切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用研究

田志勇

（西山煤電集團(tuán)總調(diào)度室，山西太原030053）

留煤柱是礦山開采煤炭資源的常用手段，煤炭工業(yè)化、機(jī)械化的發(fā)展使得這種開采方法的弊端不斷增大，造成了許多事故。沿空留巷技術(shù)不僅能擴(kuò)大煤炭的回收率，提高開采效率，還能降低開采風(fēng)險(xiǎn)。由于上覆蓋巖旋轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的動(dòng)載荷，傳統(tǒng)沿空留巷巷旁充填體會(huì)被破壞，切頂卸壓技術(shù)可以減弱動(dòng)載荷對(duì)充填體的影響。

1 國內(nèi)外沿空留巷研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)

從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)開始研究沿空留巷技術(shù)，起初，國內(nèi)對(duì)其的研究應(yīng)用借鑒了國外的經(jīng)驗(yàn)，但成效不如人意。經(jīng)過我國學(xué)者對(duì)其的一系列探討、研究和實(shí)踐，國內(nèi)的沿空留巷進(jìn)入到了新時(shí)期。國內(nèi)對(duì)沿空留巷技術(shù)的研究歷程可分為4個(gè)階段。在第一階段，采用矸石堆垛進(jìn)行巷旁充填，發(fā)揮支護(hù)作用，山東、遼寧等省份都曾采用這一手段。利用矸石堆垛支護(hù)的缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致巷內(nèi)嚴(yán)重變形，且不能發(fā)揮很好的隔離作用。巷內(nèi)嚴(yán)重變形的原因是矸石沉縮量大，使頂板過量下沉，最終導(dǎo)致巷內(nèi)變形。在第二階段，主要研究內(nèi)容是沿空留巷的巷旁充填體材料，提出了具有創(chuàng)新性的砌體墻法和密集支護(hù)法等。砌體墻法即用人工砌墻作為巷旁充填體，這種方法能取得很好的隔離效果，但由于與頂板接觸困難，經(jīng)常出現(xiàn)空頂現(xiàn)象，導(dǎo)致不能對(duì)頂板巖層起到有效的支撐作用。密集支護(hù)法與頂板接觸良好，但隔離效果差，支護(hù)效果一般。在第三階段，這一階段位于20世紀(jì)80年代后期至90年代前期，高水充填材料開始被應(yīng)用于沿空留巷。高水充填材料能實(shí)現(xiàn)大范圍充填，且施工機(jī)械化程度高，但不能預(yù)防突發(fā)情況，因此不能被大面積使用。在第四階段，即近幾年，巷旁充填材料得到了革新，由第三階段的高水充填材料轉(zhuǎn)變?yōu)楦囿w充填材料。利用膏體材料充填，再采用合適的工藝和設(shè)備進(jìn)行充填能成功完成留巷，并實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采，避免瓦斯堆積，從而大幅度地減小了瓦斯爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

在理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐方面，我國對(duì)沿空留巷的研究取得了大量的成果。利用理論、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測(cè)等方法，我國的學(xué)者不僅確定了合理的留巷位置，還計(jì)算出了巷旁支護(hù)阻力臨界值和巷旁充填墻體最優(yōu)充填長度，并得出了加強(qiáng)煤壁支護(hù)能有效控制圍巖變化的結(jié)論，同時(shí)還解決了沿空留巷中存在的許多問題。如，通過刷幫解決刷幫前巷道不能被下一區(qū)段工作面使用的問題。除上述內(nèi)容外，我國學(xué)者的研究成果還包括深淺、傾角、煤厚對(duì)巷旁支護(hù)材料選擇的影響，不同情況下有效巷旁支護(hù)方案的制定，鋼管與混凝土聯(lián)合的支護(hù)方式等等。

1.2 國外

國外對(duì)沿空留巷的研究起步較我國更早，進(jìn)行了大量的研究工作后，國外在沿空留巷方面也取得許多成就，值得一提的是，由于不同國家在這方面的研究目的不盡相同，其取得的成就也存在一些差異。如，前蘇聯(lián)、英國等一些注重一次能源利用率的國家最早提出并采用無煤柱護(hù)巷的開采方式，這些國家在留巷圍巖變形機(jī)理，巷內(nèi)、巷旁支護(hù)這幾方面進(jìn)行了深入地研究，并對(duì)新材料墻體開展了大量研發(fā)工作。早在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)就已經(jīng)開始推廣沿空留巷技術(shù)，并根據(jù)具體的礦區(qū)特點(diǎn)對(duì)巷旁支護(hù)材料進(jìn)行選擇。沿空留巷技術(shù)的適用對(duì)象主要是薄層、中厚層煤層，頂?shù)装鍘r性較硬的煤層。B.胡托爾諾依，一名蘇聯(lián)學(xué)者，提出了壓懸梁理論，建立了壓懸梁力學(xué)模型，進(jìn)而推導(dǎo)出了巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算公式。德國更重視煤礦開采通道的循環(huán)使用，西德時(shí)期其在煤礦中應(yīng)用的多種巷旁充填材料都發(fā)揮了良好的應(yīng)用效果。

2 切頂卸壓在沿空留巷中的作用

通過LS-DYNA數(shù)值模擬與理論相結(jié)合的方法，陳勇等學(xué)者對(duì)導(dǎo)向孔對(duì)應(yīng)用于厚層堅(jiān)硬頂板的切頂卸壓手段的作用，得出了導(dǎo)向孔螚顯著影響頂板預(yù)爆破效果的結(jié)論。采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測(cè)這些手段對(duì)切頂卸壓技術(shù)在薄煤層沿空留巷的應(yīng)用進(jìn)行深入探究后，孫曉明等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，切頂高度、角度，爆破孔隙間距都會(huì)對(duì)薄煤層切頂卸壓沿空留巷產(chǎn)生重要的影響作用。白皎礦瓦斯突出、煤層賦存條件復(fù)雜，難以開采的問題在張國鋒等學(xué)者的努力下得到了解決，這些學(xué)者采用的技術(shù)主要有切頂卸壓沿空留巷、Y型通風(fēng)、瓦斯抽采。王維維等學(xué)者成功解決了切頂卸壓沿空留巷中頂板難以控制、生產(chǎn)接替緊張等問題。

3 上覆巖層的分類

推進(jìn)工作面后，上覆壓力會(huì)對(duì)冒落帶產(chǎn)生作用，使其垮落，如果碎脹性系數(shù)較高，可以比較容易地完全充填采空區(qū)，將礦壓轉(zhuǎn)移到采空區(qū)側(cè)，從而減弱巷道圍巖應(yīng)力。如果冒落帶的巖層巖性較硬，則不會(huì)被上覆壓力作用至垮落，而容易造成大面積懸頂，當(dāng)冒落帶達(dá)到極限跨斷長度時(shí)突然斷裂，給工作面造成強(qiáng)大的沖擊壓力，這一現(xiàn)象很容易造成事故。冒落帶在工作面推進(jìn)后是否能夠自行垮落主要取決于冒落帶巖層的巖性、冒落帶的高度和冒落帶巖層的完整程度。

裂隙帶內(nèi)的堅(jiān)硬巖層承擔(dān)了裂隙帶的主要壓力，堅(jiān)硬巖層的上部覆蓋了軟弱巖層，工作面推進(jìn)后，上覆蓋壓力不斷增大，當(dāng)堅(jiān)硬巖層承受的壓力超過其最大承受能力時(shí)會(huì)斷裂，斷裂的巖塊在水平推力的作用下會(huì)形成鉸接結(jié)構(gòu)。裂隙帶鉸接結(jié)構(gòu)能將裂隙帶受到的上覆壓力計(jì)自重重力轉(zhuǎn)移向采空區(qū)的冒落矸石，從而使工作面不出現(xiàn)明顯的礦壓現(xiàn)象。裂隙帶是否存在鉸接結(jié)構(gòu)的決定因素是裂隙帶是否存在堅(jiān)硬巖層。堅(jiān)硬巖層上覆蓋的軟弱巖層的跨段節(jié)奏與堅(jiān)硬巖層的跨段節(jié)奏一致，以煤層上方第一巖層為基礎(chǔ)，由組合梁理論和相關(guān)公式可做出以下判定：當(dāng)?shù)诙訉?duì)第一層作用載荷比第一層自身載荷小時(shí)，第二層為硬巖層；在此基礎(chǔ)上以第二層為基礎(chǔ)進(jìn)行判定，以此類推，則可判斷出工作面覆巖中存在的所有堅(jiān)硬巖層。

將冒落帶巖層是否能夠自行垮落并是否能夠充填滿采空區(qū)，裂隙帶內(nèi)是否有堅(jiān)硬巖層作為2個(gè)判定因素，則可將上覆巖層分為4類。Ⅰ類，冒落帶巖層能自行垮落并充填滿采空區(qū)，裂隙帶內(nèi)存在堅(jiān)硬巖層；Ⅱ類，冒落帶巖層自行垮落困難，或是僅少量巖層會(huì)自行垮落，不能充填滿采空區(qū)，但裂隙帶內(nèi)存在堅(jiān)硬巖層；Ⅲ類，冒落帶巖層自行垮落困難，或是僅少量巖層會(huì)自行垮落，且裂隙帶內(nèi)不存在堅(jiān)硬巖層；Ⅳ類，冒落帶巖層能自行垮落并充填滿采空區(qū)，但裂隙帶內(nèi)不存在堅(jiān)硬巖層。若覆巖結(jié)構(gòu)為Ⅰ類，巷道圍巖應(yīng)力將轉(zhuǎn)移至才采空區(qū)側(cè)，裂隙帶容易形成鉸接結(jié)構(gòu)，巷道維護(hù)與其他幾類相比最容易。若覆巖結(jié)構(gòu)為Ⅱ類，則冒落帶容易出現(xiàn)猛然斷裂的情況，造成較大的沖擊壓力，為了降低工作面支護(hù)工作的難度，除了裂隙帶鉸接結(jié)構(gòu)的作用，還應(yīng)采用人工切頂方法，并對(duì)覆巖進(jìn)行人工放頂，讓矸石充填采空區(qū)。若覆巖結(jié)構(gòu)為Ⅲ類，由于采空區(qū)不能被冒落帶充填滿，同時(shí)裂隙帶又不能形成鉸接結(jié)構(gòu)，工作面的支護(hù)工作與其他幾類相比難度最大。若覆巖結(jié)構(gòu)為Ⅳ類，采空區(qū)會(huì)被垮落的冒落帶矸石充填滿，因此，盡管裂隙帶不能形成鉸接結(jié)構(gòu)，依然會(huì)以載荷負(fù)載在冒落帶內(nèi)，但采空區(qū)容易形成自然拱結(jié)構(gòu)。

4 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

切頂卸壓沿空留巷是一項(xiàng)新的留巷工藝，它更是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，這項(xiàng)工程的實(shí)現(xiàn)和完成是隨著工作面的推進(jìn)而進(jìn)行的。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的主要內(nèi)容如下：首先，開采工作面之前，那些要準(zhǔn)備進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷施工的巷道需要被加固支護(hù)，并進(jìn)行頂板預(yù)爆破定向切縫，以便將這些巷道與采空區(qū)頂板一定深度內(nèi)存在的聯(lián)系切斷；其次，在進(jìn)行工作面回采時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行頂板定向預(yù)爆破操作的巷道逐步進(jìn)入采空區(qū)，利用老頂來壓，使采空區(qū)頂板斷裂下沉，自動(dòng)成巷；最后，預(yù)留機(jī)巷，將其作為下一工作面的風(fēng)巷。

4.1 支護(hù)方式

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)保留的巷道會(huì)受到2次劇烈的采動(dòng)影響，分別是掘進(jìn)和采煤造成的影響，這2次劇烈的采動(dòng)影響會(huì)使得礦壓劇烈顯現(xiàn)，以礦壓顯現(xiàn)普遍規(guī)律和白皎煤礦自身礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)為依據(jù)進(jìn)行研究分析，可以得出聯(lián)合支護(hù)的總體思路，由于井下的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，而采場推進(jìn)過程會(huì)改變上覆巖層的賦存情況，進(jìn)而使覆巖出現(xiàn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)采用“巷內(nèi)基本支護(hù)”+“巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)”+“動(dòng)壓臨時(shí)支護(hù)”的聯(lián)合支護(hù)方式。

4.2 切頂原理

切頂卸壓技術(shù)指的是為了切斷預(yù)留巷道與采空區(qū)頂板一定深度內(nèi)存在的聯(lián)系而對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行定向預(yù)爆破，從而使采空區(qū)老頂來壓時(shí)預(yù)留巷道受到的不利影響減少。切頂卸壓技術(shù)的爆破是通過雙向聚能張拉爆破裝置實(shí)現(xiàn)的，這一裝置是一種新型的聚能裝置，它的本質(zhì)其實(shí)就是聚能管。這個(gè)裝置是傳統(tǒng)爆破裝置的一個(gè)延伸裝置，是為了適應(yīng)雙向聚能拉張成型爆破技術(shù)而專門研發(fā)出的產(chǎn)品。雙向聚能張拉爆破與其他控制爆破存在的最大區(qū)別就是利用雙向聚能裝置在斷裂方向集中拉應(yīng)力，利用此應(yīng)力實(shí)現(xiàn)巖體的斷裂。雙向聚能張拉爆破裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有2個(gè)。第一，能使預(yù)定方向的巖石實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破。第二，對(duì)于非預(yù)定斷裂方向的巖體，能保持其完整性，從而保持預(yù)留巷道頂板完整性。

4.3 切頂卸壓沿空留巷力學(xué)原理

推進(jìn)工作面，堅(jiān)硬的直接定初次垮落使得采空區(qū)形成懸頂，隨后發(fā)生周期性斷裂垮落。以李鴻昌教授在堅(jiān)硬頂板力學(xué)模型的相關(guān)研究理論為依據(jù)，可將堅(jiān)硬頂板簡化為一個(gè)懸臂梁，懸頂區(qū)內(nèi)的基本支柱的支護(hù)作用則可簡化為三角形分布。在此基礎(chǔ)上對(duì)頂板進(jìn)行力學(xué)分析研究可得，沿空留巷巷旁支護(hù)阻力滿足某些特定條件時(shí)，堅(jiān)硬頂板會(huì)在巷旁支護(hù)處斷裂。為此，選擇高強(qiáng)材料作為巷旁充填體，并選擇高阻力材料進(jìn)行支護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的有效控制，增強(qiáng)巷道穩(wěn)定性，降低巷道維護(hù)難度。

5 小結(jié)

將切頂卸壓沿空留巷技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用，不僅能有效解決西南片區(qū)煤礦采掘工作面中存在的一些難題，大大降低煤礦采掘的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化煤礦開采的安全效益，還能提高煤礦采掘的經(jīng)濟(jì)效益。為此，對(duì)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。