佘永明

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315）

0 引言

近年來，為提高煤炭資源回收率、緩解采掘接續(xù)緊張局面、減少采空區(qū)遺煤損失，我國(guó)各大礦區(qū)在地質(zhì)開采條件適宜的礦井持續(xù)推行沿空留巷開采技術(shù)[1-2]。孫壘等[3]、羅明坤等[4]通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，配比得出具有高強(qiáng)、讓壓承載性能的混凝土-高水材料組合充填墻體，在樟村煤礦大采高工作面成功應(yīng)用；張智強(qiáng)等[5]針對(duì)12.6 m 厚煤層分層開采底分層沿空留巷瓦斯超限難題，設(shè)計(jì)兩幫雙柔模墻圍巖控制技術(shù)，有效控制了頂?shù)装遄冃魏兔褐咚節(jié)B漏；柏建彪等[6]、張自政等[7]、卞卡等[8]在高水材料充填沿空留巷理論研究和工程應(yīng)用基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了留巷巷道受載變形特征，揭示了巷道的力源及圍巖控制關(guān)鍵區(qū)域；王東攀等[9]、陳金宇[10]針對(duì)高瓦斯厚煤層綜放開采條件，運(yùn)用“支-卸”協(xié)同圍巖控制理念將水力壓裂卸壓與高強(qiáng)混凝土墻體巷旁支護(hù)聯(lián)合應(yīng)用，改善了留巷應(yīng)力環(huán)境，有效控制了圍巖變形?，F(xiàn)有研究成果根據(jù)不同開采地質(zhì)條件、技術(shù)裝備水平針對(duì)性的提出了沿空留巷圍巖控制技術(shù)[11-13]，以高水材料、混凝土墻體為巷旁支護(hù)的沿空留巷技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，墻體留巷具有工序簡(jiǎn)單、強(qiáng)度可靠、密閉性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[14-16]，但相應(yīng)的充填材料用量較大，礦井輔助運(yùn)輸壓力較高等問題制約了沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用泛度，如何在保障巷旁支護(hù)強(qiáng)度、有效控制圍巖變形的前提下減少充填材料用量成為沿空留巷技術(shù)推廣的重要難題。本文以某淺埋礦井50108 工作面為背景，結(jié)合理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，確定沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制技術(shù)，研究成果可為類似地質(zhì)及開采條件礦井提供技術(shù)支持與借鑒。

1 工程概況

該礦為淺埋深、低瓦斯礦井，目前所采煤層為5-2煤層，按傳統(tǒng)“U+L”型巷道布置方式，工作面間留設(shè)15 m 區(qū)段煤柱，造成資源浪費(fèi)，并且遺留煤柱產(chǎn)生的采空區(qū)自燃問題以及下部煤層產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題對(duì)礦井高效安全開采造成威脅。

50108 工作面傾向長(zhǎng)度245 m，走向長(zhǎng)度4 462 m，主采5-2煤層，煤層埋深180 m，平均厚度3.1 m，50108 工作面運(yùn)輸順槽沿底掘進(jìn)，巷道寬5.5 m，高3.1 m，巷道上方依次為平均厚度13.5 m、抗壓強(qiáng)度32.74 MPa 的粉砂巖直接頂，以及平均厚度4.5 m、抗壓強(qiáng)度33.20 MPa 的砂質(zhì)泥巖基本頂。留巷后寬度4.7 m，用作50107 工作面回風(fēng)平巷，留巷工作面采用兩進(jìn)一回Y 型通風(fēng)方式（圖1）。

為提高礦井資源回收率、緩解采掘接替局面，實(shí)現(xiàn)快速、低成本留巷，在50108 工作面開展泵充混凝土支柱沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)分兩階段：①初次留巷階段，在50108 工作面回采過程中，將工作面運(yùn)輸平巷試驗(yàn)段（共450 m）沿采空區(qū)保留下來；②巷道復(fù)用階段，在相鄰的50107 工作面回采過程中，回收試驗(yàn)段巷間煤柱，通過礦壓監(jiān)測(cè)對(duì)留巷效果進(jìn)行評(píng)估與驗(yàn)證。

2 沿空巷道“支-卸”協(xié)同圍巖控制對(duì)策

根據(jù)“關(guān)鍵層”理論，自切眼開始，隨著50108 工作面向前推采，覆巖下方采出空間逐漸增大，頂板懸露面積隨之線性增加，在達(dá)到極限跨度后，基本頂發(fā)生“O-X”初次破斷。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，支架后方覆巖懸露長(zhǎng)度不斷達(dá)到臨界值，周期性的發(fā)生破斷；而在工作面兩側(cè)回采巷道上方，基本頂一端在采空區(qū)邊緣彈塑性交界處發(fā)生破斷繼而形成弧形三角塊B，另一端以一定角度向50108 工作面采空區(qū)回轉(zhuǎn)并與相鄰巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)[17-18]，如圖2 所示。

圖2 50108 工作面沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Plan of overlying rock structure of gob-side entry retaining in 50108 working face

弧形三角塊在巷道圍巖上方形成懸頂結(jié)構(gòu)，對(duì)于50108 運(yùn)輸平巷圍巖受載變形具有極強(qiáng)的控制作用，其破斷、回轉(zhuǎn)、滑移、變形等運(yùn)移過程是造成巷道圍巖變形破壞和巷旁支護(hù)體失穩(wěn)破壞的主要原因。

對(duì)厚硬頂板的控制是沿空巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，基于50108 工作面開采地質(zhì)實(shí)際，確定高強(qiáng)度巷內(nèi)支護(hù)、強(qiáng)力巷旁支護(hù)可有效控制頂板離層、變形速率，以及超前水力卸壓弱化采空區(qū)懸臂梁覆巖偏載傳遞效能，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的“支-卸”協(xié)同圍巖控制對(duì)策。

3 沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制技術(shù)

3.1 巷內(nèi)支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

50108 工作面運(yùn)輸平巷錨桿初始頂板支護(hù)采用Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿配鋼筋梯梁支護(hù)，錨桿間排距1 100×1 200 mm，每排5 根，樹脂加長(zhǎng)錨固，鋼筋梯梁由Φ12 mm 鋼筋焊接而成，寬80 mm，長(zhǎng)4.5 m；回采幫采用Φ20 mm×1 600 mm 玻璃鋼錨桿支護(hù)，煤柱幫采用Φ18 mm×1 600 mm 螺紋鋼錨桿，兩幫支護(hù)體對(duì)稱布置，間排距750×1 200 mm，每排3 根。

根據(jù)巷道回采變形數(shù)據(jù)及沿空巷道圍巖變形特征[1-2]，重點(diǎn)對(duì)煤柱幫上部及采空側(cè)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)（圖3），確定巷內(nèi)支護(hù)優(yōu)化方案為：①頂板錨索鋼帶補(bǔ)強(qiáng)，采用Φ17.8 mm×6 300 mm 鋼絞線錨索，每排2 根，排距 1 200 mm，分別距回采幫200 mm、2 200 mm，鋼帶規(guī)格為WX280/3，順巷道軸向與錨索搭配布置；②煤柱幫錨桿補(bǔ)強(qiáng)，規(guī)格為Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，每排2 根，排距1 200 mm，分別距巷道頂板300 mm、1 000 mm，布置在原幫部支護(hù)體兩排之間；回采幫無需補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖3 50108 運(yùn)輸平巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of reinforcement and support for 50108 transportation roadway

3.2 超前水力壓裂卸壓

在沿空留巷巷道內(nèi)，沿走向方向的給定位置超前采取水力壓裂卸壓措施，將堅(jiān)硬頂板拉裂成縫，一方面可以降低巷旁支護(hù)體的集中應(yīng)力，減小支護(hù)體載荷，另一方面對(duì)留巷巷道的底臌和兩幫移近也有一定的緩和作用。同時(shí)，對(duì)于留巷工作面，頂板沿走向卸壓后，會(huì)引導(dǎo)老頂沿壓裂縫斷裂，有利于形成“短懸臂梁”結(jié)構(gòu)，減小巷旁支護(hù)體上覆巖層載荷，同時(shí)有利于垮落矸石盡快充滿采空區(qū)，提高柱間密封效果。

50108 工作面運(yùn)輸平巷超前卸壓鉆孔布置如圖4 所示。在50108 運(yùn)輸平巷靠工作面?zhèn)葞徒鞘┕う?6 mm 鉆孔，間隔10 m，對(duì)工作面上方堅(jiān)硬巖層壓裂與弱化，鉆孔與水平線夾角45°，長(zhǎng)40 m，其中，封孔長(zhǎng)度12 m，壓裂長(zhǎng)度28 m，壓裂間隔為3 m。

圖4 50108 工作面切頂卸壓鉆孔布置圖Fig.4 Layout diagram of top cutting and pressure relief drilling holes for 50108 working face

3.3 泵充混凝土支柱選型設(shè)計(jì)

相較于墻體留巷，支柱留巷在同等支護(hù)強(qiáng)度下充填材料用量可減少50%以上，大大節(jié)省了材料成本，緩解了輔助運(yùn)輸壓力，為開發(fā)適用于沿空巷道的高強(qiáng)支柱，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)、不同直徑支柱原型試驗(yàn)，以確定可保障圍巖穩(wěn)定的合理支柱選型。

3.3.1 不同結(jié)構(gòu)支柱原型試驗(yàn)

目前常用的支柱充填材料包括高水材料和混凝土兩種，相較于混凝土，高水材料具有速凝、早強(qiáng)、接頂效果好等優(yōu)點(diǎn)，然而，成本較高、強(qiáng)度略低、易劣化等特性也制約了高水材料在泵充支柱中的應(yīng)用。為明確兩種材料填充的強(qiáng)力支柱力學(xué)特性方面的差異，通過1∶1 原型試驗(yàn)試制了高水材料支柱和混凝土支柱，支柱外約束選取了金屬網(wǎng)、聚酯纖維網(wǎng)和波紋管三種，分別在支架性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了抗壓測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)支柱承載能力對(duì)比表Table 1 Comparison table of bearing capacity of different structural pillars

對(duì)比不同內(nèi)外結(jié)構(gòu)支柱受載-變形曲線可知：①相同外約束條件下，混凝土支柱承載能力高于高水材料支柱，而變形小于高水材料支柱；②外約束對(duì)支柱整體強(qiáng)度有明顯提升，三種外約束對(duì)于支柱整體強(qiáng)度的提升由高到低分別為波紋管、聚酯纖維網(wǎng)、金屬網(wǎng)。

3.3.2 不同直徑支柱對(duì)比試驗(yàn)

為探究支柱直徑對(duì)其承載能力的影響，以直徑800 mm、外約束為波紋管的混凝土支柱為基準(zhǔn)，進(jìn)行直徑1 000 mm 和1 200 mm，外約束為波紋管的混凝土支柱承載性能試驗(yàn)。7#支柱、9#支柱實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，不同直徑支柱承載能力對(duì)比見表2。

表2 不同直徑支柱承載能力對(duì)比表Table 2 Comparison table of bearing capacity of pillars with different diameters

圖5 不同直徑原型支柱受載-變形曲線Fig.5 Load deformation curves of prototype pillars with different diameters

結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比直徑800 mm、1 000 mm和1 200 mm 混凝土支柱的受載變形情況可知：①支柱直徑超過1 000 mm 以后，承載能力可以提高到15 000 kN 以上，由于此時(shí)支柱受載加上自重已接近實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)的極限測(cè)試能力，故4 根支柱均未測(cè)試出極限承載能力，實(shí)驗(yàn)過后支柱僅輕微破壞，無明顯變形破壞現(xiàn)象；②支柱直徑越大，剛度越大，同樣受載條件下下縮量越小。

3.3.3 泵充混凝土支柱選型計(jì)算

根據(jù)50108 運(yùn)輸平巷工程地質(zhì)實(shí)際，充分考慮實(shí)體煤幫、巷旁支護(hù)體以及采空區(qū)矸石承載能力及沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征情況下，保障留巷圍巖穩(wěn)定所需的巷旁支護(hù)阻力可由式（1）計(jì)算[19-20]。

式中：[F3]為巷旁支護(hù)體承載能力要求，kN；L0為頂板巖梁長(zhǎng)度，取工作面平均周期來壓步距，19.5 m；L1為頂板巖梁斷裂線距煤壁距離，取6.0 m；L2為留巷寬度，取4.7 m；L4為采空區(qū)矸石壓縮長(zhǎng)度，取24 m；MZ、ME為直接頂厚度、基本頂厚度，分別取13.5 m、4.5 m；γZ、γE為直接頂容重和基本頂容重，取2.5×104N/m2；F1為實(shí)體煤對(duì)頂板的支撐力，計(jì)算見式（2）；F4為采空區(qū)矸石對(duì)頂板的支撐力，計(jì)算見式（3）。

式中：q1、q2分別為實(shí)體煤幫內(nèi)斷裂線處以及煤壁處的載荷強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分別取295 kN/m、390 kN/m；q4為最大壓縮點(diǎn)采空區(qū)矸石載荷強(qiáng)度，根據(jù)采空區(qū)矸石室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果取340 kN/m；

將相應(yīng)各參數(shù)取值相繼代入式（1）～式（3）計(jì)算可得，巷旁支護(hù)體延米支護(hù)阻力應(yīng)不低于6 251.25 kN?？紤]到巖層狀態(tài)起伏、覆巖穩(wěn)定過程中的動(dòng)載沖擊以及支柱間距（取0.5 m）等影響，安全系數(shù)取1.3，故合理支柱支護(hù)能力應(yīng)達(dá)到8 477.63 kN。結(jié)合不同結(jié)構(gòu)、不同直徑支柱原型試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮試驗(yàn)巷道各地段尺寸變化，最終確定巷旁支護(hù)選用Φ800 mm×3 200 mm、外約束為波紋管的混凝土支柱。

4 礦壓監(jiān)測(cè)與沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制效果分析

為評(píng)估沿空留巷效果，在50108 工作面運(yùn)輸平巷設(shè)置圍巖位移監(jiān)測(cè)站，對(duì)巷道留巷、復(fù)用期間圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。留巷過程中巷道兩幫無明顯變形，巷道頂板自工作面推過測(cè)站后出現(xiàn)瞬時(shí)下沉，變形量為4 mm，滯后工作面20～50 m 范圍內(nèi)變形量增速最大，由4 mm 增至15 mm，滯后工作面50～160 m范圍內(nèi)頂板持續(xù)下沉，頂板下沉量達(dá)到35 mm，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，頂板趨于穩(wěn)定，采動(dòng)影響不明顯，巷道最大下沉量為38 mm。

復(fù)用期間，巷道各區(qū)域圍巖變形曲線如圖6 所示。由圖6 可知，回采幫無明顯變形，支柱受覆巖頂板向采空區(qū)側(cè)向回轉(zhuǎn)變形影響，出現(xiàn)了向側(cè)向采空區(qū)傾斜現(xiàn)象，在距工作面30 m 范圍內(nèi)較為明顯。巷道頂板在距工作面120 m 處出現(xiàn)輕微變形，隨后保持平穩(wěn)，距工作面50 m 左右頂板出現(xiàn)持續(xù)下沉，下沉量為60 mm 左右，至工作面推過測(cè)站，頂板支護(hù)由超前支架更替為單體支柱后，由于超前架反復(fù)支撐破壞頂板支護(hù)體，端頭處頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，在支架側(cè)方與采空區(qū)交界點(diǎn)下沉量達(dá)到最大。

圖6 50108 工作面沿空巷道復(fù)用期間圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curves of strata during the reuse of gob-side entry retaining in the 50108 working face

綜上，留巷期間，在水力壓裂超前卸壓，巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)協(xié)同控制下，巷道圍巖穩(wěn)定，頂板最大下沉量為38 mm；巷道復(fù)用期間，在巷旁強(qiáng)力支柱及六組超前架協(xié)同支護(hù)作用下，沿空巷道整體穩(wěn)定，除單體支柱支護(hù)的端頭區(qū)域外，未出現(xiàn)明顯變形，同時(shí)，工作面在巷道復(fù)用過程中成功回收試驗(yàn)段巷間15 m煤柱，實(shí)現(xiàn)了煤柱資源高效回收（圖7）。

圖7 50108 工作面沿空巷道超前段圍巖控制效果圖Fig.7 Effect diagram of strata contral in the front section of the gob-side entry retaining of the 50108 working face

5 結(jié)論

1）基于厚硬頂板沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析，確定高強(qiáng)度巷內(nèi)支護(hù)、強(qiáng)力巷旁支護(hù)有效控制頂板離層、變形速率，以及超前水力卸壓弱化采空區(qū)懸臂梁覆巖偏載傳遞效能、改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的“支-卸”協(xié)同圍巖控制對(duì)策。

2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)室原型試驗(yàn)和理論分析，對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的支柱承載能力以及巷旁支護(hù)極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，確定了合理支柱支護(hù)能力應(yīng)達(dá)到8 477.63 kN，以保障沿空巷道頂板穩(wěn)定為目的，適用于50108 工作面的合理巷旁支護(hù)選型為直徑800 mm、外約束波紋管的混凝土支柱。

3）圍巖變形與留巷效果監(jiān)測(cè)表明，在水力壓裂超前卸壓，巷內(nèi)支護(hù)、巷旁支護(hù)協(xié)同控制下，留巷期間巷道整體穩(wěn)定，復(fù)用期間巷道除端頭區(qū)域外，無明顯變形現(xiàn)象，沿空巷道滿足工作面正常生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)了資源高效回收，試驗(yàn)效果良好。