李東印，張景軒，鄭立軍，王 伸，王 文，黃祖軍

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454000；3.淮北礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 蘆嶺煤礦，安徽 淮北 234000）

自20 世紀50 年代以來，我國研究人員在沿空留巷領(lǐng)域做出了大量的研究，切頂卸壓技術(shù)已成為沿空留巷研究中的關(guān)鍵技術(shù)。何滿潮教授于2001 年提出了雙向聚能拉伸爆破技術(shù)[1-2]，并成功的在多個礦井中實現(xiàn)預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷[3-4]，隨后其科研團隊結(jié)合“切頂短壁梁理論”提出了“110”工法[5]。目前國內(nèi)厚煤層一般采用綜放開采、大采高一次采全厚或分層開采，煤與瓦斯突出煤層多選用分層開采[6-7]，并且目前沿空留巷切頂卸壓研究多在一次采全厚或頂分層工作面的完整頂板結(jié)構(gòu)下進行，下分層再生頂板下的沿空留巷切頂卸壓研究較少[8-16]，介于此研究現(xiàn)狀，進行古漢山礦底分層沿空留巷切頂卸壓研究[17-19]。

1 工程概況

古漢山礦為煤與瓦斯突出礦井，15 采區(qū)平均總煤厚為5 m，針對厚煤層采用傾斜分層下行垮落法采煤工藝，煤層平均傾角為13°，頂分層平均煤厚2.8 m，底分層平均煤厚2.2 m。15032 工作面為底分層工作面，工作面采用走向長壁傾斜后退式綜合機械化采煤法。該工作面北部、南部和東部的底分層工作面尚未布置，西部為15 軌道保護煤柱；該工作面頂分層北部的15031 工作面于2014 年5 月已回采，南部的15051 工作面于2016 年4 月已回采，采區(qū)平面布置示意圖如圖1。15032 工作面地面標高為+98.2～+100 m，井下標高為-323～-388 m，直接頂為2.9 m 厚的再生頂板，再生頂板為煤、泥巖、矸石和泥漿膠結(jié)混合物，工作面綜合柱狀圖如圖2。

圖1 采區(qū)平面布置示意圖Fig.1 Sketch diagram of mining area layout

現(xiàn)需要通過沿空留巷的技術(shù)將15032 工作面運輸巷保留下來，作為15072 工作面的回風(fēng)巷使用，以達到減少巷道掘進率和緩解采掘接替壓力的目的。

2 底分層沿空留巷切頂卸壓原理和鉆孔參數(shù)

2.1 15032 運輸巷頂板鉆孔窺視和頂板巖性分析

在15032 運輸巷施工2 個頂板鉆孔窺視孔分別為窺1#和窺2#，部分鉆孔現(xiàn)場成像圖如圖3。根據(jù)窺視結(jié)果得出，頂板3 m 以下范圍為破碎層，3～5 m 范圍裂隙較發(fā)育，5～8.5 m 范圍裂隙較少，8.5 m 以上頂板巖層較為完整。

通過實驗室?guī)r石力學(xué)試驗可得到各巖層巖體的密度ρ、彈性模量E、泊松比μ、單軸抗壓強度σc，實驗室測得的采區(qū)內(nèi)煤層未開采區(qū)域的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 切頂卸壓原理

根據(jù)表1 可知15032 工作面頂板巖性整體為中硬，因此可采用“三下”采煤規(guī)程中的計算公式估算頂分層和底分層的垮落帶和裂隙帶高度[17，20]。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

式中：∑M 為累計采高，m；Hc為垮落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m。

分別將頂?shù)追謱永塾嫴筛叽胧剑?）和式（2）得到頂分層垮落帶和裂隙帶高度范圍分別為6.5～10.9 m 和29.1～40.0 m，底分層垮落帶和裂隙帶高度范圍分別為9.6～13.0 m 和43.1～54.7 m，根據(jù)礦前期相鄰工作面的井下仰斜分段注水法和鉆孔電視觀測法的結(jié)論，頂分層回采后實測垮落帶高為10.6 m，裂隙帶高為41.2 m，按比例推算底分層回采后，垮落帶高度約為13 m，裂隙帶高度約為52 m。

根據(jù)頂板鉆孔窺視結(jié)果可知頂板5 m 以上范圍裂隙較少，但采用仰斜分段注水法觀測兩帶時此范圍的水遺失量較大，證明頂板5 m 以上的垮落帶巖塊塊體較大，垮落帶和下部裂隙帶中體積較大的巖塊對底分層沿空留巷影響較大。

由礦資料可知，15031 工作面長度為111 m，15051 工作面長度為105 m，工作面寬度和基本頂厚度之比大于10，因此可以用采場薄板假設(shè)理論分析頂板的垮落變形，按照采場薄板假設(shè)理論及相關(guān)研究和試驗已經(jīng)證明采場回采后基本頂會出現(xiàn)O-X型破斷[21]，O-X 型破斷分為橫X 型、X 型、豎X 型，2個工作面長度遠大于其基本頂初次來壓步距長度，因此15031 和15051 工作面回采時基本頂?shù)钠茢嘈问綖闄MX 型，頂分層回采后基本頂破斷形態(tài)如圖4。頂分層基本頂斷裂后會形成1、2、3 塊體，基本頂在煤層走向方向會形成大范圍的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，在煤層傾斜方向也會根據(jù)不同的破壞形式形成相應(yīng)的鉸接結(jié)構(gòu)，采空區(qū)重新壓實后裂隙主要分布在采空區(qū)周圍一定范圍[22]，采空區(qū)中部裂隙會重新壓實并出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，由垮落帶的高度推算結(jié)果可得出厚度2.5 m 的細粒砂巖層為底分層下位關(guān)鍵層，由頂板鉆孔窺視結(jié)果可以看出此范圍的巖體較為完整，可認定其為圖4 中的塊體1，因此，此關(guān)鍵層對底分層15032 運輸巷沿空留巷過程影響較大，可考慮實施切頂卸壓措施，將其定為切頂?shù)哪繕藢游弧?/p>

圖4 頂分層回采后基本頂破斷示意圖Fig.4 Schematic diagram of basic roof fracture after top layer mining

密集鉆孔切頂卸壓示意圖如圖5。底分層工作面開采后巷道頂板巖層垮落帶以“給定載荷”的形式作用在巷道支架上，施加“給定載荷”的巖層包括頂分層垮落帶體松散巖層，和底分層回采后頂分層裂隙帶底部轉(zhuǎn)變?yōu)榈目迓鋷r體[17]。頂分層回采時，基本頂為頂板4.9 m 之上的砂質(zhì)泥巖，此為頂分層的下位較硬的關(guān)鍵層在底分層回采時變?yōu)榭迓鋷r層，但會形成一定長度的懸頂結(jié)構(gòu)，懸頂結(jié)構(gòu)會增加底分層沿空留巷過程中頂板巖體“給定載荷”的壓力，可采用適當?shù)那许斝秹杭夹g(shù)，減小懸頂結(jié)構(gòu)，同時切頂后可以切斷采空區(qū)基本頂和巷道頂部基本頂間的力學(xué)聯(lián)系，減少的基本頂?shù)撞繄D5（b）中C 巖塊垮落時對D 巖塊的摩擦力[23]，從而減小巷道支架所受到的圍巖壓力。

圖5 密集鉆孔切頂卸壓示意圖Fig.5 Pressure relief diagrams of dense boreholes cutting roof

2.3 切頂方式選擇

在現(xiàn)場進行爆破切頂試驗時，由于爆破孔易塌易堵，預(yù)裂爆破切頂無法實現(xiàn)，由理論分析可知切頂層位最低要達到細粒砂巖層之上，因此可采用密集鉆孔法弱化頂板，密集鉆孔弱化帶會增加頂板彎曲變形時的拉應(yīng)力的應(yīng)力集中，使得弱化帶容易受到拉伸破壞，形成裂隙并發(fā)生斷裂，同時，密集鉆孔可以吸收直接頂?shù)臄U容變形，減少一部分巷道的形變量，達到切頂卸壓的效果。密集鉆孔弱化法有著成本低、施工方便、對生產(chǎn)系統(tǒng)影響較小等優(yōu)點。

2.4 數(shù)值模擬

2.4.1 模擬模型

用三維離散元數(shù)值模擬軟件3DEC 建立模型，按照頂分層回采前的地質(zhì)條件進行模擬，為了簡化計算，工作面煤層走向方向取1 m，15032 工作面取下半部分，模型大小為：長×寬×高=230 m×1 m×130 m，數(shù)值模擬模型示意圖如圖6。x、y 軸方向側(cè)壓系數(shù)都為1，y 軸方向為垂直圖面向里，模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，在x 軸方向兩側(cè)邊界限制x 軸方向的位移，在y 軸方向的兩側(cè)限制y 軸方向位移，在底部邊界限制z 軸方向的位移，在頂部施加8.8 MPa 垂直向下的壓應(yīng)力代替頂部巖層的作用力。

圖6 數(shù)值模擬模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of numerical simulation model

2.4.2 參數(shù)取值

3DEC 模型參數(shù)可分為2 種。一種為塊體（Block）參數(shù)：體積模量K、剪切模量G、黏聚力Cb、內(nèi)摩擦角φb、抗拉強度σtb；另一種為節(jié)理（joint）參數(shù)：法向剛度Kn、剪切剛度Ks、黏聚力Cj、內(nèi)摩擦角φj、抗拉強度σtj。模型參數(shù)需要根據(jù)表1 值進行計算并進行調(diào)整，使得模擬中頂分層回采后垮落帶和裂隙帶的高度和實測數(shù)據(jù)相近。最終塊體和接觸面的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

密集鉆孔參數(shù)設(shè)置：為更好的模擬切頂效果需要設(shè)置1 個鉆孔切割節(jié)理面，節(jié)理面所在平面是所有鉆孔軸線共同構(gòu)成的面，此節(jié)理面只設(shè)置在鉆孔深度范圍內(nèi)，節(jié)理的黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度設(shè)置為和其所在層位的塊體的相同，其余參數(shù)和表2中的相同。

表2 煤巖體和接觸面物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Mechanical parameters of coal rock mass and contact surfaces

2.4.3 數(shù)值模擬試驗的合理性判斷

工作面回采后垮落帶巖層呈無規(guī)則垮落，并且?guī)r塊排列不整齊，回采結(jié)束后采空區(qū)中部裂隙重新壓實，裂隙帶的裂隙分布在采空區(qū)邊緣一定范圍內(nèi)。數(shù)值模擬實驗中頂分層回采后裂隙分布如圖7，由圖7 可以看出，頂板之上11 m 范圍內(nèi)，塊體垮落無規(guī)則排列不整齊且裂隙較多，可認定為垮落帶范圍，15031 和15051 工作面采空區(qū)邊緣的裂隙發(fā)育最高為55 m，可認為此范圍為裂隙帶高度。此數(shù)值模擬中的兩帶高度和實測結(jié)果接近，可認定數(shù)值模擬模型和參數(shù)的準確性。

圖7 頂分層回采后裂隙分布圖Fig.7 Fracture distribution diagram after mining the roof layer coal seam

2.5 密集鉆孔參數(shù)分析與優(yōu)化和切頂卸壓效果

2.5.1 密集鉆孔參數(shù)

設(shè)定鉆孔和水平面夾角為α，如圖5（a）。由于古漢山礦現(xiàn)有的鉆機型號限制，密集鉆孔直徑定為50 mm；鉆孔布置方式采用單排直線布置；由于現(xiàn)場條件限制，鉆孔開孔位置在頂板距上幫300 mm 處；鉆孔方位角和巷道軸線夾角為90°；鉆孔傾斜角度、深度、間距需要進一步分析優(yōu)化確定。

2.5.2 鉆孔傾斜角度優(yōu)化和密集鉆孔切頂卸壓效果

由于切頂高度大于直接頂厚度，此時直接頂范圍內(nèi)巖體比較容易垮落，而基本頂關(guān)鍵巖塊（如圖5中的C、D、E）則會在水平壓力的作用下相互咬合形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，當α 角偏小時，采空區(qū)側(cè)下沉的頂板巖塊對巷道上方頂板的摩擦力較小，采空區(qū)頂板更容易垮落，但頂板可能出現(xiàn)懸臂梁結(jié)構(gòu)增加不利于巷道維護；如果α 角增大，巷道上方的懸臂梁結(jié)構(gòu)會減小，但采空區(qū)側(cè)頂板巖塊對巷道上方巖塊的摩擦力將增加，而且還有可能對錨索錨固作用造成一定破壞，因此不利于巷道的維護，通常切頂線需要向采空區(qū)側(cè)偏一定角度[24-25]。

為驗證密集鉆孔弱化法切頂卸壓效果，以及確定最優(yōu)的鉆孔角度，分別做無密集鉆孔、鉆孔α 角為70°、80°、90° 4 組數(shù)值模擬試驗。為確保不同角度下鉆孔弱化帶切割頂板層位相同，不同角度的鉆孔終點均在細粒砂巖和泥巖的交界處；鉆孔間距（中-中）都設(shè)為200 mm，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔軸向方位角和巷道軸向夾角為90°。最終的垂直位移云圖如圖8，無密集鉆孔、鉆孔角度為70°、80°、90°的 巷 道 頂 板 下 沉 量 分 別 為504、494、262、315 mm，實體煤幫收縮量分別為279、279、177、197 mm。

圖8 不同鉆孔α 角度垂直位移云圖Fig.8 Vertical displacement at different borehole α angles

通過對比可知，鉆孔傾斜角度為80°和90°時都有一定的切頂卸壓效果，驗證了密集鉆孔切頂卸壓的必要性，且鉆孔傾斜角度為80°時巷道的變形量最小，因此鉆孔的傾斜角度選為80°。

2.5.3 鉆孔深度優(yōu)化

切頂高度在一定范圍增大時，采空區(qū)頂板垮落會更充分，垮落帶對基本頂?shù)某休d能力會更好，但切頂高度過大時會增加施工難度，且可能破壞基本頂?shù)钠胶饨Y(jié)構(gòu)。

為確定最優(yōu)的鉆孔深度，分別做鉆孔深度為16、18、20、22 m 4 組數(shù)值模擬試驗，最終的垂直位移云圖如圖9，孔深度為16、18、20、22 m 的巷道頂板下沉量分別為504、262、269、280 mm，實體煤幫收縮量分別為279、177、189、194 mm。由圖9 對比可知，鉆孔深度為18 m 時巷道變形量最小，大于18 m后，巷道的變形量，出現(xiàn)了小幅度的增加，因此鉆孔傾斜角度為80°時鉆孔深度定為18 m。

圖9 不同鉆孔深度垂直位移云圖Fig.9 Vertical displacement with different borehole depths

2.5.4 鉆孔間距分析優(yōu)化

鉆孔間距越小對切頂卸壓越有利，但鉆孔間距過小將無法正常進行施工。分別做鉆孔間距（中-中）為150、200、250、300、350 mm 的5 組數(shù)值模擬試驗進行對比，對每組試驗中巷道表面位移量進行監(jiān)測，最終監(jiān)測結(jié)果如圖10，5 組試驗巷道頂板下沉量分別為273、262、387、420、478 mm，實體煤幫巷道收縮量分別為172、177、188、228、302 mm。由圖10 對比可知，密集鉆孔切頂可以起到明顯卸壓效果。鉆孔間距為150 mm 和200 mm 的結(jié)果相差不大，且比其他3組的巷道收縮量小，因此，鉆孔間距可取為200 mm。

圖10 不同鉆孔間距巷道表面位移曲線Fig.10 Displacement curves of roadway surrounding rock with different spacing of boreholes

3 工程實踐

3.1 切頂方式和鉆孔參數(shù)及巷道補護強度

1）切頂方式選擇。在現(xiàn)場進行爆破切頂試驗時，由于爆破孔易塌易堵，預(yù)裂爆破切頂無法實現(xiàn)，由理論分析可知切頂層位最低要達到細粒砂巖層之上，因此可選采用密集鉆孔法弱化頂板，密集鉆孔弱化帶會增加頂板彎曲變形時的拉應(yīng)力的應(yīng)力集中，使得弱化帶容易受到拉伸破壞，形成裂隙并發(fā)生斷裂，同時，密集鉆孔可以吸收直接頂?shù)臄U容變形，減少一部分巷道的形變量，達到切頂卸壓的效果。密集鉆孔弱化法有著成本低、施工方便、對生產(chǎn)系統(tǒng)影響較小等優(yōu)點。

2）鉆孔參數(shù)選擇。由于施工設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的限制，并且為了施工方便，設(shè)定鉆孔排列方式為單排直線布置，鉆孔軸線方位角和巷道軸線夾角為90°，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔的開口位置在頂板距上幫300 mm 的位置，孔深度為18 m。密集鉆孔需要超前工作面80 m 完成施工。

3）巷道補強支護。為了保證沿空留巷過程中巷道支架能提供足夠的切頂支護阻力、巷道圍巖的穩(wěn)定性和留巷的安全性，需要對巷道進行補強支護，工程實踐中巷道的支護參數(shù)和數(shù)值模擬中相同，巷道補強支護示意圖如圖11。頂板和實體煤幫補強錨索梁需要超前采煤工作面80 m 完成施工，在留巷滯后15～30 m 范圍內(nèi)施工采空區(qū)幫錨索梁。

圖11 巷道補強支護示意圖Fig.11 Schematic diagrams of roadway reinforcement support

3.2 巷道表面位移監(jiān)測

采用“十字布點法”監(jiān)測巷道表面位移，距開切眼100 m 的測站巷道位移觀測曲線如圖12。

圖12 巷道表面位移觀測曲線Fig.12 Observation curves of roadway surrounding displacement

留巷前巷道在距工作面80～100 m 范圍位移量和位移縮率較小，在距工作面25～80 m 范圍內(nèi)，由于采煤工作面超前支撐壓力影響，工作面前方煤體中出現(xiàn)壓力增高區(qū)，此階段巷道表面位移速率有所增加，采空區(qū)幫的位移速率最大。從距工作面100～0 m 過程中，巷道頂板下沉量為136 mm，底鼓量為27 mm，實體煤幫收縮量為54 mm，采空區(qū)幫收縮量為104 mm，頂?shù)资湛s量為163 mm，兩幫收縮量為158 mm。

留巷后從距工作面0～200 m 過程中，巷道實體煤幫收縮量為105 mm，采空區(qū)幫收縮量為393 mm，頂板下沉量為220 mm，底鼓量為161 mm，頂?shù)资湛s量為382 mm，兩幫收縮量為498 mm。留巷后0～100 m 范圍巷道收縮速率較大，100～175 m 范圍內(nèi)巷道收縮速率逐漸減小。175 m 后巷道收縮速率穩(wěn)定并趨近于0。巷道從回采前距工作面100 m 至留巷后200 m 過程中，兩幫總收縮量為656 mm，頂?shù)卓偸湛s量為545 mm。

通過觀察巷道表面位移，巷道兩幫總收縮量為656 mm，頂?shù)资湛s量為545 mm。留巷穩(wěn)定后，巷道采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)工鋼柱彎曲和頂錨索松弛，需要在留巷后20 m 范圍內(nèi)對錨索重新進行拉拔改善支護效果，巷道變形后的狀態(tài)仍符合通風(fēng)、行人、排水和運輸?shù)陌踩枨?，回采結(jié)束后通過對巷道進行適當巷修即可作為下一個工作面的回風(fēng)巷正常使用。

4 結(jié) 語

1）古漢山礦15032 運輸巷頂板為重新壓實的再生頂板，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、鉆孔窺視和數(shù)值模擬試驗驗證了15032 運輸巷底分層沿空留巷過程中需要進行密集鉆孔切頂卸壓的必要性。

2）通過理論分析、經(jīng)驗公式計算和數(shù)值模擬優(yōu)化試驗得出密集鉆孔的最優(yōu)參數(shù)：鉆孔的傾斜角度α 為80°，鉆孔深度為18 m，鉆孔間距（中-中）為200 mm。

3）將分析和優(yōu)化后的密集鉆孔參數(shù)應(yīng)用到工程實踐中，留巷穩(wěn)定后巷道兩幫總收縮量為656 mm，頂?shù)资湛s量為545 mm，能滿足采區(qū)行人、通風(fēng)和運輸?shù)囊?，可以為類似工程實踐提供參考。