σz=7.5MPa，在兩側(cè)施加初始水平載荷σx=σy=9.375MPa，采用摩爾-庫侖本構(gòu)準則。通過數(shù)值模擬對不切頂與切頂時的沿空巷道進行對比，并確定合理的充填墻留設寬度。模型各分層物理力學性質(zhì)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

3.2 切頂卸壓與不切頂卸壓對比分析

對切頂卸壓與不切頂卸壓兩種情況進行數(shù)值模擬對比，應力云圖與位移分布如圖6、圖7所示。

圖6 切頂與不切頂應力對比

圖7 切頂與不切頂位移對比

由圖6、圖7可知，超前切頂時，巷道煤壁側(cè)集中應力為13.0MPa，切頂時巷道頂板最大下沉量約為0.35m；不超前切頂時，巷道煤壁側(cè)集中應力為22.6MPa，巷道頂板最大下沉量約為0.80m。二者相比，超前切頂時，回采巷道煤壁側(cè)集中應力與巷道上方基本頂所受應力明顯減小，頂板最大下沉量明顯減小。超前切頂能夠切斷采空區(qū)與回采巷道頂板的應力傳遞，有效降低回采巷道所受應力，減少巷道圍巖變形。

由理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，對回采巷道進行切頂，可以有效改善回采巷道圍巖應力分布，降低充填體所受載荷。對切頂后的回采巷道進行模擬計算，確定合理的充填體留設寬度。

3.3 切頂卸壓條件下充填墻留設模擬結(jié)果分析

3.3.1 回采巷道及充填墻垂直應力分析

切頂時，隨著工作面推進，基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，充填墻及實體煤壁共同支撐回采巷道頂板。不同寬度充填墻時回采巷道垂直應力分布如圖8所示。

圖8 不同寬度充填墻時垂直應力分布

不同寬度充填墻時充填墻內(nèi)部垂直應力分布曲線如圖9所示，由圖9可知，充填墻內(nèi)部垂直應力較小，在兩側(cè)出現(xiàn)應力集中，采空區(qū)側(cè)受力最為顯著。隨著充填墻寬度的增加，垂直應力峰值及應力變化速率都出現(xiàn)減小。當充填墻寬度為1.4m或1.8m時，充填墻內(nèi)部垂直應力劇烈變化且垂直應力峰值較大。當寬度增加到2.2m后充填墻所受壓力出現(xiàn)較大幅度減小且峰值較小，墻體內(nèi)部垂直應力分布比較平穩(wěn)。這表明當寬度為2.2m時充填墻內(nèi)部應力分布比較均勻，充填墻承載能力得到較大提升且破壞變形較小。

圖9 不同寬度充填墻時充填墻中垂直應力

不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力分布曲線如圖10所示，當充填墻寬度為1.4m時，煤體中的垂直應力最大；當巷內(nèi)充填墻寬度達到2.2m時，實體煤幫中的垂直應力出現(xiàn)較大減??；當充填墻寬度繼續(xù)增加，實體煤幫垂直應力變化較小。這表明當充填墻寬度為2.2m時，充填墻能夠?qū)敯逄峁┹^大的支撐阻力，有效支撐頂板，使得回采巷道上方頂板受力較為均勻，從而減輕了頂板下沉在煤幫中形成的應力集中程度。

圖10 不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力

3.3.2 回采巷道頂板位移分析

不同寬度充填墻時頂板位移分布曲線如圖11所示，由圖11可知，隨著充填墻寬度的增加，充填墻對巷道頂板的支護作用不斷增強，頂板垂直位移不斷減小。當充填墻寬度為1.4m時，頂板最大下沉量為0.49m；寬度為1.8m時，頂板最大下沉量為0.44m；寬度為2.2m時，頂板最大下沉量為0.35m；寬度為2.6m時，頂板最大下沉量為0.33m；寬度為3.0m時，頂板最大下沉量為0.29m。當充填墻寬度增加到2.2m時，頂板垂直位移出現(xiàn)明顯減小，這表明充填墻寬度達到2.2m時充填墻對頂板有較強的支撐力，對頂板的支撐效果較好，頂板未發(fā)生較大變形。

圖11 不同寬度充填墻時巷道頂板垂直位移

3.3.3 回采巷道及充填墻塑性區(qū)分析

不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)分布情況如圖12所示，隨著充填墻留設寬度的增加，充填墻及圍巖的塑性破壞區(qū)逐漸減小。在充填墻寬度從1.4m增加到2.2m時，充填墻塑性破壞區(qū)大范圍減??；當留設寬度從2.2m增加到3.0m時，充填墻塑性破壞區(qū)范圍變化較小。在充填墻寬度為2.2m時，充填墻體塑性區(qū)較小，墻體大部分完好，破壞較小，這表明在當充填墻寬度為2.2m時，充填墻的的抗壓能力較強，在頂板壓力作用下充填體未發(fā)生較大破壞，充填墻比較完整。

圖12 不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)

4 現(xiàn)場應用效果監(jiān)測

根據(jù)研究成果，在趙家寨礦12209工作面回風巷選取一段試驗巷道進行施工，采用頂板離層儀和幫部位移計進行巷道穩(wěn)定性監(jiān)測，超前切頂并留設充填墻后巷道變形監(jiān)測結(jié)果圖13所示。

圖13 巷道變形監(jiān)測

由圖13可知，隨著工作面的推進，在充填墻留設10d左右，巷道初次來壓，巷道頂?shù)装遄冃嗡俾试龃?，頂?shù)装遄畲笠平考s為15cm，充填墻整體完好；在充填墻留設90d左右，巷道頂板趨于穩(wěn)定，頂板最大移近量約為35cm，巷道整體穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 論

1)理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果表明，切頂卸壓能夠有效減小維持巷道穩(wěn)定所需的充填墻留設寬度，切頂卸壓條件下充填墻的合理留設寬度為2.2m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當充填墻寬度為2.2m時，充填墻體具有足夠承載能力且巷道圍巖整體變形較小，圍巖破壞范圍較小。綜合考慮，確定12209工作面充填墻合理留設尺寸為寬×高=2.2m×3.4m。

2)現(xiàn)場監(jiān)測表明，12209工作面沿空留巷時對回采巷道進行超前切頂卸壓并留設寬度為2.2m充填墻能夠有效維護回采巷道的穩(wěn)定，保證留巷的成功進行。