厚煤層切頂留巷動(dòng)載期間臨時(shí)支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

李 帥，侯世林，王宏宇，魏慶龍，喬博文

(1.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖石力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

傳統(tǒng)采煤大多采用長壁開采121工法，該工法以錢鳴高、宋振琪等的理論為基礎(chǔ)，回采一個(gè)工作面需要在工作面兩端分別掘進(jìn)一條順槽，同時(shí)還需要在相鄰兩個(gè)工作面之間留設(shè)一片區(qū)段煤柱，區(qū)段煤柱的留設(shè)將造成大量的煤炭資源浪費(fèi)。

針對(duì)留設(shè)煤柱造成的資源浪費(fèi)問題，我國學(xué)者做了大量的研究。我國沿空留巷技術(shù)發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，巷旁支護(hù)經(jīng)歷了矸石墻、密集支柱、砌塊、高水材料、高強(qiáng)混凝土材料的發(fā)展過程[1]。孫恒虎等[2]以彈塑性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化采場(chǎng)頂板，認(rèn)為頂板巖層間黏結(jié)力近似為零，繼而將頂板簡(jiǎn)化為層狀組合板，得出層狀組合板支撐邊界是沿空留巷巷旁支護(hù)體工作阻力荷載的主要來源。張農(nóng)等[3]于千米深高地壓軟巖巷道進(jìn)行了沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其采用“三高”錨桿+錨索梁初始支護(hù)、錨索梁+注漿超前加固、工字鋼梁+鉸接頂梁輔助支護(hù)、膏體材料泵送充填構(gòu)筑墻體的支護(hù)方式，有效控制了深部沿空留巷巷幫部及頂板的劇烈變形，為大埋深沿空留巷發(fā)展提供了重要參考。李化敏[4]采用理論力學(xué)分析了沿空留巷不同時(shí)期頂板活動(dòng)規(guī)律與特征，提出了巷旁支護(hù)工作阻力計(jì)算公式，提出了對(duì)應(yīng)的巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)原則。漆泰岳等[5]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，研究了各種條件下巷旁澆筑護(hù)巷充填體的可行性。華心祝等[6]采用理論力學(xué)和材料力學(xué)相結(jié)合的辦法，提出了采用錨索加強(qiáng)巷旁支護(hù)和巷旁密集支柱聯(lián)合支護(hù)的方法，實(shí)現(xiàn)沿空留巷頂板的穩(wěn)定控制。孫曉明等[7]根據(jù)深部巷道圍巖在開挖和支護(hù)時(shí)所表現(xiàn)的非線性力學(xué)過程特性，對(duì)錨網(wǎng)索耦合支護(hù)時(shí)空規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬和工程應(yīng)用研究，提出了錨網(wǎng)索與圍巖之間時(shí)空耦合的最佳二次支護(hù)時(shí)間。何滿潮等[8]根據(jù)“軟巖大變形理論”提出了耦合支護(hù)原理，該理論認(rèn)為，巷道變形破壞的主要原因是支護(hù)體和圍巖在強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)上不耦合，主張加強(qiáng)關(guān)鍵部位的支護(hù)，充分調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定巖層的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化，荷載均勻化，根據(jù)理論分析和大量的工程實(shí)踐，提出了軟巖巷道復(fù)合型變形機(jī)制向單一型轉(zhuǎn)化的支護(hù)對(duì)策。

切頂成巷無煤柱開采技術(shù)通過在采空區(qū)側(cè)定向切頂卸壓，阻斷上覆巖層的傳力結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)成巷的無煤柱開采[9]，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)留設(shè)煤柱開采方法資源浪費(fèi)嚴(yán)重、煤柱應(yīng)力集中和沖擊地壓等缺點(diǎn)，降低了安全事故發(fā)生率，其通過爆破切頂實(shí)現(xiàn)對(duì)上覆巖層傳力結(jié)構(gòu)的破壞，在使留巷側(cè)巖石保持完整的情況下使采空區(qū)側(cè)巖石提前冒落，繼而完成自動(dòng)成巷[10]。因技術(shù)限制，目前大多采用炸藥爆破進(jìn)行巷旁切頂操作，由于切頂爆破具有隨機(jī)性與不可控性，給巷道動(dòng)載期間帶來一系列安全隱患，因此，厚煤層切頂留巷動(dòng)載期間臨時(shí)支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究具有非常重要的意義。

本文以陜煤集團(tuán)檸條塔煤礦切頂留巷開采工業(yè)性試驗(yàn)為工程背景，在切頂留巷試驗(yàn)段采用以單體液壓支柱為主要支護(hù)設(shè)備的支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在無煤柱自成巷試驗(yàn)段采用以切頂護(hù)幫支架為支護(hù)主體的支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)兩種方案支護(hù)條件下的散體幫頂?shù)装逡七M(jìn)量進(jìn)行了對(duì)比分析。以探尋切頂留巷條件下散體幫側(cè)合理的支護(hù)方案。

1 工程概況

檸條塔煤礦切頂留巷及無煤柱自成巷項(xiàng)目是陜煤集團(tuán)神木檸條塔煤礦與中國礦業(yè)大學(xué)深部巖石力學(xué)與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合共建項(xiàng)目，項(xiàng)目分為切頂留巷及無煤柱自成巷兩個(gè)階段。

1.1 切頂成巷試驗(yàn)段

切頂留巷實(shí)驗(yàn)工作面位于南翼2-2煤層西大巷北側(cè)，北臨紅檸鐵路煤柱，東臨S1203工作面，西臨S1201-I掘進(jìn)工作面。工作面向北切眼處距紅檸鐵路約120 m，工作面輔運(yùn)順槽向西距惠寶煤礦東邊界1 200 m，工作面回風(fēng)順槽向東距礦井南風(fēng)井廠區(qū)1 200 m，向南為通往西客站的公路。工作面走向長3 010.3 m，傾斜長295 m，面積888 038.5 m2。工作面采用一次采全高、走向長壁后退式、綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板。該工作面煤層厚度4.17～4.80 m，設(shè)計(jì)采高4.35 m。直接頂為灰色薄層狀粉砂巖，厚度2.82～5.04 m，直接底為0～1.3 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為淺灰色、淺白色細(xì)粒石英砂巖，厚度5.4～20.63 m。依據(jù)該工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果，基本頂周期來壓步距平均為16.2 m，周期來壓強(qiáng)度平均為42.7 MPa。工作面巷道布置圖見圖1。

1.2 無煤柱自成巷試驗(yàn)段

無煤柱自成巷工作面位于2-2煤層，工作面傾向長度280 m，走向長度2 344 m，可采儲(chǔ)量336.7萬t，煤層厚度3.81～4.35 m，煤層平均厚度4.11 m，埋藏深度90～165 m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層傾角近水平。

工作面老頂為中粒砂巖，厚5.4～21.5 m，灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯(cuò)層理。直接頂為粉砂巖，厚0.78～4.05 m，灰色、灰白色，回采區(qū)域以中粒砂巖為主，工作面外段，局部頂板含砂質(zhì)泥巖，成分以石英為主，長石次之，分選性中等，具大型交錯(cuò)層理。直接底為粉砂巖，厚1.8～16.3 m，灰色，夾細(xì)粒砂巖薄層，并與之互層，見有劈理，工作面外段局部底板為炭質(zhì)泥巖。老底為細(xì)粒砂巖，厚3.2～19.6 m，白色灰薄層狀細(xì)粒長石石英砂巖，含白云母碎片，具波狀層理(圖2)。

圖1 工作面巷道布置圖

圖2 巷道頂板條件及基本支護(hù)截面圖

2 切頂留巷支護(hù)方案

單體液壓支柱是傳統(tǒng)支護(hù)應(yīng)用較多的支護(hù)設(shè)備，其具有運(yùn)輸、安裝便捷、提供壓力穩(wěn)定等特點(diǎn)。

方案設(shè)計(jì)采空區(qū)側(cè)碎石巷幫采用“單體支柱+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)。施工過程中先用14#鐵絲網(wǎng)將鋼筋網(wǎng)和頂網(wǎng)連接，網(wǎng)片尺寸3.8 m×1.1 m，網(wǎng)格尺寸80 mm×80 mm，在鋼筋網(wǎng)外圍架設(shè)U型鋼。擋矸所用U型鋼型號(hào)為25U，初步設(shè)計(jì)U型鋼間距為0.4 m，工作面架后200 m全部采用單體液壓支柱進(jìn)行臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，單體排距0.8 m，同樣采用“一梁五柱”式，每排單體上方架設(shè)一根π型梁，長度為4.5 m(圖3)。

圖3 單體液壓支柱支護(hù)方案示意圖

3 無煤柱自成巷支護(hù)方案

為適應(yīng)切頂后巷道頂板壓力規(guī)律，設(shè)計(jì)制造臨時(shí)支護(hù)墩式支架，該墩式支架主要組成部分為：頂梁、立柱、底座、液壓控制系統(tǒng)等，其底座部分為剛性船頭式結(jié)構(gòu)，能夠很好地適應(yīng)起伏變化的巷道底板情況，保證了移架的便捷性。支架頂梁支持縱向偏擺與橫向偏擺，適應(yīng)基本頂上位巖層回轉(zhuǎn)變形。支架設(shè)置有安全閥，當(dāng)達(dá)到工作阻力時(shí)，立柱回縮讓壓，使圍巖重新穩(wěn)定。

方案設(shè)計(jì)采空區(qū)側(cè)碎石巷幫用“墩式支架+可伸縮U型鋼+金屬網(wǎng)”進(jìn)行支護(hù)。可伸縮U型鋼間距600 mm，U型鋼豎直布置，并用鐵絲與金屬網(wǎng)連接固定，金屬網(wǎng)采用柔性8#鉛絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)配合使用，菱形網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×1 000 mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3 800 mm×1 000 mm(圖4)。

圖4 墩式支架支護(hù)方案示意圖

根據(jù)機(jī)尾設(shè)備布置及鉆機(jī)支架設(shè)計(jì)尺寸，可伸縮U型鋼及掛網(wǎng)施工位置位于鉆機(jī)支架底拖板后方1.6 m范圍內(nèi)?？缮炜sU型鋼及金屬網(wǎng)安裝在緊貼鉆機(jī)支架擋矸板靠巷道內(nèi)側(cè)，安裝完成后利用切頂護(hù)幫支架側(cè)向擋矸橫桿抵緊可伸縮U型鋼，擋矸橫桿側(cè)推千斤頂工作阻力109 kN，千斤頂行程960 mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 支護(hù)效果對(duì)比

經(jīng)過兩種切頂支護(hù)方案的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得兩種情況下巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量、兩種方案下主要支護(hù)設(shè)施的受力情況，通過上述兩組數(shù)據(jù)對(duì)比分析切頂支護(hù)的應(yīng)用效果，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果如圖5和圖6所示。

圖5 切頂留巷支護(hù)效果

4.2 頂板變形對(duì)比

在試驗(yàn)進(jìn)行過程中分別對(duì)切頂留巷及無煤柱自成巷段進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，在巷道頂板進(jìn)行位置標(biāo)記，運(yùn)用頂?shù)装逡七M(jìn)量測(cè)量儀與人工測(cè)量法對(duì)頂?shù)装逡七M(jìn)量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，在測(cè)量數(shù)據(jù)中選取距開切眼90 m處切縫側(cè)頂?shù)装逡七M(jìn)量情況進(jìn)行對(duì)比分析，其隨工作面推進(jìn)變化曲線如7圖所示。

圖7 90 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由于無煤柱自成巷與切頂留巷兩種采煤方法的巷道掘進(jìn)方式不同，前者采用工法專用采煤機(jī)進(jìn)行邊采邊留巷操作，故而其頂?shù)装逦灰票O(jiān)測(cè)滯后于工作面。而采用切頂留巷工法的工作面則需進(jìn)行預(yù)留巷道的提前掘進(jìn)并進(jìn)行超前支護(hù)，其數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)超前于工作面。

由圖7可知，在以墩式支架為主體的無煤柱自成巷試驗(yàn)段中，其頂?shù)装逡七M(jìn)量最大值為122.4 mm，切頂留巷段在以單體支柱為主要支護(hù)設(shè)施的情況下頂?shù)装逡七M(jìn)量最大值為325.7 mm，墩式支架在控制頂板變形方面更有優(yōu)勢(shì)；墩式支架支護(hù)情況下的頂?shù)装逡七M(jìn)速率明顯低于單體液壓支柱情況下的頂?shù)装逡七M(jìn)速率，其支護(hù)效果更為穩(wěn)定，控制頂板沉降效果顯著。

由圖8和圖9可知，在液壓支柱支護(hù)情況下，頂?shù)装逡七M(jìn)量從不穩(wěn)定期到穩(wěn)定期的轉(zhuǎn)化時(shí)間明顯長于墩式支架。在曲線方面，單體支柱支護(hù)情況下呈現(xiàn)多處波動(dòng)，而墩式支架支護(hù)情況下其曲線呈現(xiàn)平滑狀態(tài)，說明墩式支架提供的支護(hù)力穩(wěn)定且長久。

圖8 160 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖9 250 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié) 論

1) 通過對(duì)不同測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量數(shù)據(jù)的整理分析，得出使用墩式支架作為臨時(shí)支護(hù)主體能夠快速提供穩(wěn)定的支承壓力使頂?shù)装逡七M(jìn)量控制在100 mm左右，為巷道頂板提供了安全可靠的支護(hù)；以單體液壓支柱為主的臨時(shí)支護(hù)方案的穩(wěn)定范圍在350 mm左右，效果劣于墩式支架。

2) 通過對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逡七M(jìn)量曲線變化，以單體液壓支柱為主支護(hù)方案的曲線斜率明顯高于墩式支架，說明后者支護(hù)阻力的穩(wěn)定性高于前者，效果更加明顯。

3) 通過繪制監(jiān)測(cè)點(diǎn)支護(hù)阻力變化，得出切頂卸壓措施處理后巷道在目前支護(hù)設(shè)施控制范圍之內(nèi)，說明切頂卸壓自動(dòng)成巷的理論具有可實(shí)踐性。