司曉鵬，周昌臺(tái)

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部成莊礦，山西晉城 048000；2.深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東深圳 518060）

為了有效提高煤炭開采的回收率，近幾十年來，我國在不同地質(zhì)條件下研究并應(yīng)用了1 種稱為沿空留巷的無礦柱長壁采礦法[1-2]。沿空留巷實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，從根本上減少了在煤炭開采過程中造成的損失[3]。沿空留巷的瓦斯抽放不僅可以降低氣流中的瓦斯?jié)舛龋€可以利用瓦斯資源[4]。沿空留巷由于其多重優(yōu)勢已在實(shí)踐中得到應(yīng)用，但仍需開發(fā)和改進(jìn)，以建立科學(xué)的控制概念和有效的支持技術(shù)體系[5-6]。由此，眾多學(xué)者對沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)和理論研究，針對留巷特點(diǎn)和頂板巖層結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了大量的圍巖控制理論和支護(hù)措施[7]。當(dāng)前在無煤柱開采過程中，應(yīng)用較為廣泛的2 種沿空留巷技術(shù)為：①巷旁充填，即在工作面推進(jìn)的過程中，沿回采巷道進(jìn)行巷旁充填；②切頂卸壓，即在留巷邊緣利用聚能預(yù)裂爆破法對頂板實(shí)現(xiàn)切頂。

作為留巷采空區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，巷旁回填體是圍巖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵因素。充分的支護(hù)阻力和合理的巷旁回填體寬度可以減少滯后的開采應(yīng)力作用下的變形和破壞，從而減少頂板下沉，防止采空區(qū)留巷中支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞[8]。

盡管巷旁支護(hù)能提升沿空留巷的整體承載能力，但是并沒有使得留巷圍巖應(yīng)力分布特征發(fā)生改變。此外，不合理的充填體布置容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的出現(xiàn)，并可能引起動(dòng)力災(zāi)害?；谇许敹瘫哿豪碚?，何滿潮院士等結(jié)合沿空留巷巷道的實(shí)際受力情況，提出1 種基于切頂卸壓技術(shù)的沿空留巷方法。該方法通過主動(dòng)切頂?shù)姆绞剑鉀Q了傳統(tǒng)沿空留巷充填體壓力大的問題[9-10]。作為切頂沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)裂爆破技術(shù)可以將采空區(qū)與巷道之間的頂板切斷為2 部分，從而阻隔采空區(qū)頂板垮落對留巷巷道的影響。楊朋等[11]和周思友[12]分別針對深井堅(jiān)硬頂板、厚煤層綜放工作面條件下的沿空留巷圍巖控制難題進(jìn)行了研究，并提出以切、補(bǔ)、護(hù)、支，為核心的控制措施。

綜上，巷旁支護(hù)和切頂卸壓2 項(xiàng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)沿空留巷無煤柱開采的關(guān)鍵。因此，從成莊礦5309 開采工作面的實(shí)際情況出發(fā)，對柔性混凝土巷旁支護(hù)和預(yù)裂爆破切頂卸壓2 項(xiàng)技術(shù)的協(xié)同運(yùn)用進(jìn)行了分析，通過理論計(jì)算和現(xiàn)場觀測驗(yàn)證了2 種技術(shù)結(jié)合運(yùn)用的合理性，對同類條件下沿空留巷的施工提供了借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

成莊煤礦5309 采煤工作面開采二疊系下統(tǒng)山西組3#煤，煤層較為穩(wěn)定，黑色，似金屬光澤，煤體有夾矸，煤平均厚度為6.32 m，煤層傾角2°～8°，平均傾斜角為3°；工作面南北長約2 420.7 m，東西長約251 m，切眼東西方向布置，由南向北后退式回采。5309 工作面計(jì)劃在53091 巷進(jìn)行沿空留巷，后期作為5311 工作面3 巷使用，具體工作面布置方式如圖1。5309 工作面煤層頂?shù)装鍘r層狀況見表1。

圖1 5309 采煤工作面的工程概況Fig.1 Project overview of 5309 coal face

表1 5309 工作面煤層頂?shù)装鍘r層Table 1 Roof and floor strata of coal seam in 5309 working face

53091 軌道巷的最初支護(hù)布置為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。其中，頂板錨桿尺寸?22 mm×2 400 mm，網(wǎng)片尺寸5 900 mm×1 200 mm，錨索尺寸?17.2 mm×7 400 mm。其中，錨桿每排6 根、排列間距950 mm×1 000 mm；菱形金屬網(wǎng)使用8#鐵絲，網(wǎng)孔邊長30 mm；錨索頂部打設(shè)有2 根錨索時(shí)，錨索距幫均為1 325 mm，間距2 850 mm；頂部打設(shè)1 根錨索時(shí)，布置于巷中。幫部錨桿尺寸為?22 mm×2 400 mm，每排4根，間排距900 mm×1 000 mm，菱形金屬網(wǎng)使用10#鐵絲，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

53091 巷在掘進(jìn)期間采用錨桿索進(jìn)行支護(hù)，然而，目前頂板支護(hù)強(qiáng)度不能夠滿足沿空留巷期間非對稱三維采動(dòng)巖體與巷旁支護(hù)體相互作用過程中的支護(hù)要求，頂板運(yùn)動(dòng)過程中巷道幫頂易出現(xiàn)片幫或大變形，影響留巷穩(wěn)定，特對53091 巷道進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面的布置如圖2，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索直徑為?17.2 mm、長度為7 400 mm。巷道頂部原來已經(jīng)有2 根錨索時(shí)，距煤柱幫3 000 mm 處另外加設(shè)1 根單體錨索，如只有1 根錨索，需要加設(shè)2根錨索，各自距煤柱幫600 mm、1 950 mm，2 種錨索布置排距均為2 000 mm。巷幫補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)間排距為1 800 mm×2 000 mm，上部錨索距巷道頂板1 300 mm，下部錨索距底板400 mm。

圖2 53091 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面圖Fig.2 53091 roadway reinforcement and support section

2 爆破預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)

沿空留巷后，隨工作面推采距離的增加，采空區(qū)直接頂上部的亞關(guān)鍵層懸頂面積也隨之加大，當(dāng)周期來壓步距疊加到一定數(shù)量時(shí)，亞關(guān)鍵層懸頂有1個(gè)垮落過程，對沿空留巷支護(hù)體及巷道有1 個(gè)滯后壓力顯現(xiàn)的過程，會(huì)對沿空留巷造成不同程度的破壞，有必要超前工作面對亞關(guān)鍵層進(jìn)行預(yù)裂切頂爆破，亞關(guān)鍵層提前垮落減少采空區(qū)懸頂面積，降低對沿空留巷的威脅，是降低滯后壓力顯現(xiàn)對沿空留巷威脅的1 個(gè)輔助性措施。

運(yùn)用聚能藥包實(shí)現(xiàn)定向預(yù)裂爆破、并達(dá)到切頂卸壓目的，聚能藥包定向斷裂爆破機(jī)理如圖3。這種方法可以高效利用炸藥，并精準(zhǔn)控制爆生裂紋，既破斷留巷外側(cè)關(guān)鍵層，又能減緩關(guān)鍵層在破壞過程中對留巷上方擠壓作用，同時(shí)降低了巷道圍巖變形，有效防止了巷道內(nèi)頂板臺(tái)階傾斜和變形。

圖3 聚能藥包定向斷裂爆破機(jī)理Fig.3 Directional fracture blasting mechanism of shaped charge

2.1 孔網(wǎng)參數(shù)

聚能藥包定向預(yù)裂炮孔布置如圖4。

圖4 聚能藥包定向預(yù)裂炮孔布置Fig.4 Directional presplitting hole arrangement of shaped charge

因?yàn)?3091 軌道巷的留巷寬度僅為1 200 mm，所以在定向預(yù)裂爆破時(shí)，需要在巷道距回采側(cè)肩角約2 000 mm 處預(yù)設(shè)1 排炮孔。本次定向斷裂爆破選用的鉆桿和鉆頭的直徑別為52 mm 和58 mm，炮孔長度10 m，炮孔與水平面的夾角β=75°。在計(jì)算炮孔間距時(shí)，應(yīng)考慮到應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同的作用。

使用不耦合裝藥時(shí)，按應(yīng)力波作用的公式為[13]：

由式（2）可得pa=1 073 MPa，由式（1）可得a1=0.69 m。

假設(shè)炮孔受力狀態(tài)與厚壁筒大致相似，則爆炸產(chǎn)生的均勻氣壓對孔內(nèi)壁的作用力，可以按照應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力共同作用計(jì)算。結(jié)合彈性力學(xué)厚壁筒相關(guān)理論和巖石力學(xué)中的抗拉強(qiáng)度判定準(zhǔn)則，可得[13]：

式中：a2為按炮孔內(nèi)壁所受的準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算出的炮孔間距，m；pb為炮孔內(nèi)壁所受的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，MPa。

代入數(shù)據(jù)得到炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力pb=107 MPa，按應(yīng)力波作用計(jì)算出的炮孔間距a2=0.32 m。

由以上計(jì)算公式，可以得到炮孔間距應(yīng)為a=a1+a2=0.69+0.32=1.01 m。由于pa和pb的值遠(yuǎn)大于巖體的抗壓強(qiáng)度，所以會(huì)在孔周圍產(chǎn)生壓碎破裂，并且導(dǎo)致炸藥能量損失。因此，為了使裂隙穩(wěn)定拓展，設(shè)置炮孔的合理間距為1 000 mm。后期可根據(jù)頂板取芯結(jié)果和爆破效果進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 裝藥參數(shù)

裝藥方式為孔底不耦合連續(xù)裝藥。炮孔總長度為10 m，其中，聚能管長度為6 m、炮泥長度為4 m。

單孔裝藥量Q 計(jì)算公式為：

式中：q 為單位距離裝藥量，1.1 kg/m；l 為單孔裝藥長度。

因此，可以計(jì)算得出單孔裝藥量為6.6 kg。

裝藥時(shí)，需要先將乳化炸藥放入準(zhǔn)備好的聚能管（每節(jié)長度2 m）中，聚能管之間用連接件和螺絲進(jìn)行連接和固定。此外，為了保證聚能與預(yù)裂方向一致，每個(gè)聚能管都配備1 個(gè)?60 mm 長的定位塊。聚能藥包定向預(yù)裂炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 聚能藥包定向預(yù)裂炮孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Directional presplitting blast hole charging structure of shaped charge

2.3 爆破網(wǎng)絡(luò)與起爆方式

使用導(dǎo)爆索連接聚能藥包、實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)起爆。將每4 個(gè)炮孔分為1 組，一次同時(shí)最多可以起爆3 組、共12 個(gè)炮孔。同時(shí)，每組中的4 個(gè)炮孔需要依次裝入4個(gè)段位的毫秒延期電雷管，從而使得每組總延期時(shí)間達(dá)到100 ms。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)比并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有更為可靠的起爆穩(wěn)定性，因此，選擇串并聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)行爆破時(shí)，使用電雷管正向起爆導(dǎo)爆索，并且在每個(gè)炮孔安裝2 個(gè)同段位毫秒延期電雷管。電雷管需要埋藏在炸藥內(nèi)，且距離孔口超過4.2 m。應(yīng)保證電雷管的聚能穴與導(dǎo)爆索的傳爆方向相對應(yīng)。此外，導(dǎo)爆索的起爆雷管應(yīng)保證與導(dǎo)爆索捆扎端端頭大于15 cm。當(dāng)乳化炸藥充滿聚能管后，還需沿聚能管的孔口向孔底方向鋪設(shè)1 條6 m 左右的導(dǎo)爆索，炸藥與導(dǎo)爆索充分接觸，然后扣上聚能管頂蓋。

3 巷旁支護(hù)技術(shù)

對53091 巷進(jìn)行沿空留巷，留巷時(shí)沿機(jī)尾端頭支架進(jìn)行巷旁支護(hù)，由于端頭支架至煤柱幫僅剩余3 100 mm，巷旁支護(hù)寬度wz為1.5 m，設(shè)計(jì)5309 工作面留巷寬度wl為1.2 m，后期留巷結(jié)束，再對煤柱側(cè)擴(kuò)幫，形成巷道。

3.1 沿空留巷壓力計(jì)算

“分離巖塊法”是估算巷旁支護(hù)體所承受載荷的最為常用計(jì)算方法之一[14-15]。分離巖塊法示意圖如圖6，該方法認(rèn)為沿空巷道以及支護(hù)體上方的垮落的巖層構(gòu)成了巷旁支護(hù)的主要載荷。巷旁支護(hù)的位置在未采動(dòng)煤體的高壓區(qū)域和垮落矸石之間，處于兩者間的降壓區(qū)。巷道頂板在采空區(qū)一側(cè)存在自由面。由于巖體呈層狀，當(dāng)高度足夠時(shí)，分層之間會(huì)產(chǎn)生離層，導(dǎo)致巖塊沿煤壁形成剪切斷裂，并成為巷旁支護(hù)上側(cè)的載荷[14]。

圖6 分離巖塊法示意圖Fig.6 Schematic diagram of separated rock block method

式中：p1為巷旁支護(hù)的載荷；h 為有效采高，6.3 m；wl為巷旁充填寬度；wz為巷旁支護(hù)寬度；ww為巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距，0.5 m；ρf為分離巖塊的密度，2.4 t/m3；αd為剪切角，26°；θ 為煤層傾角，3°；Hk為頂板垮落帶高度，Hk＝4h，25.2 m。

根據(jù)式（6），可得巷旁支護(hù)所需承受的載荷為p1=5 117.83 kN/m。

疊加層板法示意圖如圖7。

圖7 疊加層板法示意圖Fig.7 Schematic diagram of superimposed laminate method

使用“疊加層板法”估算沿空留巷壓力p2的基本計(jì)算公式為[16-17]：

式中：式中：w 為巷道維護(hù)寬度（留巷凈寬+巷旁支護(hù)寬度），2.7 m；M1為切頂后殘余邊界的自重載荷彎矩，55 .355 MN·m；M2為巖層垮落時(shí)剪力所產(chǎn)生的彎矩，3.405 MN·m；M3為垮落層的極限彎矩，2.33 MN·m。最終可得p2=22 625.9 MN/m。

3.2 巷旁支護(hù)模式確定

巷旁支護(hù)模式經(jīng)歷了以下發(fā)展過程：木垛支護(hù)、集中單支柱支護(hù)、廢物包裝回填體、用混凝土砌塊筑墻和回填材料支護(hù)[18-19]。在這個(gè)發(fā)展過程中，巷旁支護(hù)的緊密性、機(jī)械化水平、變形適應(yīng)性和強(qiáng)度得到顯著改善，減少了保留巷道周圍巖石的變形量，從而減少了二次巷道改造的工作量。

柔模混凝土支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵是在工作面端頭支護(hù)效應(yīng)消失之前，在支架或者單體支柱的支撐下，通過與此技術(shù)相匹配的高功率注入裝置將可調(diào)凝、可調(diào)強(qiáng)的自制混凝土注射到已布置好的柔性模板中，由此，可以在采空區(qū)與回采巷道之間的位置建立1道柔模混凝土連續(xù)墻。它具有材料易拉拔、適用范圍廣、成本低、強(qiáng)度高、制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還適用于薄、中、厚煤層以及淺埋礦井的開采[20-21]。

本次設(shè)計(jì)的柔性模板，選用了陜西開拓建筑科技有限公司生產(chǎn)的沿空留巷橫斜雙拉纖維柔性模板。該模板是封閉的三維紡織組合體，內(nèi)部使用拉筋材料加固、外層由加筋的纖維布強(qiáng)化。

柔性混凝土模板作為沿空留巷巷旁支護(hù)的主要載體，其作用體現(xiàn)在以下2 方面。

1）通過泵入自制混凝土的柔性編織袋、模板內(nèi)部的拉筋，以及配套的承重鐵板，可以形成1 個(gè)堅(jiān)固的柔性混凝土承重結(jié)構(gòu)。承重結(jié)構(gòu)不僅具備連續(xù)整體混凝土支架的剛度，而且在水平約束力下呈現(xiàn)出三維壓縮狀態(tài)。承重結(jié)構(gòu)的自承載能力顯著提高，柔性混凝土模板的水平位移受到很大限制，以防止過度變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性。三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板如圖8。

圖8 三維紡織結(jié)構(gòu)柔性模板Fig.8 Flexible formwork of 3D textile structure

2）接頂模板和頂板構(gòu)成的緩沖層對巷旁柔性混凝土模板支架具有協(xié)同“屈服-抵抗”效應(yīng)，并達(dá)到屈服變形的目的。此外，緩沖層改善了巷旁支架和頂板間的密封效果，并降低了留巷采空區(qū)有害空氣的含量。

由于巷道底板為煤體，留巷后期容易底鼓導(dǎo)致墻體傾斜，澆墻時(shí)需考慮防底鼓措施，將柔?；炷翂w向巷內(nèi)傾斜2°～3°的迎山角。沿空留巷支護(hù)斷面圖如圖9。

圖9 53091 巷沿空留巷斷面圖Fig.9 Section of 53091 gob-side entry retaining

3.3 柔性混凝土承重結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理

柔性混凝土模板作為巷旁支護(hù)的作用機(jī)理可描述如下。

1）巷旁柔性混凝土模板支護(hù)可增強(qiáng)支護(hù)阻力，降低主頂板斷裂時(shí)動(dòng)壓力對留巷巷道穩(wěn)定性的影響，以及主頂板沉降的速率，當(dāng)煤矸石壓實(shí)且變形穩(wěn)定時(shí)，將主頂板置于合理位置，保證留巷的正常使用。

2）頂板接觸緩沖層能夠有效地承受和釋放圍巖的變形能和膨脹壓力，顯著降低柔性混凝土模板上的應(yīng)力，提高支撐結(jié)構(gòu)的安全性。此外，頂板接觸緩沖層可以與主頂板的旋轉(zhuǎn)變形、采空區(qū)矸石的壓實(shí)和固體煤體的變形相協(xié)調(diào)，防止直接頂板和主頂板分離，實(shí)現(xiàn)最佳的“屈服-抵抗”柔性混凝土墻支撐效果。

3）與其他回填支撐材料相比，巷旁柔性混凝土模板支撐加快了繁瑣的模板施工過程，顯著縮短了支護(hù)準(zhǔn)備時(shí)間。此外，巷旁柔性混凝土模板支護(hù)技術(shù)采用的快速泵送回填材料方法適用于綜合機(jī)械化采煤，從而實(shí)現(xiàn)高效開采和巷道保持。

3.4 柔性混凝土墻承載能力計(jì)算

柔?；炷恋某休d力可以分解為2 個(gè)部分：①內(nèi)部核心混凝土的承載力；②外層約束增強(qiáng)體的承載力。

當(dāng)頂板對柔性混凝土墻施加軸向載荷時(shí)，混凝土在軸向發(fā)生壓縮變形、在橫向產(chǎn)生向外的擴(kuò)容，并對約束的錨栓造成拉伸作用。與此同時(shí)，錨栓在橫向?qū)诵幕炷列纬煞聪蚣s束，因此，可以使得柔性混凝土墻中的核心混凝土一直處于三軸壓縮的受力狀態(tài)。在混凝土的彈性加載階段，柔?；炷僚c普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致相似；隨后，繼續(xù)加載并使應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度極限后，普通混凝土立即發(fā)生應(yīng)變軟化，應(yīng)力和應(yīng)變同時(shí)減小，而柔?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變曲線仍能保持一定的上升態(tài)勢，出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。

由上面描述可知，當(dāng)施加的軸向應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度時(shí)，素混凝土出現(xiàn)明顯的橫向擴(kuò)容變形。與之對應(yīng)的，當(dāng)軸向應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度，柔?；炷恋膽?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線出現(xiàn)了應(yīng)變強(qiáng)化的特征。因此，與素混凝土相比，柔?；炷恋膹?qiáng)度和延性都得到提高。

錨栓的約束應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σr為與錨栓套箍相互作用所形成的有效約束力；dm為錨栓直徑，22 mm；σb為鋼筋的抗拉強(qiáng)度，500 MPa；d1、d2為錨栓間排距，750 mm。

根據(jù)式（8），可得到錨栓反向作用產(chǎn)生的有效約束力σr=0.34 MPa。

柔?；炷翂w的承載力可表示為：

式中：N2為巷旁支護(hù)的最大承載力；Acor為環(huán)向包裹內(nèi)混凝土矩形截面面積，1 500 mm2；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度，23.1 MPa。

由式（9）可計(jì)算出巷旁支護(hù)的承載能力N2=33 021 kN/m。

實(shí)踐證明，分離巖塊法所得的圍巖上覆壓力和留巷圍巖應(yīng)力重分布后墻體支撐壓力接近，為5 117.83 kN/m；工作面局部異常來壓時(shí)，墻體支撐壓力與疊加層板法得到的圍巖壓力接近，為22 625.9 kN/m。因此，可以計(jì)算得出，留巷應(yīng)力重分布后，柔?；炷翂Φ陌踩禂?shù)為N2/p1=6.45，工作面上方頂板異常來壓時(shí)，柔模混凝土墻的安全系數(shù)為N2/p2=1.46，柔模混凝土墻能對留巷形成有效支護(hù)。此外，由于以上只計(jì)算巷旁支護(hù)對頂板的支撐載荷，并沒有計(jì)算頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)對巷道整體支護(hù)的影響。考慮頂板支護(hù)對巷旁支護(hù)的影響，得到的實(shí)際安全系數(shù)更高。因此，可認(rèn)為巷旁支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到了支護(hù)要求。

3.5 柔性混凝土墻抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

回采和切頂卸壓過程中會(huì)在采空區(qū)產(chǎn)生大量矸石。垮落的矸石在柔?；炷翂w的一側(cè)逐漸堆積，并最終對柔?；炷翂w產(chǎn)生1 個(gè)不可忽略的側(cè)向壓力。為了保證安全，需要計(jì)算矸石在柔?；炷翂π纬傻膫?cè)向壓力，從而評估其抗滑穩(wěn)定性。矸石產(chǎn)生的側(cè)壓力pa的計(jì)算公式如下：

式中：ρ 為垮落矸石的密度，1.8 t/m3；Hs為垮落矸石的堆積高度，一般為2 倍的有效采高，12.6 m；φ為垮落矸石內(nèi)摩擦角，45°。

因此，可計(jì)算出堆積矸石對巷旁支護(hù)體形成的側(cè)壓力pa=245.15 kN。

由于靜水平開采工作面，墻體抗滑穩(wěn)定性可由以下公式計(jì)算得到：

式中：Ka為墻體抗滑系數(shù)；G 為墻體自重，156 kN/m；F 為留巷頂板充分垮落后的壓力，5 117.83 kN/m；μ 為底板與墻體間的摩擦系數(shù)，0.3。

代入以上數(shù)值，可計(jì)算出墻體抗滑系數(shù)為Ka=6.45。該值遠(yuǎn)大于重力式擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范所要求的抗滑系數(shù)1.6，因此墻體滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

3.6 協(xié)同支護(hù)效果分析

為了檢驗(yàn)協(xié)同支護(hù)技術(shù)對沿空留巷圍巖支護(hù)的效果，采用十字監(jiān)測法，對留巷圍巖表面位移情況實(shí)施了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測圍巖收斂變形[22-23]。沿空巷道位移監(jiān)測點(diǎn)布置如圖10。

圖10 留巷圍巖變形監(jiān)測布置圖Fig.10 Layout of surrounding rock deformation monitoring of retaining roadway

5309 工作面的巷道變形主要起始于工作面后10 m 的位置，工作面后10～90 m 范圍內(nèi)的巷道變形速率較快，此范圍內(nèi)巷道變形約占總變形量的60%，距工作面超過90 m 的位置巷道變形速率基本不變。巷道頂?shù)装彘g的最大變形量為235 mm，而頂板下沉量降約占巷道總變形的25%。兩幫變形特性相似，兩幫移近量最大為150 mm。

通過監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，在錨索和巷旁支護(hù)體的切頂作用下，被切斷的采空區(qū)頂板快速垮落，柔性混凝土模板墻上未出現(xiàn)螺栓或錨索損壞、錨固失效、單支柱傾倒、彎曲損壞或肋骨剝落的情況。礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，進(jìn)行爆破切頂卸壓期間，5309 工作面的沿空留巷頂板只產(chǎn)生了較小的下沉，底鼓以及兩幫移近量均在設(shè)計(jì)控范圍內(nèi)。在整個(gè)切頂過程中，巷道圍巖變形較小，留巷效果較好，滿足了下一工作面的使用要求。

4 結(jié) 語

1）定向預(yù)裂爆破的結(jié)果表明，爆破預(yù)裂切頂卸壓對于厚層堅(jiān)硬頂板沿空留巷具有較好效果，能大幅減小留巷段壓力，克服巷道變形，是沿空留巷技術(shù)的關(guān)鍵步驟。

2）巷道沿采空區(qū)一側(cè)切頂卸壓后，超前工作面開槽采用柔?；炷翂w進(jìn)行巷旁支護(hù)，有效阻擋采空區(qū)矸石，并對頂板進(jìn)行強(qiáng)力支撐，降低主頂板斷裂時(shí)動(dòng)壓力對留巷巷道穩(wěn)定性的影響，以及主頂板沉降的速率。

3）礦壓觀測結(jié)果表明：在距工作面10～90 m 范圍內(nèi)，沿空留巷的巷道變形最快；在距工作面50～100 m 范圍內(nèi)，沿空留巷墻體壓力達(dá)到最大值。爆破預(yù)裂切頂卸壓和柔模混凝土墻的協(xié)同運(yùn)用，在減少沿空留巷頂板壓力的同時(shí)，提高了留巷的綜合承載力，從而能夠確保留巷圍巖在頂板來壓時(shí)的穩(wěn)定性，并最終為安全生產(chǎn)提供保障。