切頂卸壓自成巷技術(shù)在淺埋中厚煤層開(kāi)采中的應(yīng)用

楊曉杰，孫 躍，王二雨，毛文彬，舒 昱，彭文雨

(1．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；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

傳統(tǒng)留煤柱開(kāi)采是礦山開(kāi)采中常用的一種手段，但隨著采煤工藝的進(jìn)步，其缺陷也逐漸被人們所認(rèn)知，保護(hù)煤柱不僅造成了資源的浪費(fèi)，而且在覆巖巨大壓力的作用下，煤柱極易產(chǎn)生斷裂、破碎，進(jìn)而失穩(wěn)破壞，引起巷道事故的頻發(fā)[1-2]。

目前最常用的無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)為采用巷旁充填等方式維護(hù)原回采巷道，雖然取消了保護(hù)煤柱的留設(shè)，但是充填體以及巷道穩(wěn)定性控制問(wèn)題仍沒(méi)有得到很好解決。為此，何滿(mǎn)潮等[3]提出的“切頂短壁梁”理論，即對(duì)沿空留巷頂板進(jìn)行超前預(yù)裂爆破，在礦山壓力的作用下，沿空留巷采空區(qū)側(cè)的頂板沿切頂線(xiàn)垮落，降低了采空區(qū)頂板對(duì)沿空巷道頂板力的傳遞作用，實(shí)現(xiàn)了留巷頂板的卸壓；在擋矸支護(hù)裝置的作用下，矸石垮落后逐步形成碎石幫，噴漿作業(yè)后有助于留巷的滅火通風(fēng)；垮落矸石在壓實(shí)穩(wěn)定后會(huì)對(duì)留巷頂板產(chǎn)生一個(gè)斜撐力，對(duì)留巷頂板的穩(wěn)定性起到了重要作用。切頂卸壓留巷技術(shù)改善了傳統(tǒng)煤柱留設(shè)所造成的資源回收率低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了綜采面開(kāi)采高產(chǎn)高效的目標(biāo)，從根本上防治了高突礦井因?yàn)榱粼O(shè)煤柱帶來(lái)的瓦斯突出、煤柱自然發(fā)火、應(yīng)力集中引起的留巷巷道難維護(hù)等技術(shù)難題。本文以哈拉溝煤礦12201工作面為工程背景，對(duì)采空區(qū)矸石碎脹特性及控制技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后取得了良好的留巷效果。

1 工程地質(zhì)條件

哈拉溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1 000萬(wàn)t/a，12煤二盤(pán)區(qū)首采面為12201工作面，12201工作面長(zhǎng)度為320 m，沿空留巷長(zhǎng)度為580 m，煤層厚度1.6～2.4 m，平均煤厚為1.9 m，埋深60～100 m，近水平煤層，工作面平均采高2 m，煤層較穩(wěn)定。煤層埋藏較淺，煤層直接頂為粉砂巖，平均厚度1.84 m；直接頂上部為12上煤層，平均厚度1.56 m；12上煤層上部為均厚1.35 m的泥巖，基本頂由均厚為3.34 m的細(xì)粒砂巖和均厚為4.05 m的粉砂巖組成；直接底為粉砂巖，均厚3.67 m。

2 切頂卸壓自成巷技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

切頂卸壓自成巷技術(shù)以“切頂短壁梁”為理論基礎(chǔ)，研發(fā)了適用于無(wú)煤柱成巷工藝的成套裝備，建立了與之相配套的遠(yuǎn)程巷道礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成了“錨、切、采、支、護(hù)、封”一體化的采煤留巷工藝體系[4-6]，留巷工藝如圖1所示。選擇工作面下順槽為留巷巷道，在原有支護(hù)形式的基礎(chǔ)上利用恒阻大變形錨索對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；對(duì)下順槽采空區(qū)側(cè)頂板實(shí)施超前預(yù)裂爆破，同時(shí)安裝巷內(nèi)遠(yuǎn)程礦壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；待工作面回采過(guò)后，及時(shí)對(duì)留巷頂板進(jìn)行密集支護(hù)以及沿頂板預(yù)裂線(xiàn)架設(shè)擋矸裝置，防止矸石涌入巷道；頂板垮落后形成碎石幫，待頂板完全穩(wěn)定后逐步回收單體，并對(duì)采空區(qū)側(cè)進(jìn)行噴漿處理，防止漏風(fēng)自然發(fā)火，最后形成留巷。

圖1 切頂卸壓無(wú)煤柱成巷技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of roof cutting and pressurerelief without coal pillar for roadway formation

2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

雙向聚能預(yù)裂張拉爆破[7-8]是切頂卸壓無(wú)煤柱成巷工藝的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將聚能裝置與礦用炸藥相結(jié)合，利用巖石耐壓不耐拉的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)頂板沿切頂線(xiàn)順利斷開(kāi)，形成連續(xù)的切縫面。

2.2.1 切頂深度

為保證冒落的矸石被壓實(shí)后對(duì)頂板起到穩(wěn)定的支撐作用，預(yù)裂切頂深度理論上為煤層回采后采空區(qū)能被垮落矸石完全充填的深度，其值可根據(jù)巖體的碎脹理論，通過(guò)式(1)求得。

H切頂=(h-h1-h2)/(k-1)

(1)

式中：H切頂為切頂深度，m；h為采高，m；h1為頂板下沉量，m；h2為底鼓量，m；k為碎脹系數(shù)。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)切頂深度為6 m，為確定切頂深度6 m的合理性，下文通過(guò)對(duì)頂板巖體碎脹系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出k為1.35～1.40，在不考慮頂板下沉量和底鼓量影響的情況下，將采高h(yuǎn)=2 m、k=1.35代入式(1)求得切頂深度為5.7 m，考慮到施工方便取6 m，從而驗(yàn)證了6 m為合理的切頂深度，并取得了良好的切頂效果。

2.2.2 切頂角度

適宜的切頂角度可以加快采空區(qū)頂板垮落，通過(guò)對(duì)礦井實(shí)際試驗(yàn)效果分析可知，20°偏轉(zhuǎn)角切頂，采空區(qū)懸空范圍較小，切頂處之間的摩擦力較小，頂板垮落速度較快，因此確定本次最佳切縫角度為20°。

2.2.3 炮孔間距

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的裝藥量最佳為3+2+0+1，鉆孔間距為600 mm，通過(guò)一次10孔連爆，爆破后切頂鉆孔的裂縫率超過(guò)了86%，效果見(jiàn)圖2，因此確定本次最佳炮孔間距為600 mm。

圖2 雙向聚能爆破后孔內(nèi)裂縫效果Fig.2 Effect of crack in hole after bidirectionalenergy blasting

3 采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)及規(guī)律

3.1 頂板巖層碎脹系數(shù)測(cè)定

以往巖體碎脹系數(shù)的研究主要是利用實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究分析[9]，而切頂卸壓沿空成巷工藝中頂板巖體垮落后的碎脹變形量主要發(fā)生在豎直方向上，所以頂板巖層垮落后的碎脹系數(shù)可以表示為巖體垮落后所測(cè)量的高度與巖體垮落前處于原位狀態(tài)下的高度之比，見(jiàn)式(2)。

k=h′/h

(2)

式中：h′為巖體垮落后所測(cè)量的高度；h巖體垮落前處于原位狀態(tài)下的高度。

頂板預(yù)裂鉆孔施工形成后，先對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視，然后利用鉆孔窺視儀確定各個(gè)鉆孔內(nèi)巖層的巖性及其厚度。等到工作面回采完，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)頂板巖層的垮落進(jìn)程。根據(jù)12201工作面巖性分布情況以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)垮落情況進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)頂板垮落后砂質(zhì)泥巖能夠被揭露在采空區(qū)，故而可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式，根據(jù)不同時(shí)間內(nèi)直接頂巖層垮落高度的變化，從而得到采空區(qū)頂板的碎脹系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)如圖3所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述頂板巖層碎脹系數(shù)確定方法,在12201工作面回采的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，隨著工作面的推進(jìn)不斷加布測(cè)點(diǎn)，并對(duì)測(cè)點(diǎn)處碎脹系數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)合對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的巖性窺視結(jié)果加以分析，得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)碎脹系數(shù)隨工作面推進(jìn)以及隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4和圖5。

由圖4可知：各測(cè)點(diǎn)的碎脹系數(shù)隨著時(shí)間的變化由大逐漸變小，從最初的1.9左右逐漸變小，最終穩(wěn)定值介于1.35～1.40之間，均值為1.37；測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間介于7～10 d之間，且各測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)隨時(shí)間變化情況曲線(xiàn)符合冪函數(shù)規(guī)律。

圖3 頂板巖層碎脹規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量Fig.3 Measurement of the bulking characteristics of the roof strata

圖4 各測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 The curve of broken expansion coefficientof each measuring point with time

圖5 各測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)隨工作面推進(jìn)變化曲線(xiàn)Fig.5 The curve of broken expansion coefficientof each measuring point along the working face

由圖5可知：各測(cè)點(diǎn)的碎脹系數(shù)隨著工作面的推進(jìn)由大逐漸變小，從最初的1.9左右逐漸變小，最終穩(wěn)定值介于1.35～1.40之間，均值為1.37；各測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)點(diǎn)與工作面距離介于70～110 m之間，且各測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)隨工作面推進(jìn)的變化情況曲線(xiàn)符合冪函數(shù)規(guī)律。

由圖4和圖5曲線(xiàn)分析可以看出，采空區(qū)垮落的矸石在逐步壓實(shí)的過(guò)程中經(jīng)歷了三個(gè)階段：垮落0～4 d、距工作面0～50 m為迅速垮落階段，此階段冒落矸石的碎脹系數(shù)變化顯著；垮落4～7 d、距工作面50～70 m為緩慢壓實(shí)階段，此階段冒落矸石的碎脹系數(shù)變化緩慢；垮落7～10 d、距工作面70～110 m為壓實(shí)穩(wěn)定階段，此階段冒落矸石的碎脹系數(shù)基本不變。

4 采空區(qū)矸石穩(wěn)定性控制技術(shù)

4.1 冒落矸石協(xié)同支護(hù)作用

根據(jù)礦山壓力規(guī)律[10-11]和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)頂板巖層垮落不是一次完成，而是在礦山壓力的作用下周期性逐步垮落。頂板在充分垮落之前，已垮落矸石未充分與頂板沿層接觸，不能有效抑制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉，等到冒落矸石被上覆巖層充分壓實(shí)后，對(duì)留巷的穩(wěn)定性起到了協(xié)同作用。此時(shí)的頂板巖梁由實(shí)體煤、巷內(nèi)密集支護(hù)體和采空區(qū)冒落矸石共同支撐，如圖6所示。

圖6 冒落矸石穩(wěn)定后力學(xué)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Mechanical model of caving gangue after stability

假設(shè)上覆巖層作用到頂板上的力為均布載荷P1，在豎直方向上建立力學(xué)平衡方程見(jiàn)式(3)。

P4L1+PL2+P2L4+P3L3sinα=

P1L+γEMEL+γZMZ(L1+L2)

(3)

式中：P1為上覆巖層對(duì)巖體的載荷，MPa；P2為矸石對(duì)基本頂?shù)闹瘟?，MPa；P3為矸石對(duì)直接頂?shù)男睋瘟?，MPa；P4為實(shí)體煤幫對(duì)頂板支撐力，MPa；P為留巷巷內(nèi)支護(hù)阻力，MPa；γE為基本頂巖層容重，kN/m3；ME為基本頂巖層厚度，m；γZ為直接頂巖層容重，kN/m3；MZ為直接頂巖層厚度，m；L為實(shí)體煤幫到矸石區(qū)的總長(zhǎng)度，m；L1為實(shí)體煤幫松動(dòng)區(qū)域?qū)挾?，m；L2為留巷寬度，m；L3為切縫線(xiàn)在水平方向的投影長(zhǎng)度，m；L4為矸石區(qū)寬度，m。

若考慮到留巷的穩(wěn)定性，則留巷巷內(nèi)密集支護(hù)體的支護(hù)阻力表達(dá)為式(4)。

P≥[P1L+γEMEL+γZMZ(L1+L2)-P2L4-

P3L3sinα-P4L1]/L2

(4)

由式(3)可以看出，采空區(qū)矸石對(duì)留巷頂板的支護(hù)具有協(xié)同作用，起到共同支撐上覆巖層的作用。切頂后留巷頂板除自重外還受到其上覆巖層施加的荷載P1作用，這部分荷載主要被采空區(qū)矸石的支撐力P2和另一側(cè)實(shí)體煤的支撐力P4共同分擔(dān)。采空區(qū)矸石垮落初期，采空區(qū)頂板懸空，冒落的矸石未能對(duì)頂板的回轉(zhuǎn)下沉進(jìn)行有效的抑制，此時(shí)巷內(nèi)的臨時(shí)支護(hù)和恒阻錨索對(duì)留巷頂板的支護(hù)起主要作用；隨著矸石在垮落、壓實(shí)和穩(wěn)定的過(guò)程中，P2顯著增大，待矸石穩(wěn)定后，由于切頂角度的存在，矸石對(duì)留巷頂板的斜撐力P3減小了巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度，此時(shí)的留巷也達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，可以對(duì)留巷內(nèi)的密集支柱有序的回收撤除，采空區(qū)矸石、切頂短臂梁和實(shí)體煤形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，保證了留巷的安全。

由式(4)可以看出，留巷巷內(nèi)密集支護(hù)體的支護(hù)阻力與直接頂短臂梁(L1+L2)成正比關(guān)系，直接頂懸壁越長(zhǎng)，所需的巷旁支護(hù)阻力越大，所以切頂理論可以有效地降低了采空區(qū)頂板對(duì)留巷頂板力的傳遞作用，起到了卸壓的作用，對(duì)維護(hù)沿空留巷的穩(wěn)定性具有重要的意義。

4.2 冒落矸石穩(wěn)定性控制體系

為了防止垮落矸石進(jìn)入留巷巷道，影響留巷的正常使用，工作面支架后決定采用由11#工字鋼、金屬網(wǎng)以及單體液壓支柱聯(lián)合組成的擋矸裝置進(jìn)行支護(hù)，如圖7所示。

圖7 擋矸聯(lián)合支護(hù)體系Fig.7 Gangue supporting system

回采過(guò)后，切頂側(cè)擋矸支護(hù)采用11#工字鋼和單體液壓支柱聯(lián)合支護(hù)方式，每?jī)蓚€(gè)單體液壓支柱之間間距為600 mm，每?jī)蓚€(gè)工字鋼之間間距600 mm，進(jìn)行間隔布置，要求工字鋼和單體支柱均勻布置成一條線(xiàn)。按照一定的迎山角在留巷碎石幫側(cè)鉛直打入11#工字鋼，工字鋼與頂板巖面之間用木

楔貼實(shí)，防止工字鋼傾斜。鋼筋網(wǎng)大小為2 300 mm×800 mm的尺寸，與工字鋼捆扎在一起，要求鋼筋網(wǎng)之間重疊部分為100 mm，原支護(hù)的金屬網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)搭接，并用鐵絲進(jìn)行捆扎，如圖8所示。

圖8 擋矸聯(lián)合支護(hù)體系Fig.8 Gangue supporting system

5 工程應(yīng)用

通過(guò)礦壓監(jiān)測(cè)，無(wú)煤柱自成巷工藝切頂影響區(qū)較留煤柱采礦工藝區(qū)，周壓步距增加18～22 m，增加約2倍，周期來(lái)壓最大值減少10～11 MPa，減少20%。根據(jù)對(duì)巷道頂板離層、頂?shù)装逦灰?、錨索、單體支柱壓力及單體縮量的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，可知當(dāng)滯后工作面距離大于110 m后，留巷巷道頂板趨于穩(wěn)定，取得良好的應(yīng)用效果，待臨時(shí)支柱撤出后，留巷效果如圖9所示。

圖9 無(wú)煤柱自成巷應(yīng)用效果圖Fig.9 Retaining effects of gob-side entry retaining

6 結(jié) 論

1) 采空區(qū)冒落矸石的碎脹系數(shù)是確定預(yù)裂切頂深度的關(guān)鍵，切頂卸壓成巷技術(shù)切斷了采空區(qū)頂板與留巷頂板之間的應(yīng)力路徑，加速了采空區(qū)頂板的垮落進(jìn)程，垮落矸石較快的充填采空區(qū)，使沿空留巷懸臂梁結(jié)構(gòu)快速形成穩(wěn)定的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，充分利用巖體的碎脹特性來(lái)降低留巷的難度。

2) 目前對(duì)碎脹規(guī)律的研究以實(shí)驗(yàn)研究為主，受各種因素的限制，實(shí)驗(yàn)很難模擬出現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的巖體碎脹系數(shù)并不準(zhǔn)確。由于切頂卸壓自成巷工藝中頂板巖石垮落后的碎脹變形量主要發(fā)生在豎直方向上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，頂板巖層垮落后的碎脹系數(shù)可以表示為巖體垮落后所測(cè)量的高度與巖體垮落前處于原位狀態(tài)下的高度之比。

3) 矸石從垮落到壓實(shí)經(jīng)歷了三個(gè)過(guò)程：第一階段為迅速垮落階段，垮落時(shí)間為0～4 d，距工作面0～50 m處；第二階段為緩慢壓實(shí)階段，垮落時(shí)間為4～7 d、距工作面50～70 m處；第三階段為壓實(shí)穩(wěn)定階段，垮落時(shí)間為7～10 d，距工作面70～110 m處。碎脹系數(shù)隨著工作面的推進(jìn)由大逐漸變小，最終穩(wěn)定值介于1.35～1.40之間，均值為1.37。

4) 建立了冒落矸石穩(wěn)定后力學(xué)模型，分析了冒落矸石的協(xié)同支護(hù)作用原理，提出了工作面支架后方采用由11#工字鋼、金屬網(wǎng)以及單體液壓支柱聯(lián)合組成的擋矸裝置進(jìn)行支護(hù)，取得了良好的成巷效果。