復合頂板回風巷切頂卸壓控制技術研究

王從才 胡鑫印 孫秋榮 張曉琴

(1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇省徐州市，221116；2.昆山市建設工程質(zhì)量檢測中心，江蘇省蘇州市，215337；3.徐州寶豐特鋼有限責任公司，江蘇省徐州市，221137)

當前，我國煤炭資源開采利用形式日趨嚴峻，礦井生產(chǎn)安全問題日益突出。我國東部、中部地區(qū)煤炭資源開采深度逐漸增加，西部及西北部煤炭資源埋藏淺、基巖薄、儲量豐富，已逐漸成為開采的重點區(qū)域[1-2]。但是，由于西部地區(qū)地形地貌的多樣化和煤礦頂板巖性的復雜性，造成遺煤量大、巷道圍巖控制較差等問題。針對復雜頂板條件下以減少遺留煤柱、加強巷道控制為目的的切頂卸壓控制技術已成為值得探究的關鍵科學問題[3-4]。針對巷道切頂卸壓控制技術，研究學者開展了卓有成效的探索。何滿潮院士等[5-6]提出的無煤柱技術目前已在多個礦區(qū)成功應用；宋立兵等[7]在神東礦區(qū)3 m以下綜采面應用切頂卸壓技術，實現(xiàn)了采煤面安全回采；顧有富等[8]針對采煤面垮落力學結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合支護及切頂機理，減小了巷內(nèi)及巷旁支護的阻力，提高了巷道穩(wěn)定性。筆者擬以西部南梁礦典型復合頂板回風巷為背景，研究切頂卸壓條件下巷道圍巖的控制技術，以期為相似條件的礦井巷道控制提供參考。

1 工程背景

西部礦區(qū)南梁礦30104采煤面煤層埋藏淺、地質(zhì)條件較為復雜，煤層上方頂板存在多層軟弱夾層構(gòu)成復合頂板狀態(tài)。采煤面回風巷用作下一采煤面的運輸巷，巷道圍巖控制要求嚴格。30104回風巷頂板上方包含0.2 m的偽頂，直接頂為1.0～5.0 m的頁巖、泥巖和細砂巖，水平層理發(fā)育，硬度中等偏下。礦井針對沿空掘巷、傳統(tǒng)沿空留巷和切頂卸壓沿空留巷3種技術方案進行對比分析，沿空掘巷需要新掘巷道，經(jīng)濟成本高，不利于采煤面連續(xù)開采；傳統(tǒng)沿空留巷需要采用加強巷內(nèi)支護措施，但采空區(qū)及預留頂板結(jié)構(gòu)較危險[9,10]。因此，從經(jīng)濟可行性和開采安全性分析確定30104回風巷采用切頂卸壓沿空留巷方式。

2 切頂卸壓成巷數(shù)值模擬分析

UDEC離散元軟件研究的物理介質(zhì)通常呈現(xiàn)不連續(xù)特征，表現(xiàn)為材料屬性的不連續(xù)、或空間構(gòu)造上的不連續(xù)。按照30104回風巷開采實際，筆者采用UDEC建立開采數(shù)值模型，進行不同切頂因素的影響分析，模型如圖1所示，模型長×寬為200 m×60 m，平均埋深115 m，回風巷斷面長×寬為4.5 m×2.2 m。模型整體采用有限元數(shù)值模擬軟件內(nèi)置的 Mohr-Coulomb屈服準則模擬切頂開采圍巖應力和位移變化，判別圍巖內(nèi)部剪切破壞和拉伸破壞，巖石性能及力學參數(shù)見表1。兩側(cè)限制水平位移，底部固定約束，上部自由界面施加1.5 MPa垂直載荷。分別對模型切頂高度和切頂角度進行分析。

圖1 物理模型圖

表1 巖石性能及力學的參數(shù)

2.1 不同切頂高度

選取切頂高度為5.0 m、7.0 m、9.0 m進行數(shù)值計算，切頂角度均為15°，方向偏向采空區(qū)，觀察圍巖形態(tài)和巷道變形量，計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)不同切頂高度的圍巖形態(tài)可知，切頂高度為5 m時，上覆巖層垮落高度低，垮落巖石量少，碎脹后巖石總體積并不能完全支撐采空區(qū)頂板，導致采空區(qū)上覆巖層持續(xù)下沉直至采空區(qū)完全壓實，采空區(qū)頂板下沉的增加會直接導致切頂巷道頂板下沉量的增加，頂板下沉量最大為580 mm。切頂高度為7 m時，上覆巖層垮落高度增加，采空區(qū)的填充度明顯增加，垮落矸石與上部基本頂巖層的未充空間明顯減少，巖石碎脹對切頂短臂結(jié)構(gòu)起到斜向支護作用，彎曲下沉量最大為220 mm。切頂高度為9 m時，雖然切頂高度的增加使得采空區(qū)充填密實，減小了巷道頂板向采空區(qū)方向的回轉(zhuǎn)下沉，但同樣增加了巷道頂板短臂梁自身的重量，短臂梁重量的過度增加同樣會導致巷道出現(xiàn)大變形，此時頂板下沉量最大為300 mm。因此，綜合分析可知，切頂高度為7 m的方案對于巷道圍巖穩(wěn)定性保持較好，頂板下沉量最大為220 mm，相較于5 m和9 m切頂高度頂板下沉量大大降低，從而更好地保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 不同切頂高度圍巖形態(tài)

2.2 不同切頂角度

選取切頂角度為0°、15°、30°進行數(shù)值計算，切頂高度均為7 m，圍巖形態(tài)及變形量如圖3所示。當切頂角度為0°時，切縫線垂直于巷道頂板，巷道頂板的變形量是最大的，頂板最大下沉量可以達到1100 mm，原因在于切頂短臂梁結(jié)構(gòu)會受到采空區(qū)上部巖層很大的垂直作用力；當切頂角度為15°時，采空區(qū)內(nèi)矸石充分碎脹對留巷頂板有支撐作用，導致巷道頂板變形較小，頂板最大下沉量為220 mm；當切頂角度為30°時，留巷頂板變形有明顯增大，頂板最大下沉量達到510 mm，說明切頂角度也不是越大越好。隨著切頂角度的增大，切頂巷道短臂結(jié)構(gòu)的長度和重量與切頂角度呈現(xiàn)正相關，角度過大同樣會導致短臂結(jié)構(gòu)過重從而致使巷道出現(xiàn)大變形，不利于整體巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。因此從保證圍巖穩(wěn)定性方面來說，切頂角度15°是合理的。

圖3 不同切頂角度圍巖形態(tài)

3 切頂成巷支護技術研究

根據(jù)礦井原有支護材料和支護方式，結(jié)合切頂巷道圍巖受力狀態(tài)，初步確定的回風巷支護方式如圖4所示：錨桿參數(shù)為直徑20 mm，長度2400 mm，間排距900 mm×900 mm，每根錨桿使用3卷型號K2335的樹脂藥卷，錨固力不低于50 kN。錨索參數(shù)為直徑21.8 mm，長度 8.0 m，間排距2000 mm×2400 mm，每根錨索使用3卷K2850型樹脂藥卷，預應力不小于120 kN，走向布置W型鋼帶作為支撐，尺寸為5400 mm×245 mm。恒阻錨索可以作為補強支護，參數(shù)為直徑21.8 mm，長度8.0 m，預應力不小于150 kN，恒阻值為35 t，恒阻器尺寸65 mm×500 mm，排距1800 mm。恒阻錨索處添加W型鋼帶作為支撐，尺寸為5400 mm×245 mm。為進一步確定支護參數(shù)的效果，根據(jù)數(shù)值模擬的切頂角度和切頂高度，建立了支護方案數(shù)值模型，探究優(yōu)化后的支護參數(shù)的合理性，模型結(jié)果如圖5所示。從模擬分析結(jié)果可知，應力集中出現(xiàn)在巷道煤壁幫，巷道切縫發(fā)育良好，阻斷了上覆頂板垮落對巷道的影響，巷道頂板下沉量為230 mm，可以實現(xiàn)成功留巷。

圖4 回風巷支護方式圖

圖5 支護方式模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場工程實測

在30104回風巷成型期間，對優(yōu)化后的巷道支護方式圍巖控制效果進行監(jiān)測分析，一方面監(jiān)測巷道圍巖表面變形情況，另一方面監(jiān)測支護采用的恒阻錨索的受力情況。監(jiān)測結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果可知，工作面推進以后巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平恳恢痹黾?，到滯后工作?00 m時，增加速度降低，當滯后工作面140 m以后巷道變形趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装逦灰屏烤S持在210 mm，巷幫位移維持在180 mm，說明前述支護技術措施可以有效地控制巷道的變形。根據(jù)恒阻錨索受力監(jiān)測可知，工作面滯后區(qū)恒阻錨索壓力明顯升高主要有2個區(qū)域，一是滯后采煤面30～50 m，二是滯后采煤面80～100 m左右。頂板變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滯后工作面約140 m頂板下降趨緩穩(wěn)定，錨索受力基本均達到恒阻值350 kN，現(xiàn)場監(jiān)測驗證了錨索恒壓讓位支護的有效性。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測

圖7 恒阻錨索受力監(jiān)測

5 結(jié)論

(1)根據(jù)30104回風巷復合頂板巷道的實際條件，確定采用切頂卸壓沿空成巷，通過不同切頂參數(shù)的數(shù)值模擬，確定最優(yōu)切頂高度為7 m，最優(yōu)切頂角度為15°。

(2)基于切頂參數(shù)模擬結(jié)果，在兼具經(jīng)濟可行性和施工安全性的基礎上，確定巷道支護方式為“錨桿索+恒阻錨索”支護形式，數(shù)值模擬顯示采用優(yōu)化后的支護參數(shù)后，巷道圍巖控制效果良好。

(3)經(jīng)過現(xiàn)場工程實踐可知，30104回風巷頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在210 mm，巷幫位移穩(wěn)定在180 mm，恒阻錨索受力維持在35 kN，表明切頂卸壓沿空成巷方式能夠起到很好的控制作用。