堅(jiān)硬頂板大采高沿空留巷圍巖控制技術(shù)研究

霍永鵬

（汾西礦業(yè)集團(tuán)公司雙柳煤礦 ，山西 呂梁 033000）

0 引 言

雖然我國新能源產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，但是目前煤炭作為我國重要的工業(yè)資源有著難以取代的優(yōu)勢。我國的煤炭資源多為地下賦存，因此我國的煤礦多為井工開采，需要開鑿大量的巷道，并且大多數(shù)井下巷道都受采動(dòng)影響。長期以來，對(duì)于受采動(dòng)影響的回采巷道一般采用寬煤柱護(hù)巷。但是采用寬煤柱護(hù)巷有著諸多的缺點(diǎn)，例如資源浪費(fèi)嚴(yán)重、煤炭采出率低、巷道變形嚴(yán)重以及煤柱應(yīng)力集中嚴(yán)重等。因此根據(jù)上述的問題我國學(xué)者研究出了無煤柱沿空留巷技術(shù)，無煤柱沿空留巷技術(shù)在我國許多的礦井都取得了良好的效果。并且針對(duì)堅(jiān)硬頂板我國著名學(xué)者何滿潮院士發(fā)明的切頂卸壓技術(shù)能夠很好的解決頂板問題。我國已掌握了軟弱以及中等堅(jiān)硬頂板的沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，但對(duì)于堅(jiān)硬頂板下的沿空留巷鮮有研究。

柏建彪等[1]分析沿空留巷頂板破斷垮落特征,建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學(xué)模型,提出了膏體材料巷旁支護(hù)體主要參數(shù)的確定方法,并將研究結(jié)果應(yīng)用于工程實(shí)踐.李化敏[2]分析了沿空留巷頂板巖層運(yùn)動(dòng)的過程及其變形特征,明確了頂板巖層運(yùn)動(dòng)各階段巷旁充填體的作用,根據(jù)充填體與頂板相互作用原理,確定了各階段沿空留巷巷旁充填體支護(hù)阻力的控制設(shè)計(jì)原則,并建立了相應(yīng)的支護(hù)阻力及合理壓縮量數(shù)學(xué)模型。陳勇等[3]揭示了沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)機(jī)理：采用高阻讓壓支護(hù),提高沿空留巷圍巖承載能力和抗變形能力,適應(yīng)沿空留巷階段性圍巖大變形與應(yīng)力調(diào)整。

本文以雙柳煤礦33（4）16工作面為工程背景，通過理論分析以及數(shù)值模擬的方法對(duì)雙柳煤礦堅(jiān)硬頂板條件下的沿空留巷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 工程概況

本次所研究的雙柳煤礦33（4）16工作面煤層厚度為3.9～4.5m，平均厚度為4.2m。工作面煤層賦存總體較穩(wěn)定，變化不大。工作面煤層傾角1°～3°，平均傾角3°。工作面長200m，采用一次采全高的采煤方法，推進(jìn)方向?yàn)橛杀毕蚰涎孛簩幼呦蚝笸耸?。頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 頂?shù)装迩闆r

2 沿空留巷巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)

柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)目前在許多礦井取得了很好的效果，其成套工藝也相當(dāng)成熟，柔?；炷吝B續(xù)墻支護(hù)阻力大，具有一定的可縮性，能夠與沿空留巷圍巖變形相適應(yīng)。柔?；炷翉?qiáng)度上升較快，兩天即可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，對(duì)頂板有較好的支撐作用，能有效降低頂板下沉。柔模混凝土沿空留巷采用柔?；炷林苽漭斔蜋C(jī)組進(jìn)行施工，機(jī)械化施工，施工速度可以滿足高產(chǎn)高效工作面的施工要求。因此，本次研究采用巷旁支護(hù)決定采用柔模泵注混凝土巷旁支護(hù)技術(shù)。

2.1 巷旁支護(hù)體荷載計(jì)算

圖1 力學(xué)模型

根據(jù)查閱相關(guān)資料可知，計(jì)算巷旁支護(hù)體荷載的方法有“分離巖塊法”和“切頂法”。分離巖塊法是根據(jù)充填體上方的分離巖塊來計(jì)算巷旁充填體的載荷。切頂法是根據(jù)工作面回采過后在巷旁支護(hù)體的切頂作用下將頂板沿采空區(qū)一側(cè)切斷，同時(shí)巷道上方形成穩(wěn)定的壓力拱，使得圍巖得到控制。由于本次研究的為堅(jiān)硬頂板條件下的沿空留巷，頂板在巷旁支護(hù)體的作用下難以自行切斷，因此本次沿空留巷巷旁支護(hù)體載荷計(jì)算決定采用“分離巖塊法”。圖1為分離巖塊法計(jì)算力學(xué)模型。

式中：q為巷旁支護(hù)體載荷；bB為巷旁支護(hù)內(nèi)側(cè)到煤幫的距離，即留巷寬度，取4.5m；x為巷旁支護(hù)寬度，初步取1.5m；bc為巷旁支護(hù)外側(cè)懸頂距，取0.5m；γ為頂板分離巖塊容重，取27kN/m3；h為采高，取4.2m；θ為剪切角，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取為26°[4]；

將參數(shù)帶入公式（1）計(jì)算可得寬度為1.5m的支護(hù)荷載為：

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，巷旁支護(hù)體不僅受到頂板分離巖塊的重量，還受老頂轉(zhuǎn)到對(duì)直接頂?shù)膭?dòng)壓影響，因此計(jì)算巷旁支護(hù)體載荷需在分離巖塊法的基礎(chǔ)上乘以動(dòng)壓系數(shù)（1～2），為計(jì)算最大載荷考慮動(dòng)壓系數(shù)為2。因此巷旁支護(hù)體最大載荷為：

qmax=8569.2×2=17318.4kN/m

2.2 巷旁支護(hù)體承載能力驗(yàn)算

柔?；炷料锱猿涮铙w的承載能力計(jì)算公式如下：

式中：N2為巷旁支護(hù)體的承載能力；φ為構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，取1；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，C25時(shí)為11.9N/m2，A為截面面積，為1500mm×1500mm。

由上述公式計(jì)算得巷旁充填體的承載能力為：

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)巷旁支護(hù)安全系數(shù)大于1.2時(shí)可認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度滿足要求[4]，本項(xiàng)目中巷旁充填體的承載力為24097.5kN，沿空留巷頂板壓力為17318.4kN/m，安全系數(shù)為1.4，因此巷旁支護(hù)滿足安全要求。

3 頂板預(yù)裂切縫

由于雙柳煤礦頂板屬于堅(jiān)硬頂板，在工作面回采過后易造成大面積懸頂，懸頂一方面會(huì)增加非工作幫實(shí)體煤的受力，另一方面懸頂?shù)牟徽？迓鋾?huì)對(duì)巷旁充填體造成一定的沖擊破壞造成沿空留巷失敗。為防止采空區(qū)側(cè)的懸頂對(duì)巷旁充填體造成破壞，需要在工作面回采前，超前工作面預(yù)裂頂板。

我國著名學(xué)者何滿潮院士在常規(guī)爆破和控制爆破的基礎(chǔ)上提出了一種的雙向聚能爆破技術(shù)，該技術(shù)利用了巖石抗壓怕拉的特性，將藥包裝入帶有雙向孔的聚能管中，炸藥起爆后將在設(shè)定的方向形成聚能點(diǎn)射流，產(chǎn)生張拉應(yīng)力，使圍巖沿著設(shè)定的方向集中受拉而在非設(shè)定的方向集中受壓，使得預(yù)裂炮孔沿設(shè)定方向貫穿，形成預(yù)裂面。由于巖石是被拉斷的，可以大大的減少炸藥的使用量，并且由于聚能爆破有著導(dǎo)向性能夠?qū)鷰r進(jìn)行一定的保護(hù)，該技術(shù)可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又可以保護(hù)巷道頂板。

根據(jù)雙向聚能爆破預(yù)裂切縫的原理可知頂板預(yù)裂切縫的關(guān)鍵參數(shù)包括切縫高度、角度以及切縫的鉆孔間距。

1）切縫高度。切縫高度值從順槽頂板平面到切縫向上發(fā)育的最大垂直距離稱為切頂高度。定向爆破切割順槽頂板是本次研究的核心環(huán)節(jié)，切縫高度應(yīng)保證切斷上覆巖層中的堅(jiān)硬巖層并且能夠保證工作面回采過后直接頂能夠在礦山壓力的作用下整體垮落。由礦井的地質(zhì)資料可知上覆巖層有著6.5m高的堅(jiān)硬巖層，因此本次研究的關(guān)鍵在于能夠切斷上覆6.5m的堅(jiān)硬巖層，考慮直接頂?shù)暮穸瓤芍舜吻锌p高度應(yīng)為8.5m。

2）切縫角度。切縫存在明顯角度效應(yīng)，合適的切縫角度不僅能夠使頂板順利垮落而且可以保護(hù)巷旁充填體，有助于使采場應(yīng)力分布更加合理[5]。

3）切縫孔間距。聚能爆破技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠沿著工作面推進(jìn)方向形成一個(gè)切頂面，而炮孔間距這是影響預(yù)裂切縫的關(guān)鍵因素，炮孔間距太遠(yuǎn)則無法貫通裂縫，間距太近則容易損壞頂板。

4 頂板預(yù)裂關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)上述分析結(jié)果，本節(jié)將通過數(shù)值模擬確定切縫角度，并通過頂板預(yù)裂切縫現(xiàn)場試驗(yàn)確定預(yù)裂切縫鉆孔間距。

圖2 計(jì)算模型

根據(jù)雙柳煤礦工作面的綜合柱狀圖、井筒柱狀圖及鉆孔柱狀圖，數(shù)值模擬模型尺寸為長×寬×高=455m×250m×70m。模型的四個(gè)側(cè)面為位移邊界，限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。模型劃分705000個(gè)單元，734196個(gè)結(jié)點(diǎn)。模擬時(shí)順槽埋藏深度按此工作面煤層最大埋深考慮，取350m。煤層上覆剩余巖層（305m）的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。計(jì)算模型如圖2所示。

4.1 預(yù)裂切縫角度確定

根據(jù)上述的分析確定切縫高度為8.5m，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)不切縫，切縫角度為0°、15°三種方案。通過對(duì)比不同切縫角度下巷旁充填體的受力情況，從而確定最合理的預(yù)裂切縫角度。

圖3 不同切頂方案下巷旁充填體垂直應(yīng)力變化

由圖3可知，當(dāng)采取超前預(yù)裂切縫技術(shù)時(shí)相比于不切頂時(shí)對(duì)巷旁充填體的受力情況有著明顯的改善，其原因是因?yàn)橛捎谏细岔敯宓膸r性相當(dāng)堅(jiān)硬在工作面回采過后不能夠及時(shí)的垮落造成懸頂面積大而作用于巷旁充填體上，巷旁充填體的垂直應(yīng)力大于其最大承載能力造成充填體的破壞沿空留巷無法保證；對(duì)比不同角度時(shí)的超前預(yù)裂切縫，切縫角度為15°時(shí)巷旁充填體的垂直應(yīng)力均小于切縫角度為0°時(shí)的情況，其原因是因?yàn)橛幸欢ǖ那锌p角度有利于頂板的垮落。因此本次研究確定最佳的切縫角度為15°。

4.2 預(yù)裂切縫鉆孔間距確定

根據(jù)現(xiàn)場條件，每個(gè)炮孔設(shè)計(jì)安裝4～5根聚能管，每根聚能管的規(guī)格為外徑φ42mm×長度1500mm×雙面260孔，使用3級(jí)煤礦許用乳化炸藥，符合GB12437—2000標(biāo)準(zhǔn)，Φ32mm，長度500mm，單孔裝藥13卷，封泥長度2000mm。

現(xiàn)場試驗(yàn)方案：首先根據(jù)前期頂板窺視結(jié)果，進(jìn)行單孔試驗(yàn)，確定單孔最佳裝藥量及最佳空氣柱的長度，隨后進(jìn)行連孔試驗(yàn)，確定兩相鄰孔的最佳間距，連孔試驗(yàn)方案包括孔間距 600mm、800mm、1000mm、1200mm，見圖 4。

根據(jù)不同鉆孔間距爆破試驗(yàn)可得，孔間距為1000mm時(shí)預(yù)裂切縫較為平直，貫通效果好，且頂板未出現(xiàn)垮落；其他孔間距時(shí)出現(xiàn)了貫通效果差、切縫分叉以及頂板出現(xiàn)垮落等情況。因此最佳的切縫鉆孔間距為1000mm。

圖4 不同孔間距預(yù)裂爆破效果圖

5 現(xiàn)場實(shí)施效果分析

通過測試巷道圍巖位移分布，可了解巷旁充填體的工作狀態(tài)，進(jìn)而驗(yàn)證沿空留巷的安全可靠。

因此在33（4）16順槽設(shè)置1個(gè)綜合測站。距工作面100m左右安設(shè)，測站主要監(jiān)測巷道表面位移并對(duì)巷道破壞狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖5為頂?shù)装逦灰屏侩S工作面煤壁距測點(diǎn)的距離變化曲線及兩幫移近量隨工作面煤壁距測點(diǎn)的距離變化曲線。

圖5 頂?shù)装逦灰屏侩S工作面煤壁距測點(diǎn)的距離變化曲線

圖6 兩幫移近量隨工作面煤壁距測點(diǎn)的距離變化曲線

由圖6可以分析得到，當(dāng)33（4）16工作面軌道順槽受工作面采動(dòng)影響，在33（4）16工作面前方30m處，順槽開始受工作面采動(dòng)影響，巷道發(fā)生變形，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平恐鸩皆黾樱粶y點(diǎn)由距離工作面前方30m至工作面后方110m，隨著工作面的推進(jìn)，頂板離層量和頂?shù)装逡平恐饾u增加，巷道變形劇烈，位移量逐步增大。其中巷道頂?shù)装逡平浚诠ぷ髅媲胺?0m～工作面后方30m范圍內(nèi)頂?shù)装逡平吭黾幼顒×?，工作面后?0m之后頂?shù)装逡平吭黾臃戎饾u變緩，到工作面后方130m，頂?shù)装逡平恐鸩节呌诜€(wěn)定，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?9.61mm。巷道底臌量在工作面前方10m～后方20m范圍內(nèi)增加幅度比較大，底臌量最大為16.43mm。在工作面前方，順槽左右?guī)蜑槊罕?，兩幫移近量隨著工作面距離測點(diǎn)的距離變小，移近量越來越大，在工作面處移近量為31.19mm；在工作面后方，順槽左幫為混凝土墻，右?guī)蜑槊罕?，兩幫位移量均不斷增加，在工作面后?0m范圍內(nèi)兩幫移近量增加幅度最大，工作面后方40m之后，兩幫移近量變化逐漸平緩。兩幫移近量最大值為34.57mm。隨著工作面往前推進(jìn)，工作面后方110m～130m巷道變形幅度變小，頂?shù)装寮皟蓭鸵平坎⒅鸩节呌诜€(wěn)定。分析圖表可知，工作面后方130m處巷道變形逐步趨于穩(wěn)定。且柔?；炷翂碚搹?qiáng)度在受采動(dòng)影響期間能滿足安全生產(chǎn)需要。

因此由上述分析可知，受采動(dòng)影響下巷道圍巖總體變形量較小，說明此次研究結(jié)果的正確性。

6 結(jié) 論

1）通過理論計(jì)算確定巷旁柔?；炷翂w的寬度為1.5m能夠滿足實(shí)際的需要。

2）通過理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)確定超前預(yù)裂切縫的關(guān)鍵參數(shù)為切縫高度8.5m、切縫角度15°、切縫鉆孔間距1000mm。

3）通過現(xiàn)場觀測圍巖變形量可知巷道圍巖變形較小，說明此次沿空留巷試驗(yàn)?zāi)軌驖M足生產(chǎn)需要。