馬新根，李偉東，汪義龍，孫學(xué)偉，劉 煜，孫曉虎，李永元，沙興鋒，顧雷雨

(1.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.龍煤集團(tuán)益新煤礦有限公司，黑龍江 鶴崗 037000；4.中國(guó)國(guó)際工程咨詢有限公司，北京 100048)

在世界工業(yè)發(fā)展中，煤炭是重要的能源和化工原料，具有極其重要的戰(zhàn)略地位[1，2]。然而隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，災(zāi)害、環(huán)保等問題日益增加，煤炭資源的高效開發(fā)和利用已成為該行業(yè)的主要研究突破方向[3，4]。為提高井工煤炭采出率，何滿潮院士基于傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁開采工法，于2009年提出了切頂卸壓無煤柱自動(dòng)成巷開采技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了無煤柱、無充填體沿空留巷，經(jīng)過十余年的發(fā)展革新，該技術(shù)已積累了相當(dāng)?shù)睦碚摵蛯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)[5，6]。

為進(jìn)一步拓展該技術(shù)的適用地質(zhì)條件，本研究對(duì)緩傾斜厚煤層拱形上巷切頂留巷進(jìn)行研究。傾斜及緩傾斜煤層的礦壓分布與近水平煤層有較大差別，曹樹剛通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，傾斜煤層條件下工作面頂板垂直作用于液壓支架上的分力減小，而沿煤層傾斜方向的分力增加[7]；尹光志在對(duì)大傾角煤層采場(chǎng)圍壓分布進(jìn)行研究后進(jìn)一步指出，傾斜煤層工作面頂板應(yīng)力分布具有高度的不均勻、不對(duì)稱性，下巷圍巖應(yīng)力集中往往大于上巷[8]；黃建功對(duì)傾斜煤層頂板運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與近水平煤層相比，除了走向方向上的周期性頂板垮落外，傾斜煤層頂板還具有沿煤層傾斜方向的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這是造成采場(chǎng)應(yīng)力分布更為復(fù)雜的根本原因[9]。緩傾斜煤層條件下的切頂成巷應(yīng)用研究對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用拓展具有較大意義，其中，傾斜及緩傾斜煤層下巷切頂留巷已在福城煤礦、金鳳煤礦取得了成功應(yīng)用，而上巷切頂留巷的尚未有工程先例[10，11]。此外，本研究以益新煤礦43073工作面作為工程實(shí)例，試驗(yàn)工作面頂板較為破碎，巷道采用拱形巷道斷面設(shè)計(jì)，這對(duì)切頂成巷條件下的采場(chǎng)圍壓分布、支護(hù)及擋矸工序都有較大影響。

1 工程概況

龍煤集團(tuán)益新煤礦43073工作面位于鶴崗煤田三水平北一石門7#層三段，工作面走向長(zhǎng)度400m，傾向長(zhǎng)度170m，其布置平面如圖1(a)所示，工作面基本參數(shù)見表1，頂板巖性柱狀圖如圖1(b)所示?？梢娫撛囼?yàn)工作面屬于厚煤層(采高3.6m)、緩傾斜煤層(平均傾角18°)開采。試驗(yàn)工作面采用綜合機(jī)械化采煤法進(jìn)行回采，留巷試驗(yàn)巷道為43073工作面輔運(yùn)巷道，留巷段長(zhǎng)380m，相鄰工作面后續(xù)擬利用該巷道留巷段作為運(yùn)輸巷道進(jìn)行反向回采[16]。

圖1 43073工作面平面圖及頂板巖性柱狀

表1 益新煤礦43073工作面基本參數(shù)表

在試驗(yàn)留巷巷道的掘進(jìn)初期，以梯形斷面結(jié)合錨網(wǎng)索支護(hù)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)；后發(fā)現(xiàn)煤層頂板破碎嚴(yán)重，矩形巷道在圍壓下變形較大，對(duì)后續(xù)使用存在較大安全隱患，因此將巷道斷面改為半圓拱，支護(hù)形式改為U型棚支護(hù)。在留巷過程中，需根據(jù)巷道斷面形狀的改變對(duì)巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)做出相應(yīng)調(diào)整。43073工作面回采巷道斷面如圖2所示。

圖2 43073工作面回采巷道斷面(mm)

2 切頂卸壓自成巷技術(shù)

切頂卸壓自成巷技術(shù)原理如圖3所示[12]，該技術(shù)的核心在于通過頂板定向預(yù)裂爆破切縫切斷巷道頂板和采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，利用采空區(qū)頂板的垮落碎脹對(duì)采空區(qū)形成充填，進(jìn)而對(duì)覆巖形成有效支撐[13]。

圖3 切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)原理

近水平煤層與傾斜煤層切頂成巷對(duì)比如圖4所示，留巷完成時(shí)，采空區(qū)矸石堆壓實(shí)對(duì)覆巖起到支撐作用，矸石堆對(duì)圍巖的主要作用力有：①對(duì)頂板的作用力F1，②對(duì)切縫面的作用力F2，③對(duì)擋矸支護(hù)的作用力F3。

圖4 近水平煤層與傾斜煤層切頂成巷對(duì)比

通過頂板垮落運(yùn)動(dòng)分析可知，運(yùn)輸巷切頂留巷條件下，采空區(qū)垮落矸石會(huì)以自然安息角向留巷方向堆積；而回風(fēng)巷切頂留巷條件下，采空區(qū)頂板垮落矸石會(huì)以自然安息角向留巷相反方向聚集堆積。因此，在相同設(shè)計(jì)及地質(zhì)條件下，切頂垮落過程中，下巷留巷切頂面受力作用要強(qiáng)于水平煤層條件，而運(yùn)輸巷留巷切頂面受力作用要弱于水平煤層條件；留巷穩(wěn)定后，下巷留巷矸石堆對(duì)圍巖的支撐作用要強(qiáng)于水平煤層條件，而上巷留巷矸石堆對(duì)圍巖的支撐作用要弱于水平煤層條件。

3 切頂卸壓設(shè)計(jì)及效應(yīng)

3.1 切頂關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

切頂關(guān)鍵參數(shù)主要包含切頂高度和切頂角度，近水平條件下二者的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)相對(duì)完善，而在傾斜煤層條件下，二者設(shè)計(jì)還應(yīng)在原設(shè)計(jì)方式上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)地質(zhì)條件的特殊性。

3.1.1 切頂高度設(shè)計(jì)

根據(jù)切頂留巷的采空區(qū)碎脹充填理論，切頂高度設(shè)計(jì)如圖5所示。若切頂范圍內(nèi)共有m層巖層，則切頂高度應(yīng)滿足[17]：

HF=M/(Kp-1)

(1)

式中，HF為留巷的頂板定向爆破切縫高度，m；M為煤層厚度，m；Kp為留巷巷道的頂板碎脹系數(shù)。

圖5 切頂高度設(shè)計(jì)

傾斜煤層運(yùn)輸巷留巷條件下，由于頂板垮落矸石會(huì)向留巷側(cè)堆積，因此切頂高度可以適當(dāng)降低，以在保證留巷側(cè)采空區(qū)有效充填的基礎(chǔ)上適當(dāng)減弱擋矸支護(hù)壓力；而在傾斜煤層上巷留巷條件下，由于頂板垮落矸石會(huì)向遠(yuǎn)離留巷側(cè)堆積，因此切頂高度應(yīng)適當(dāng)增加，以保證留巷側(cè)采空區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)有效充填。根據(jù)試驗(yàn)礦井實(shí)際地質(zhì)條件，碎脹系數(shù)Kp取值1.4，忽略頂板下沉和底鼓變形，由式(1)計(jì)算得到切頂高度為9.0m。對(duì)比頂板巖性柱狀圖可知，9.0m切頂端部位于中砂巖層，該巖層能夠?yàn)殄^索提供穩(wěn)定錨固段，因此維持該設(shè)計(jì)高度即可。

目前大港主力油田均已進(jìn)入二次開發(fā)階段，再依靠大規(guī)模的打新井來提高采收率，效果越來越差，邊際效應(yīng)明顯；而三次采油在油田實(shí)施規(guī)模很小，技術(shù)適應(yīng)性差，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到大規(guī)模推廣的時(shí)候。

3.1.2 切頂角度設(shè)計(jì)

切頂角度的設(shè)計(jì)公式為[18，19]：

式中，L為留巷的基本頂巖塊橫向斷裂長(zhǎng)度，m；h為基本頂?shù)暮穸?，m；ΔS為關(guān)鍵巖塊B的下沉變形量，m；φ′為巖塊間的摩擦角，(°)。

根據(jù)上述受力分析，為盡可能的減小切頂作業(yè)量、縮短切頂懸臂梁長(zhǎng)度，可選取關(guān)鍵塊失穩(wěn)角度的下限作為設(shè)計(jì)切頂角度。此外，傾斜煤層下巷留巷條件下，在切頂高度適當(dāng)降低的基礎(chǔ)上，也可適當(dāng)增大切頂角度，進(jìn)一步減緩擋矸壓力，同時(shí)也有利于留巷側(cè)采空區(qū)的充填；而傾斜煤層上巷留巷條件下，在切頂高度適當(dāng)增加的基礎(chǔ)上，切頂角度可在不影響巷道頂板支護(hù)的前提下適當(dāng)減小，以進(jìn)一步增加切落頂板體積，更有利于留巷側(cè)采空區(qū)的充填。于式(2)代入試驗(yàn)工作面相關(guān)參數(shù)，h=5.50m、ΔS=2.28m、L=10m，φ′= 45°，計(jì)算得到切頂角度為12.2°，為增加切落矸體對(duì)采空區(qū)的填充能力，并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工可行性，最終采用切頂角度為10°。

3.2 切頂效應(yīng)分析

根據(jù)試驗(yàn)工作面頂?shù)装鍡l件及切頂設(shè)計(jì)，采用FLAC3D軟件進(jìn)行建模模擬， 驗(yàn)證切頂卸壓效應(yīng)。設(shè)計(jì)構(gòu)建三維數(shù)值模擬模型如圖6所示，模型尺寸為200m×100m×60m，巖層自下而上分別為粗砂巖、泥巖、煤層、粉砂巖、細(xì)砂巖、中礫巖、中砂巖、砂巖，各巖層參數(shù)見表2。

圖6 數(shù)值模擬三維模型

表2 各巖層巖性參數(shù)

未切頂與切頂條件下采場(chǎng)圍巖應(yīng)力及位移數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示?？梢姡辞许敆l件下留巷實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值達(dá)到79.0MPa、頂板最大下沉量為0.13m，而切頂條件下留巷實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值僅為68.9MPa、頂板最大下沉量為0.09m?？梢娫撉许斣O(shè)計(jì)在試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件下具有較好的切頂卸壓效果，頂板切縫在一定程度上切斷頂板應(yīng)力傳遞后，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值顯著降低，巷道圍巖的應(yīng)力分布得到優(yōu)化，切頂后留巷圍巖變形量更小、更容易維護(hù)，對(duì)于留巷成巷支護(hù)具有相當(dāng)?shù)脑鲆嫘Ч?/p>

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果

4 適應(yīng)性技術(shù)

在上述切頂設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，于益新煤礦43073工作面進(jìn)行緩傾斜厚煤層拱形斷面上巷切頂成巷技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)成功，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中需結(jié)合雙向聚能張拉爆破、恒阻大變形錨索支護(hù)、擋矸支護(hù)以及防滑支護(hù)等適應(yīng)性配套技術(shù)。

4.1 頂板切縫技術(shù)

在緩傾斜煤層上巷切頂留巷過程中，頂板切縫仍需采用雙向聚能張拉爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)[6]。聚能管單根規(guī)格為?36.5mm×L1500mm，聚能管內(nèi)的藥卷填裝數(shù)量、結(jié)構(gòu)，以及炮孔間距等參數(shù)均需通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)進(jìn)行確定。試驗(yàn)工作面通過單孔爆破試驗(yàn)確定爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)為43210，封泥長(zhǎng)度為2m，即每孔填裝五根聚能管，最后一根聚能管截?cái)酁?m長(zhǎng)，從頂至底每根聚能管分別裝藥4卷、3卷、2卷、1卷、0卷；通過留巷頂板的間隔孔爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定炮孔的最優(yōu)間距為500mm。

4.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，益新煤礦43073工作面的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)裝備仍選用恒阻值350kN、錨固力450kN、預(yù)緊力280kN的恒阻大變形錨索[20，21]。結(jié)合切頂高度設(shè)計(jì)，可將試驗(yàn)工作面錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為11m，支護(hù)強(qiáng)度可按懸吊理論結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)試驗(yàn)段試驗(yàn)及應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證[22]。

根據(jù)43073工作面頂板巖性，最終設(shè)計(jì)43074工作面留巷錨索支護(hù)布置方案如圖8所示。巷道中部以間距800mm布置一列恒阻錨索，切縫側(cè)以間距1200mm、400mm布置一列恒阻錨索，其中切縫側(cè)每1200mm間距兩根錨索采用鋼梁進(jìn)行連接，并以此對(duì)U型棚進(jìn)行進(jìn)一步固定。此外，除頂板恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)外，在留巷工作面超前影響區(qū)及架后留巷尚未穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)以往留巷經(jīng)驗(yàn)，采區(qū)單體支柱對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，當(dāng)留巷穩(wěn)定后可對(duì)該臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行回撤。

圖8 留巷切頂及支護(hù)設(shè)計(jì)(mm)

4.3 擋矸支護(hù)技術(shù)

考慮到傾斜煤層、緩傾斜煤層上巷留巷的采空區(qū)矸石反向堆積作用，該條件下?lián)蹴分ёo(hù)強(qiáng)度要求相對(duì)較低[10]。此外，由于益新煤礦試驗(yàn)工作面留巷采用36U型鋼進(jìn)行支護(hù)，U型鋼本身就具有擋矸和讓壓變形功能，因此該試驗(yàn)巷道僅需在該支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充擋矸支護(hù)設(shè)計(jì)即可。

走向撐木加固設(shè)計(jì)如圖9所示，首先，為防止頂板垮落矸石沖入留巷巷道，同時(shí)為保證碎石幫成形，工作面回采后于U型鋼外側(cè)鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)；其次，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在受到頂板冒落矸石沖擊作用后，U型鋼容易沿巷道走向方向發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，因此將相鄰U型鋼采用撐木進(jìn)行連接，以增強(qiáng)U型鋼的整體擋矸能力；最后采用擋矸壓力盒實(shí)時(shí)對(duì)U型鋼擋矸壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一方面對(duì)碎石幫的形成階段進(jìn)行判別，另一方面也可為擋矸支護(hù)提供調(diào)整優(yōu)化依據(jù)。

圖9 走向撐木加固設(shè)計(jì)(mm)

4.4 防滑支護(hù)技術(shù)

初期留巷過程中發(fā)現(xiàn)，留巷初始進(jìn)入采空區(qū)階段，由于巷道上幫測(cè)壓較大、下幫鄰空，U型鋼支護(hù)出現(xiàn)整體沿煤層傾向下滑的現(xiàn)象，最大下滑至可達(dá)0.8m，大大降低了留巷斷面尺寸效果。為解決該問題，增加U型鋼防滑支護(hù)，即對(duì)每架U型棚增加一根單體支護(hù)沿煤層傾角方向?qū)ζ溥M(jìn)行支護(hù)，當(dāng)碎石幫形成、留巷穩(wěn)定、U型棚倆側(cè)受力趨于平衡時(shí)，在對(duì)該防滑支護(hù)進(jìn)行回撤即可。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

5.1 留巷效果

切頂成巷完全穩(wěn)定后，對(duì)巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行回撤，現(xiàn)場(chǎng)留巷效果如圖10所示。留巷全程，持續(xù)采用十字測(cè)點(diǎn)法對(duì)巷道斷面變形進(jìn)行記錄觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)留巷效果

圖11 130m進(jìn)尺處巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：①留巷底鼓最終變形量為143mm，頂板下沉最終變形量為218mm，頂?shù)装逡平罱K變形量為361mm，頂板下沉與底鼓變化趨勢(shì)基本相同，架后207m后留巷頂?shù)装逡平兓呌诜€(wěn)定；②工作面架后226m后，留巷的兩幫移近變形量最后穩(wěn)定于280mm，其中留巷初始階段兩幫移近變形的主要來源是實(shí)體煤幫的移近變形，之后隨著碎石幫的壓實(shí)穩(wěn)定，逐漸開始承擔(dān)覆巖壓力，留巷兩幫變形的主要來源轉(zhuǎn)變?yōu)閾蹴穫?cè)的移近。該巷道最終留巷斷面高度不小于1892mm、寬度不小于4320mm，留設(shè)尺寸能夠?yàn)楹罄m(xù)復(fù)用提供必要支承。

5.2 卸壓效果

為對(duì)留巷過程中的切頂卸壓效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，針對(duì)試驗(yàn)工作面的典型液壓支架進(jìn)行工作阻力監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)分別選取未切縫側(cè)1#架、切縫側(cè)100#架作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。

圖12 液壓支架循環(huán)末阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果

來壓步距、壓力統(tǒng)計(jì)見表3。根據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析可知，受到頂板切縫影響，留巷側(cè)頂板的周期來壓步距比未切縫側(cè)大，平均增幅為3m，但來壓壓強(qiáng)降低，平均來壓壓強(qiáng)降低1.4MPa、峰值來壓強(qiáng)度降低6.8MPa，最大卸壓比為17.48%，切頂卸壓效果較為明顯。

表3 工作面液壓支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié) 論

1)在對(duì)傾斜及緩傾斜煤層切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)益新煤礦緩傾斜厚煤層拱形斷面上巷切頂留巷進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)得到切頂高度為9m，切頂角度為10°，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)該設(shè)計(jì)的切頂卸壓效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2)對(duì)緩傾斜煤層上巷切頂成巷適應(yīng)性技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，包含頂板切縫技術(shù)、補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)、擋矸支護(hù)技術(shù)及防滑支護(hù)技術(shù)等，并以益新煤礦試驗(yàn)工作面為例，對(duì)各項(xiàng)適應(yīng)性技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)在益新煤礦43073工作面成功進(jìn)行了緩傾斜厚煤層上巷切頂卸壓自動(dòng)成巷試驗(yàn)，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，留巷整體變形量較小，可以滿足相鄰工作面復(fù)用需求，同時(shí)通過工作面礦壓監(jiān)測(cè)對(duì)比，實(shí)地驗(yàn)證了切頂卸壓效果。