郭金剛，李耀暉，石松豪，蔣再勝，陳冬冬，何富連，謝生榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.晉能控股集團，山西 大同 037003)

為實現(xiàn)煤炭開采可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[1-3]，切頂卸壓自成巷技術(shù)被廣泛應(yīng)用于我國各類礦井中，該技術(shù)不僅能提高煤炭資源采出率、延長礦井服務(wù)年限、減少巷道掘進量及緩和采掘接替沖突，而且留巷快速、成本低廉，加之切縫結(jié)構(gòu)面切斷了采空區(qū)巖層與平巷頂板的力學(xué)聯(lián)系，改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境，工程應(yīng)用效果良好[4-6]。

近年來，專家學(xué)者針對切頂留巷圍巖運移變形機理及控制技術(shù)研究做了大量工作，對該技術(shù)的開拓應(yīng)用起到重要的推動作用。薛衛(wèi)峰等[7]針對承壓水體上切頂留巷底板破壞特征問題，構(gòu)建了周期來壓時采場底板力學(xué)計算模型，理論計算采后底板分別在走向方向與傾向方向的破壞形態(tài)。陳上元等[8]構(gòu)建了“恒阻主動讓壓控制頂板、柔性可縮讓位抗側(cè)壓、高阻臨時支護抗動壓，加大支護長度護煤幫”的深井沿空切頂留巷圍巖協(xié)同控制體系。袁超峰等[9]建立了留巷頂板力學(xué)模型，量化了未貫穿面的拉應(yīng)力與切頂高度和切頂角度的關(guān)系，確定了未貫穿面拉應(yīng)力隨切頂高度和切頂角度的變化規(guī)律。馬新根等[10]按圍巖結(jié)構(gòu)將切頂留巷回采巷道分為煤體支撐區(qū)、動壓承載區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)。并針對不同分區(qū)分別建立對應(yīng)的力學(xué)模型，計算分析巷道頂板變形規(guī)律及巷內(nèi)支護強度。何滿潮等[11]認為切頂充分時，采空區(qū)頂板對沿空巷道頂板動壓影響大大減弱，巷道圍巖變形較小，能夠保證留巷效果。高玉兵等[12]基于無煤柱切頂成巷力學(xué)機理，分析了沿空切頂巷道圍巖結(jié)構(gòu)演化過程和力學(xué)作用機制，建立了工作面超前區(qū)、成巷段動壓區(qū)和成巷段穩(wěn)壓區(qū)的全過程力學(xué)模型。張禮等[13]基于大傾角煤層采空區(qū)矸石下滑堆積的特點，以充分利用矸石自承載能力為導(dǎo)向，提出了大傾角煤層切頂成巷技術(shù)。

以上學(xué)者豐富了切頂無煤柱自成巷的研究成果，對切頂留巷覆巖運移及圍巖穩(wěn)定性控制研究具有深遠指導(dǎo)意義，在上述研究基礎(chǔ)上，筆者以某礦厚硬基本頂切頂留巷為工程背景，從數(shù)值模擬和相似模擬兩方面著手，研究不同切頂高度下基本頂斷裂線位置變化及其所引發(fā)的一系列礦壓現(xiàn)象、覆巖運移規(guī)律;繼而進行3種不同切頂高度下的工業(yè)性試驗，并對試驗段礦壓現(xiàn)象進行觀測;基于此，確定優(yōu)選切頂卸壓具體技術(shù)方案，針對性地提出集“高強切頂錨索補強支護、爆破預(yù)裂卸壓、單體柱強支撐、插底插頂防失穩(wěn)可縮U型鋼+金屬網(wǎng)擋矸”于一體的留巷強支護系統(tǒng)，以期形成科學(xué)化的厚硬基本頂切頂卸壓成巷及圍巖控制技術(shù)，為此類地質(zhì)條件下切頂留巷的應(yīng)用提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程地質(zhì)條件

某礦所采煤層為2號煤，煤層厚度2.3～2.8 m，傾角平均3°，埋深約480 m。工作面傾向長度180 m，采煤方法為沿空留巷無煤柱后退式走向長壁采煤法，因相鄰采區(qū)回采過程中未出現(xiàn)大面積沖擊來壓現(xiàn)象，故未對頂板進行弱化處理，采空區(qū)采用全部垮落法進行管理。其直接頂為砂質(zhì)泥巖，層厚2 m，易垮落;基本頂為中粗粒砂巖，均厚12 m、灰白色、單軸抗壓79 MPa，各巖層相關(guān)性質(zhì)如圖1所示。為了降低掘進工程量、緩解采掘交替緊張，同時盡可能多的回收煤炭資源，如圖2所示，對回風(fēng)巷(凈寬×凈高=5 m×3.5 m)，實施切頂卸壓沿空留巷，作為下一工作面的運輸巷。

圖2 沿空留巷示意Fig.2 Schematic diagram of gob-side entry retaining

2 堅硬厚層基本頂無煤柱留巷難點

無煤柱切頂卸壓留巷[14-16]關(guān)鍵在于切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板之間的力學(xué)聯(lián)系，達到主動改變留巷圍巖受力狀態(tài)、控制圍巖變形的目的。該工作面基本頂厚度達12 m，單軸抗壓強度大、彈性模量高、整體性及自承能力強，因直接頂垮落碎脹后不能完全充滿采空區(qū)，且留巷采空側(cè)懸頂達到極限跨距垮落時易使實體煤幫產(chǎn)生塑性破壞，導(dǎo)致基本頂斷裂線出現(xiàn)在巷道上方或更深處的實體煤上方?；卷敂嗔丫€位置是留巷圍巖結(jié)構(gòu)和巷道礦壓分布的重要因素，對于薄基本頂，隨著工作面的回采，在周期來壓的作用下基本頂能夠及時垮落，但斷裂線可能會在留巷頂板上方，錨桿(索)支護系統(tǒng)錨固失效導(dǎo)致留巷圍巖變形過大、失穩(wěn)，對留巷的穩(wěn)定十分不利。若通過人為切頂，較短的切縫即可切落基本頂，使基本頂在切縫處斷裂，留巷容易維護。厚硬基本頂沿空留巷若不采取任何措施，將導(dǎo)致整個巷道頂板出現(xiàn)傾斜下沉，煤壁片幫嚴(yán)重?？稍诓煽諅?cè)對基本頂進行預(yù)裂處理，人為制造弱面，促使基本頂在弱面處斷裂，但預(yù)裂切頂高度不足，基本頂?shù)钠茢鄷霈F(xiàn)2種斷裂模式:① 基本頂不會沿切縫面斷裂，而是在煤體上方斷裂，導(dǎo)致基本頂出現(xiàn)大角度旋轉(zhuǎn)[17-20]，造成留巷出現(xiàn)大變形，給留巷維護帶來不利影響;② 基本頂在巷道上斷裂，留巷頂板整體垮塌，巷道失穩(wěn)嚴(yán)重，導(dǎo)致留巷失敗。且切落的直接頂，碎脹后不能完全充滿采空區(qū)空間，對基本頂起不到有效支撐，加劇了頂板的變形失穩(wěn)。以上2種情況都會導(dǎo)致巷道變形失穩(wěn)，導(dǎo)致留巷失敗。合理的切頂高度，可以將厚基本頂沿切縫面順利切垮，避免了基本頂在巷道上方或煤體上方斷裂，降低巷道頂板及煤壁側(cè)應(yīng)力值，從而保證留巷安全。可見，切頂高度對厚硬基本頂斷裂位置起著至關(guān)重要的作用，不僅要保證切頂后基本頂能順利垮落，還要考慮鉆孔深度過大給現(xiàn)場施工帶來的不便。為此，尋找合理的切頂高度十分必要。

3 厚硬基本頂沿空留巷不同切頂高度數(shù)值模擬

3.1 UDEC數(shù)值模型的建立

為了研究厚硬基本頂切頂留巷不同切縫高度下采空區(qū)頂板垮落情況與圍巖應(yīng)力變化規(guī)律，使用離散元軟件UDEC建立如圖3所示的數(shù)值計算模型，模型尺寸為長×高=125 m×66 m，模擬巷道寬×高=5 m×3.5 m。模型的上部邊界條件采用應(yīng)力邊界條件，可簡化為均布載荷;模型最下部使用位移邊界條件，豎直方向為固定鉸支座，水平方向無約束;模型左右邊界均為煤巖體，可簡化為位移邊界條件，水平方向為固定鉸支座，豎直方向無約束?？紤]到該工作面基本頂厚硬的特點[21-22]，并結(jié)合相鄰盤區(qū)工作面基本頂周期來壓步距在20 m左右，劃分為如圖3所示的節(jié)理。巖塊采用摩爾庫侖模型，節(jié)理采用庫侖滑移模型，煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。通過開挖不同高度切縫來模擬現(xiàn)場的預(yù)裂切縫，以觀測不同切頂高度基本頂垮落情況及其對留巷圍巖穩(wěn)定的影響。

圖3 UDEC數(shù)值模型Fig.3 UDEC numerical model

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of coal and rock mass

3.2 不同切頂高度下留巷圍巖應(yīng)力及位移分析

圖4左側(cè)3幅圖表示不同切頂高度下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。從圖4可以看出:切頂高度7 m時，煤壁應(yīng)力峰值在27.5 MPa左右，未完全切斷留巷上方基本頂與采空區(qū)頂板的力學(xué)傳遞，造成留巷上方直接頂出現(xiàn)離層，基本頂出現(xiàn)傾斜下沉。過長的懸頂導(dǎo)致煤壁上方基本頂內(nèi)出現(xiàn)大范圍高應(yīng)力區(qū)域，垂直應(yīng)力為25～30 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.1～2.5，較大的應(yīng)力集中易使基本頂在煤壁上方斷裂。此情況下，下個工作面采動影響后，巷道極易出現(xiàn)大變形失穩(wěn)，給留巷的維護帶來困難;切頂高度達到9 m時，減弱了留巷上方基本頂與采空區(qū)頂板之間力學(xué)聯(lián)系，煤壁上方基本頂內(nèi)垂直應(yīng)力范圍縮小，應(yīng)力值降至20～25 MPa，由于基本頂下半部分被切斷，上部分在周期來壓的作用下會出現(xiàn)拉破壞，整個基本頂能夠沿切縫垮落。煤幫峰值應(yīng)力由切頂7 m的27.5 MPa降為20.8 MPa，留巷頂板和采空區(qū)切落幫處于應(yīng)力降低區(qū)。由于基本頂垮落，切頂高度的增加對應(yīng)力分布影響不再明顯，當(dāng)切頂高度增至12 m時，基本頂內(nèi)卸壓幅度增加較小，而且過大的切頂高度不僅造成施工難度增加還增大了工程的花費。

圖4右側(cè)3幅圖顯示的是切頂高度分別為7,9,12 m的位移云圖。由圖4可知，切頂高度7 m時，直接頂隨采隨冒，但直接頂垮落后不足以充填基本頂下方4.4 m高度的空間，對基本頂起不到有效的支撐，而基本頂在此切頂高度下并未被完全切垮，切縫兩側(cè)基本頂之間形成鉸接結(jié)構(gòu)，在其自重及上覆墊層的作用下回轉(zhuǎn)下沉，對留巷圍巖“小結(jié)構(gòu)”[23]產(chǎn)生較大的影響，頂板出現(xiàn)離層，實體煤幫變形量為198 mm。切頂高度9和12 m，基本頂均能沿切縫面順利垮落?？迓涞幕卷斣谒槊浀捻肥蜗卤３址€(wěn)定，巷道整體變形較小，給巷道維護帶來有利條件。

4 厚硬基本頂留巷頂板巖層運動規(guī)律物理相似模擬

4.1 物理相似模型的建立

為深入研究厚硬基本頂切頂自成巷技術(shù)，開展實驗室物理相似模型試驗，根據(jù)工作面地質(zhì)情況，設(shè)計鋪設(shè)除高度不同外的3個物理相似模型，模型鋪設(shè)的過程中通過預(yù)先埋入云母粉來模擬切縫，開挖后對比分析不同切頂高度下留巷覆巖中關(guān)鍵塊的運移及礦壓變化規(guī)律。

實驗選用二維模擬實驗臺裝置，該裝置可容納模型尺寸為長×寬×高=240 cm×16 cm×120 cm?；谀Ｐ驮囼炑b置尺寸與現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件，如圖5所示，鋪設(shè)沿工作面傾向的物理相似模型(長×寬×高=240 cm×16 cm×55 cm)，綜合考慮模型實驗幾何相似比CL為

CL=Ly/Lm=100

(1)

容重相似比Cγ為

Cγ=γy/γm=1.5

(2)

故而應(yīng)力相似比Cσ為

Cσ=CLCγ=150

(3)

其中，下標(biāo)“m”表示模型參數(shù);下標(biāo)“y”表示原型參數(shù);Lm為模型幾何參數(shù);γm為模型容重參數(shù);Ly為原型幾何參數(shù);γy為原型容重參數(shù)。故模型留巷尺寸高×寬為5 cm×3.5 cm，工作面長度為180 cm，兩回采巷道寬度各5 cm，邊界煤柱尺寸為25 cm。

模型中不同巖性的巖層由石灰、石膏、河沙和水等經(jīng)不同配比制作鋪設(shè)而成，不同配比試件經(jīng)巖石力學(xué)實驗達到規(guī)定強度要求，各巖層厚度及配比見表2。

基于對現(xiàn)場原巖應(yīng)力實測及相似比尺，利用液壓千斤頂對模型上表面進行應(yīng)力加載，根據(jù)該礦地質(zhì)情況確定模型表面需要施加的豎直方向荷載為21.24 kN。3個模型除切頂高度不同外，其余條件均保持不變。由于頂板切縫在模型鋪設(shè)過程中利用云母片提前預(yù)留，因此不考慮開挖頂板切縫，故模擬巷道開挖次序為:右側(cè)運輸巷→左側(cè)回風(fēng)巷(留巷)→工作面。為觀測開挖過程中留巷圍巖應(yīng)力分布情況，在鋪設(shè)模型時在實體煤幫每隔1 cm埋設(shè)1個應(yīng)變片，在開挖過程中利用計算機對應(yīng)變片應(yīng)變進行實時監(jiān)測，處理最終得到每個測點的應(yīng)力值。

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1堅硬厚基本頂留巷覆巖運移規(guī)律分析

相似模擬結(jié)果表明:切縫高度為7 m時，此時切頂高度不足，基本頂不沿切縫線斷裂，其斷裂線位于實體煤幫側(cè)，在礦山壓力作用下，巖塊B產(chǎn)生斷裂、下沉和回轉(zhuǎn)運動，加劇覆巖荷載向留巷圍巖轉(zhuǎn)移[24-26]。巷道圍巖將受到斷裂巖塊的擠壓破壞作用，從而導(dǎo)致巷道頂板破碎、離層、傾斜，甚至直接頂與基本頂大面積垮塌。

當(dāng)切頂高度為9 m時，如圖6所示，基本頂沿切縫線斷裂，切縫下方留巷頂板為一短臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一端延伸至煤體內(nèi)部，另一端沿切縫面與采空區(qū)頂板分離。切縫結(jié)構(gòu)面切斷了留巷頂板與采空區(qū)頂板力學(xué)聯(lián)系，留巷頂板與采空區(qū)頂板無法進行力學(xué)傳遞，使得采空區(qū)頂板垮落時基本不會對巷道圍巖產(chǎn)生擠壓影響，卸壓效果明顯。切頂短臂梁結(jié)構(gòu)與實體煤幫在巷內(nèi)錨索支護及單體支柱支撐作用下形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，避免了頂板關(guān)鍵部位破壞，有效保障巷道整體穩(wěn)定及支護安全性。

圖6 9 m切頂高度時留巷覆巖運移狀態(tài)Fig.6 Migration state of overlying rock in retained roadway at 9 m roof cutting height

當(dāng)切頂高度為12 m，基本頂沿切縫線斷裂，沿空側(cè)采空區(qū)頂板垮落較為充分，并能快速接頂，垮落巖層能較好地充填回采空間。然而過大的切頂高度將導(dǎo)致施工效率不高、經(jīng)濟效益不顯著以及工人勞動強度增大，切頂高度設(shè)計時應(yīng)綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟及人文等因素。

4.2.2監(jiān)測結(jié)果分析

在模型體中布置監(jiān)測線對留巷實體煤幫側(cè)向支承壓力進行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)換成原型值，結(jié)果如圖7所示。進行不同切頂高度下留巷實體煤幫側(cè)向支承壓力對比分析:不同切頂高度下的留巷實體煤幫側(cè)向支承壓力分布形態(tài)類似，支承壓力均先增加后減小，最后恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平。切頂高度為7 m時，留巷側(cè)向支承壓力峰值在距離實體煤幫表面約5 m時達到峰值，為36 MPa;切頂高度為9 m時，留巷側(cè)向支承壓力峰值在距離實體煤幫表面約3.8 m時達到峰值，為28.5 MPa，峰值下降幅度達20.8%;切頂高度為12 m時，留巷側(cè)向支承壓力峰值在距離實體煤幫表面約3 m時達到峰值，為27 MPa，峰值較9 m下降幅度為5%。這表明隨著切頂高度的增加，卸壓程度也隨之增大，實體煤幫側(cè)向支承壓力峰值降低，并逐漸向圍巖淺部轉(zhuǎn)移，圍巖破壞范圍減小;并且切頂高度由7 m增加至9 m時，切頂卸壓效果明顯，而切頂高度由9 m增加至12 m時，切頂卸壓幅度變化不大，9 m切頂高度的效果與12 m切頂高度效果相近。

圖7 不同切頂高度下留巷實體煤幫應(yīng)力曲線Fig.7 Stress curve of solid coal side in retained roadway under different roof cutting heights

5 現(xiàn)場切頂試驗

5.1 預(yù)裂切縫關(guān)鍵參數(shù)的確定

5.1.1切縫角度的選擇

考慮到現(xiàn)場施工方便程度，結(jié)合相關(guān)研究[27]，一定的角度切頂可減小切縫兩側(cè)頂板之間的摩擦阻力，減弱采空側(cè)頂板垮落對留巷圍巖穩(wěn)定的影響。切縫角度α計算公式為

(4)

其中，LZ為周期來壓步距，m;LH為留巷高度，m;M為采高，m。根據(jù)地質(zhì)生產(chǎn)條件計算可得α=9°，現(xiàn)場取10°進行試驗。

5.1.2切縫高度的選擇

根據(jù)前面數(shù)值模擬及相似實驗結(jié)果可知，若切頂高度不足，厚硬基本頂將在頂板上方或煤壁上方斷裂，對留巷頂板產(chǎn)生擠壓，不利于留巷的穩(wěn)定。合理的切頂高度對切頂?shù)某蓴∑鹬陵P(guān)重要的作用。現(xiàn)場試驗確定切頂高度取7,9及12 m，以探究工程應(yīng)用最優(yōu)切頂高度。由于鉆孔與豎直方向夾角取10°，故鉆孔深度應(yīng)為7.1，9.1，12.2 m，由于前后差別不大，仍按7，9及12 m孔深進行試驗。

5.1.3炮孔間距的確定

炮孔間距同樣制約著切頂效果，間距過大相鄰孔之間裂隙無法貫通，達不到預(yù)期效果;間距過小鉆孔數(shù)量將會增加，施工進度減慢的同時還會造成炸藥用量增多。由常規(guī)預(yù)裂爆破孔間距計算計算公式可知[21]，孔間距B=(7～12)d，當(dāng)炮孔直徑d=48 mm，孔間距B=336～576 mm，現(xiàn)場試驗取500 mm。

5.1.4裝藥方式確定

為了探究裝藥方式對硬巖頂板的預(yù)裂作用，采用煤礦許用三級乳化炸藥(規(guī)格為φ35 mm×300 mm/卷)配合PVC聚能管，管長1 500 mm，外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，在工作面回風(fēng)巷9 m孔中分別試驗“4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”和“5卷+4卷+3卷+3卷+2卷”2種裝藥方式(圖8)。爆破后對鉆孔進行窺視，結(jié)果表明:預(yù)裂爆破能有效控制裂縫的擴展方向，但2種裝藥方式表現(xiàn)出不同的切頂效果，由于基本頂巖石較硬，圖8(a)所示裝藥方式孔底的一根聚能管裝藥量為0.8 kg/m，不能有效克服底部阻力，切縫孔底段僅出現(xiàn)2條輕微裂縫;按照圖8(b)所示裝藥方式孔底的一根聚能管裝藥量為1.0 kg/m，爆破效果更好，在孔底段出現(xiàn)兩條明顯裂隙，且兩條相對裂隙從孔底段一直延伸到孔口段。綜上，對于堅硬頂板，孔底內(nèi)的一根聚能管裝藥量對爆破效果影響十分顯著，適當(dāng)多裝炸藥以保證克服孔底阻力，進而達到良好預(yù)裂效果。

圖8 裝藥結(jié)構(gòu)Fig.8 Blasting charge structure diagram

5.1.5封 泥

不同封孔長度，會表現(xiàn)出截然不同的爆破效果。一般封孔長度L[28]應(yīng)滿足:

(5)

其中，R為鉆孔半徑;k為綜合影響系數(shù),k=1.0～1.5;f為封孔摩擦因數(shù);λ為封孔材料側(cè)壓系數(shù)，由于爆破使用黏土堵塞炮孔，其摩擦因數(shù)f=0.02，側(cè)壓系數(shù)λ=0.4，綜合影響系數(shù)取1.1，則有L≥1.5 m，即用1.5 m黏土炮泥進行封孔。經(jīng)現(xiàn)場試驗，封泥過長造成孔口淺部封泥處頂板切縫不明顯;封泥過短，爆破產(chǎn)生的爆轟波及爆轟氣體沖落封泥，較多能量從孔口釋放發(fā)生沖孔形成爆坑，沖落錨網(wǎng)或形成網(wǎng)兜現(xiàn)象，不能有效形成預(yù)裂縫，達不到切頂效果。當(dāng)封泥長度在1.3～1.5 m時，封孔效果良好，未出現(xiàn)沖孔現(xiàn)象。

5.2 切頂現(xiàn)場試驗

為探究不同切頂高度對厚硬頂板留巷效果的影響，在回風(fēng)巷選取3段試驗段現(xiàn)場試驗7，9,12 m的留巷效果。為了盡可能控制各試驗段的切縫效果，保持孔口裝藥結(jié)構(gòu)不變，變化主要在孔底的堅硬中粗砂巖部位，具體如下:9 m深的炮孔內(nèi)按照“5卷+4卷+3卷+3卷+2卷”的裝藥方式進行裝藥;相應(yīng)地，在7 m和12 m的孔內(nèi)按照“5卷+3卷+3卷+2卷”和“5卷+4卷+4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”進行裝藥。如圖9所示，爆破之后對炮孔進行窺視，結(jié)果表明不同深度孔壁僅在設(shè)定方向產(chǎn)生裂縫，而其他方向不產(chǎn)生裂縫或裂縫不明顯，在聚能管管壁的抑制緩沖作用及聚能孔優(yōu)先卸載作用下，減少了爆轟波及爆轟壓力對孔壁的破壞，抑制了非設(shè)定方向裂紋的發(fā)展?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，如圖9(a)所示，試驗段I切頂高度7 m，采空側(cè)支護的單體柱下部出現(xiàn)陷入底板的現(xiàn)象，上部出現(xiàn)上部被壓彎變形，巷道頂板向采空區(qū)側(cè)傾斜，切縫側(cè)頂板下沉量在450～500 mm，說明此切頂高度下，基本頂未被完全切垮，采空區(qū)上方頂板對巷道頂板仍有力的傳遞，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大變形。圖9(b),(c)試驗段II和III，切頂高度分別為9 m和12 m，切頂效果都表現(xiàn)的良好，從充采空區(qū)垮落的頂板可以看到爆破形成的半眼巖塊，說明采空區(qū)頂板沿著切縫垮落?，F(xiàn)場觀測未發(fā)現(xiàn)巷道頂板傾斜下沉，支柱無損壞現(xiàn)象，隨著工作面回采，采空區(qū)垮落矸石被壓實形成新幫，留巷效果良好。

圖9 不同試驗段現(xiàn)場效果Fig.9 Field effect diagram of different test sections of retaining roadway

6 工程應(yīng)用

結(jié)合前面數(shù)值模擬、物理相似模擬和現(xiàn)場試驗，綜合考慮現(xiàn)場施工進度，施工經(jīng)濟因素及留巷安全等，確定切頂高度為9 m。在本工作面回風(fēng)巷進行切頂留巷作為下工作面運輸巷，從開切眼向終采線進行施工，超前工作面35 m進行預(yù)裂爆破。炮孔距本工作面煤壁100 mm，間距為500 mm。裝藥方式采用“5卷+4卷+3卷+3卷+2卷”。為有效保障留巷圍巖的穩(wěn)定性，采用“高強切頂錨索補強支護、爆破預(yù)裂卸壓、單體柱強支撐、插底插頂防失穩(wěn)可縮U型鋼+金屬網(wǎng)擋矸”的支護系統(tǒng)最大限度地改善圍巖受力狀態(tài)，阻止矸石竄入巷道，減小巷道變形。

6.1 留巷圍巖支護

如圖10所示，頂板采用6根φ22 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm;錨索在煤壁側(cè)采用3列φ17.8 mm×9 300 mm普通錨索間排距為1 150 mm×3 000 mm，在第3列錨索處補打補強錨索，與原錨索交錯布置;在距采空區(qū)0.650 m再補打1列φ21.8 mm×9 300 mm補強錨索，兩列補強錨索配合使用1根3 400 mm×250 mm×3 mm W型3眼鋼帶。本工作面煤壁側(cè)采用直徑為φ22 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，每排3根錨桿，最上一根錨桿距頂板500 mm。

圖10 沿空留巷支護Fig.10 Support diagram of retaining roadway

為防止采空區(qū)矸石涌向巷道，擋矸支護采用“插底插頂防失穩(wěn)可縮U型鋼+擋矸金屬網(wǎng)+單體液壓支柱”的聯(lián)合支護方式。在巷道內(nèi)架設(shè)4排單體液壓支柱，間距1 100 mm，排距500 mm，爆破期間給巷道提供可靠的支護阻力，在支架掩護下進行預(yù)裂切頂，待工作面回采過后圍巖穩(wěn)定時保留采空區(qū)側(cè)一排單體支柱。為保證擋矸結(jié)構(gòu)的可靠性，首先，將兩段29U型鋼用連接件進行連接，使其具有一定的可縮性，架設(shè)時對沿空側(cè)底板進行起底，將29U型鋼下端坐落在梁窩內(nèi)，29U型鋼的上端預(yù)先焊接φ30 mm、長80 mm的鋼筋插入頂板內(nèi)，使其能承受較大的橫向壓力;其次，將擋矸單體和29U型鋼并排支設(shè)，29U型鋼凹面朝向巷道，并在采空區(qū)和29U型鋼之間鋪設(shè)擋矸金屬網(wǎng);最后，單體支柱用π型梁與頂板支緊，并將π型梁卡在29U型鋼凹面內(nèi)，構(gòu)成一個整體擋矸結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場試驗，無單體支柱損壞，起到非常良好的擋矸效果。

6.2 圍巖壓力及位移監(jiān)測

隨著工作面的推進，在工作面后方5～15 m內(nèi)，受采動影響較大，錨桿受力在143 kN;工作面后方112 m以外錨索受力穩(wěn)定在205～285 kN，撤除臨時單體支柱，只保留切縫側(cè)一排單體支柱，錨索受力未明顯增大，說明基本頂已完全垮落穩(wěn)定，上覆巖層隨基本頂運動形成新的平衡結(jié)構(gòu)。

采用十字布點法對實體煤幫布點進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果如圖11所示，從圖11可以看出，頂板快速下沉出現(xiàn)在滯后工作面40 m左右，說明此時采空區(qū)更上部巖層仍在垮落，對留巷頂板存在一定摩擦作用迫使頂板下沉。在工作面后方120 m后頂板下沉逐漸穩(wěn)定，說明基本頂已垮落上覆巖層形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。之后臨時支架回撤，頂板出現(xiàn)少許下沉。巷道穩(wěn)定后切縫側(cè)下沉量186 mm，實體煤幫變形量119 mm。下個工作面回采時，經(jīng)現(xiàn)場觀測，留巷圍巖變形在可控范圍內(nèi)，保證了回采安全使用。

圖11 圍巖變形監(jiān)測Fig.11 Monitoring curves for surrounding rock deformation

7 結(jié) 論

(1)對于硬厚基本頂切頂留巷時，切縫不用完全貫穿基本頂即可切落基本頂。綜合UDEC和相似模擬結(jié)果可知:切頂高度為7 m時，基本頂不沿切縫線斷裂，其斷裂線位于實體煤幫側(cè)。巷道圍巖將受到斷裂巖塊的擠壓破壞作用，從而導(dǎo)致巷道頂板破碎、離層，甚至直接頂與基本頂大面積垮塌;切頂高度增加至9 m時，基本頂沿切縫線垮落，基本頂沿切縫線斷裂，采空區(qū)頂板垮落時不會對巷道圍巖產(chǎn)生擠壓影響，卸壓效果明顯，煤壁上方基本頂內(nèi)應(yīng)力由25～30 MPa降至20～25 MPa;繼續(xù)增加切頂高度對應(yīng)力分布影響甚微。

(2)現(xiàn)場試驗表明:預(yù)裂堅硬頂板時，孔底1.5 m內(nèi)(最里面一根聚能管)的裝藥量對預(yù)裂效果影響十分顯著，裝藥量在1.0 kg/m時可以克服孔底阻力，預(yù)裂效果良好。

(3)對于該礦厚硬頂板，切頂高度9 m時即可切落基本頂，再配合高強切頂錨索補強支護、單體柱強支撐、插底插頂防失穩(wěn)可縮U型鋼+金屬網(wǎng)擋矸，可起到良好的留巷效果;監(jiān)測結(jié)果顯示巷道頂板下沉量最大為186 mm，錨索受力穩(wěn)定在205～285 kN，有效控制了巷道圍巖變形，可為類似地質(zhì)條件無煤柱開采提供參考和借鑒。