淺談切頂卸壓沿空留巷技術(shù)

(山西保利鐵新煤業(yè)有限公司 山西 晉中 031302)

一、前言

切頂留巷的施工方法對于整個支護作業(yè)來說很重要，頂板比較完整時，施工要按照工作面超前打眼→裝藥、封孔→打注漿錨桿→爆破→加強支護→巷旁支護→工作面割煤→工作面超前打眼的順序進行；在頂板破碎時，施工按照工作面超前打眼→加強支護→裝藥爆破→巷旁支護→工作面割煤的順序來進行。加強支護選擇錨注支護，利用注漿錨桿向頂板注漿充填裂隙，膠結(jié)頂板，巷旁支護根據(jù)采空區(qū)管理需要可選擇單體支柱、粉煤灰袋和巷旁充填的方式。

二、切頂卸壓技術(shù)分類

(一)主動切頂。所謂主動切頂，就是采用爆破手段，沿走向?qū)⑾锏啦煽諈^(qū)一側(cè)的頂板切落，它分為采前切頂和采后切頂。所謂采前切頂是指在工作面前方機巷內(nèi)，沿巷道上幫的頂板在走向上形成一條有一定深度的預(yù)裂爆破的裂縫，待巷道進入采空區(qū)后方時，采空區(qū)內(nèi)的頂板在自重作用下沿預(yù)裂爆破形成的弱面切落下來，這類方法如中國礦大的預(yù)裂聚能爆破切頂成巷技術(shù)[1]。采后切頂是指在工作面后方，沿巷道采空區(qū)側(cè)，采用爆破手段放頂，使懸露的直接頂板切落下來。采前切頂比采后切頂?shù)男Ч?，主要是采前預(yù)裂爆破時，頂板完整且尚未離層移動，到工作面后方時，頂板能及時切落并消除對巷內(nèi)支護體的多余載荷，巷內(nèi)頂板受力和變形小。

(二)被動切頂。所謂被動切頂就是利用剛度高、承載力大的巷旁支護體對巷旁頂板提供一個較大的切頂阻力，使采空區(qū)側(cè)的頂板產(chǎn)生拉剪式破壞并切落下來。這種切頂方法效果不好，原因如下：

一是切頂支護體的安放滯后工作面，這時直接頂乃至老頂已經(jīng)離層和下沉，使巷道變形量增大。二是切頂支護體是被動受力。首先是直接頂?shù)碾x層和下沉并將直接頂載荷作用在切頂支護體上，但初期僅直接頂?shù)妮d荷還難于切落頂板，因此往往初期直接頂在采空區(qū)后方還懸露較長時間和范圍。后期隨著老頂?shù)臄嗔押突剞D(zhuǎn)下沉并將載荷作用在直接頂上，隨著頂板壓力的增大，直接頂在采空區(qū)切落下來，這時老頂?shù)牡谝粩嗫诓⒉辉谇许斨ёo體上方，而在下幫煤璧附近或在巷道控頂區(qū)上方，老頂以煤璧為支撐點向下回轉(zhuǎn)，而巷旁切頂支護物類似于杠桿原理的一個支點，將受到很大壓力作用，往往造成巷旁支護體的大變形和破壞。但該技術(shù)是沿走向在靠采空區(qū)一側(cè)的頂板施工一排錨索，施工得越早效果越好，利用錨索將直接頂與老頂緊密連接在一起，在錨索切頂面上形成較大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，使直接頂及時切落下來。切落前的直接頂載荷主要由老頂巖梁結(jié)構(gòu)承擔(dān)，減輕了巷內(nèi)和巷旁支護體的受力，這是一種較好的被動切頂方法。

三、采場基本頂沿裂斷規(guī)律分析

(一)采場基本頂沿走向方向。采場上覆巖層的破壞是由上而下逐漸產(chǎn)生的，通常需要離層、沉降、斷裂、冒落的發(fā)展過程。在此過程中圍巖支撐應(yīng)力會隨著重新分布，產(chǎn)生的應(yīng)力變化會在支護體和巷道圍巖表現(xiàn)出來。頂板斷裂規(guī)律和其受力狀態(tài)有著直接關(guān)系，而在現(xiàn)場實際觀察中很難觀察到除直接頂以外的上覆巖層運動規(guī)律[2]。

經(jīng)典采場覆巖破壞規(guī)律與支承壓力分布關(guān)系可以反映出工作面開采以后，從三維及二維不同角度的覆巖發(fā)育情況。煤層采出后，圍巖應(yīng)力重新分布，作用在煤層、巖層和矸石上的垂直壓力稱為“支承壓力”。準(zhǔn)確合理的計算或預(yù)計出工作面采場周圍支承壓力分布規(guī)律與范圍，對相鄰巷道合理的開挖位置及時間、采場支護方式選擇、估計地表沉陷范圍及由支承壓力影響造成動力災(zāi)害事故預(yù)防都具有非常重要的工程應(yīng)用意義。在現(xiàn)場實踐及理論研究中表明，水平開采時，采場推進至需控巖層初次來壓結(jié)束期間的支承壓力的變化可劃分為以下三個階段：

(1)單一彈性分布階段。在該階段，基本頂壓力隨著采場推進逐漸增加，并傳遞至煤層上。因煤體中各點的壓力沒有達到煤體的破壞極限，此時在煤壁內(nèi)的整個煤層都處于彈性壓縮狀態(tài)下，支承壓力分布是一條高峰在煤壁前方一定范圍的單調(diào)下降曲線。

(2)塑性破壞區(qū)的分布階段。從煤壁支承壓力變化到基本頂巖梁端部出現(xiàn)斷裂為止。進入該階段，煤壁所承受得應(yīng)力達到其強度極限值，煤體開始破壞同時支承性能降低，煤體上支承壓力分布劃分成2個區(qū)間：在塑性區(qū)(煤體完全破壞)壓力逐漸上升，在彈性區(qū)壓力則單調(diào)下降，彈塑性區(qū)的交界處為壓力高峰位置。

(3)出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場的分布。巖梁端斷裂后，以斷裂線為界支承壓力分布明顯地分為兩個部分，即在斷裂線與煤壁之間由拱內(nèi)己斷裂巖梁自重所決定的“內(nèi)應(yīng)力場”，以及在斷裂線外由上覆巖層整體重量所決定的“外應(yīng)力場”。

(二)采場基本頂沿傾向方向。以往對采場上覆巖層運動規(guī)律，我們大多只關(guān)注于推進方向的運動規(guī)律，對兩側(cè)頂板關(guān)注很少，但隨著綠色開采、提高回采率的提出，沿空留巷技術(shù)的逐漸應(yīng)用，側(cè)向頂板巖層運動規(guī)律研究日漸被重視。側(cè)向頂板巖層移動會明顯影響沿空留巷巷道應(yīng)力和圍巖變形。側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，應(yīng)用關(guān)鍵層理論的原理和方法來分析是適宜的。按照上述理論，基本頂是對沿空留巷穩(wěn)定性影響最大的巖層，也就是說基本頂?shù)倪\動規(guī)律對沿空留巷側(cè)向頂板的穩(wěn)定情況起著至關(guān)重要的作用。在工作面的回采后，采空區(qū)基本頂初次以“O-X”，形勢破斷垮落[3]。

四、沿空留巷技術(shù)難點問題

無煤柱開采是一項先進高效的開采技術(shù)，在我國各種煤層條件都得到過實驗應(yīng)用，但是效果都不盡理想，使得此項技術(shù)發(fā)展受到了制約，還需要進一步深入研究發(fā)展，其表現(xiàn)出來的主要問題有：

(1)傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)忽略了巷內(nèi)支護對巷道的影響以及巷幫煤體對巷道頂板的影響，僅考慮巷旁支護體與頂板的支護關(guān)系。

(2)不同直接頂厚度在切斷時的狀態(tài)研究不足，不同頂板條件巷旁支護阻力和支護參數(shù)確定研究不足，需要對不同頂板條件進行分類計算，得出巷旁支護體的支護阻力，才能指導(dǎo)現(xiàn)場實踐。

(3)巷旁充填體上覆頂板的承載性能研究不夠深入。以前對巷旁支護研究主要是巷旁支護體的支護阻力，但對頂板的破斷規(guī)律、沿空留巷充填體上覆頂板承載性能、載荷傳遞特征、與墻體剛度的匹配性研究都不多，而通過眾多現(xiàn)場實踐證明，充填體上覆頂板的承載性能對沿空留巷成功與否起關(guān)鍵的作用。

(4)以往數(shù)值模擬多為二維，而沿空留巷為三維問題，二維不能正確的反應(yīng)巷道圍巖受力和頂板下沉情況，應(yīng)更多的采用三維建模進行數(shù)值模擬。

五、結(jié)束語

綜上所述，切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，避免了留設(shè)煤柱造成的資源浪費，提高資源回收率，減小采掘比，提高生產(chǎn)效率；減小巷道掘進及返修工程量，簡化工作面端頭維護工作量，降低工人勞動強度，能取得顯著的社會效益。