砌塊充填沿空留巷底鼓大變形控制技術(shù)研究

孔慶軍

(兗礦貴州能化有限公司，貴州 貴陽 550022)

貴州省煤炭資源儲量豐富、煤種齊全，具有很好的開采價(jià)值，但卻存在很多開采技術(shù)難題。如地質(zhì)條件復(fù)雜圍巖控制難度大，瓦斯含量高抽采瓦斯工程量大，導(dǎo)致采掘接續(xù)嚴(yán)重緊張，礦井達(dá)不到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。沿空留巷技術(shù)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，提高了資源的回收率，降低了礦井萬噸掘進(jìn)率，緩解礦井采掘接替緊張，因此得到大力推廣。

但目前采用的沿空留巷開采技術(shù)主要以巷旁砌墻或充填支護(hù)形式為主，砌墻留巷由于未改變頂板應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致留巷后產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成圍巖變形量大，其中主要以底鼓為主，約占頂?shù)装逡七M(jìn)量的60%～80%。巷道底鼓影響煤礦的行人運(yùn)輸及正常通風(fēng)，需多次返修，制約了礦井的高效生產(chǎn)。針對上述難題，我國學(xué)者展開了大量研究工作，研究表明[1-14]：巷道圍巖的頂?shù)装寮皟蓭褪且粋€(gè)相互租用的共同體，所以僅對底板進(jìn)行加固是難以有效控制底鼓的，實(shí)現(xiàn)底鼓有效控制不能僅從底板單一著手，而應(yīng)當(dāng)充分考慮整體圍巖的作用。但是傳統(tǒng)沿空留巷多采用砌墻作為巷旁充填體，并沒有改變上覆巖層的傳力結(jié)構(gòu)，沒有從根本上解決巷道的圍巖應(yīng)力條件。因此亟需探尋有效的充填沿空留巷底鼓大變形控制技術(shù)來解決上述難題，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水地區(qū)，目前主采10#煤層。10#煤層直接底為泥巖，厚度2.6m；老底為細(xì)砂巖，厚度8.42m。煤層頂板由下往上依次為厚0.1m的碳質(zhì)泥巖，厚2.1m的粉砂質(zhì)泥巖，厚6.98m的細(xì)砂巖等。煤層傾角為8°～24°，平均厚度1.8m，容重1.3×103kg/m3。

31004工作面設(shè)計(jì)采高1.8m，傾向長度217.8～105.8m，走向長度983.9m。該工作面采煤方法為一次采全高綜采，全部垮落法處理頂板。巷道掘進(jìn)寬度4700mm，掘進(jìn)高度2600mm。31004工作面布置如圖1所示。

圖1 31004工作面平面布置

2 傳統(tǒng)砌塊充填沿空留巷技術(shù)

2.1 砌塊充填沿空留巷工藝

砌塊充填沿空留巷工藝流程如圖2所示。具體工藝如下：

圖2 砌塊充填沿空留巷工藝流程

1)工作面割煤→端頭液壓支架鋪設(shè)頂網(wǎng)→錨桿加固充填區(qū)域頂板→移架→架后單體液壓支柱臨時(shí)支護(hù)充填區(qū)域頂板。

2)根據(jù)推進(jìn)長度，每天構(gòu)筑1～2垛充填體：清理浮煤→立層數(shù)桿、掛線→砌塊就位校正→制漿→豎縫灌砂漿→充填→回收單體液壓支柱。

3)清理現(xiàn)場，準(zhǔn)備下一循環(huán)。

2.2 砌塊充填沿空留巷底鼓大變形規(guī)律

在留巷過程中砌墻留巷出現(xiàn)了底鼓、片幫、頂板下沉、墻體破壞等現(xiàn)象，對生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。初步分析是因?yàn)槊后w被掘后，上覆巖層壓力逐漸作用于巷道直接頂，并導(dǎo)致直接頂傾斜下沉，作用于砌塊的壓力逐漸增大，此后覆巖壓力通過直接頂傳遞給兩幫，同時(shí)由于頂板的支護(hù)強(qiáng)度不足，導(dǎo)致頂板正上方壓力向兩幫轉(zhuǎn)移；應(yīng)力經(jīng)過實(shí)體煤幫和砌塊巷幫傳遞至巷道底板，并產(chǎn)生向巷道中部底板擠壓的應(yīng)力，在擠壓應(yīng)力的作用下導(dǎo)致了底板的持續(xù)大變形。

頂板壓力是造成巷道底鼓的根本原因，砌塊及實(shí)體煤下方底板受壓后產(chǎn)生的橫向壓力是造成巷道底鼓的直接原因；頂板壓力通過砌塊和實(shí)體煤幫不斷傳遞至底板，導(dǎo)致巷道底板受到兩側(cè)的橫向擠壓作用而產(chǎn)生底鼓大變形；相比實(shí)體煤幫而言，混凝土砌塊側(cè)壓力對底鼓的影響更為明顯。這是由于實(shí)體煤幫受壓后高應(yīng)力可以向煤幫深部轉(zhuǎn)移，因此對底板壓強(qiáng)較小，而砌塊側(cè)砌塊寬度一定，壓力只能傳遞至單位面積的底板，導(dǎo)致底板更容易發(fā)生塑性變形所致。

通過礦壓監(jiān)測得到傳統(tǒng)砌墻留巷段的圍巖變形規(guī)律，巷道頂?shù)装逡平?70mm，其中底鼓變形量520mm，占比78%。滯后工作面130m范圍內(nèi)，圍巖運(yùn)動劇烈；滯后工作面130～445m，頂板進(jìn)入緩慢運(yùn)動階段；滯后工作面445m時(shí)留巷圍巖才基本穩(wěn)定，圍巖變形規(guī)律曲線如圖3所示。最終傳統(tǒng)砌墻留巷段巷高約為1500mm，巷寬2800mm；需要經(jīng)過多次臥底、返修才能滿足使用要求。

圖3 傳統(tǒng)砌塊充填沿空留圍巖變形規(guī)律

3 砌塊留巷底鼓大變形控制技術(shù)

3.1 頂板預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)

砌塊充填留巷圍巖的變形動力源為頂板壓力，因此減弱頂板壓力，控制頂板的下沉是解決巷道底鼓的關(guān)鍵。提出對巷道采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂技術(shù)措施，優(yōu)化留巷區(qū)域圍巖應(yīng)力與頂板結(jié)構(gòu)。雙向聚能拉張爆破是定向預(yù)裂爆破的一種，有別于傳統(tǒng)的預(yù)裂爆破，采用傳統(tǒng)礦用炸藥，置于聚能管內(nèi)，聚能管上留設(shè)聚能淺槽和聚能孔，實(shí)現(xiàn)了爆破后爆轟波沿聚能方向形成切向拉應(yīng)力，從而形成有效的頂板切縫面[15]。聚能拉張爆破作用原理如圖4所示。

圖4 聚能拉張爆破原理

預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關(guān)，一般通過如下方式確定[16，17]：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；k為碎脹系數(shù)，根據(jù)頂板巖性取1.3～1.5。

本設(shè)計(jì)k取1.4，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，工作面采高H煤為1.8m時(shí)，計(jì)算得H縫=4.5m?？紤]切縫孔傾斜角度綜合上述計(jì)算結(jié)果，預(yù)裂切縫孔深度設(shè)計(jì)為H縫=5m。切縫鉆孔中線距離回采側(cè)幫為200mm。鉆孔與鉛垂線夾角為0°，切縫孔間距500mm。

以5m切縫高度進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)值模擬研究，并對切頂卸壓前后工作面及實(shí)體煤幫頂板豎向壓力進(jìn)行分析比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 切頂前后工作面及實(shí)體煤幫頂板豎向壓力分布云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果得出，切頂卸壓對頂板壓力的減弱主要表現(xiàn)在回采工作面前方頂板、留巷巷道頂板兩個(gè)位置，其中切頂卸壓對工作面超前煤幫壓力及走向?qū)嶓w煤頂板壓力均由明顯的減弱作用，切頂前壓力平均值為3.8×106Pa，切頂后壓力平均值為1.5×106Pa，與切頂前相比降低了60%，卸壓效果顯著。

3.2 頂板關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

在實(shí)際工程中由于巖層結(jié)構(gòu)、巷道斷面大小形狀以及圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)等具有很大的差異。一些關(guān)鍵部位便會變得比較薄弱，從關(guān)鍵部位開始的巷道破壞變得越來越嚴(yán)重，因此使得整個(gè)巷道的逐漸失穩(wěn)影響生產(chǎn)。因此在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先預(yù)判出其關(guān)鍵部位，對關(guān)鍵部位進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施來保證巷道的穩(wěn)定。

為了保證爆破時(shí)及頂板斷裂來壓時(shí)巷道的穩(wěn)定性，超前切頂進(jìn)行錨索補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)。錨索長度一般設(shè)計(jì)主要原則是高于切縫，主要布設(shè)于切縫側(cè)對于頂板支護(hù)更為有利。設(shè)計(jì)錨索長度7m，第一列錨索距切縫線600mm，第二列錨索距切縫線1800mm，錨索間距1600mm，如圖6所示。

圖6 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)方案(mm)

3.3 砌塊墻體雙控錨桿支護(hù)技術(shù)

使用錨桿配合鋼筋梯的方式進(jìn)行加固沿空留巷的墻體，以致墻體的整體性得到了有效的增強(qiáng)作用達(dá)到了預(yù)期的效果?；炷翂w厚度為1300mm，錨桿需外露墻體100mm，故錨桿選用?18mm×1600mm錨桿。錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，在混凝土墻體中以45°角形成壓應(yīng)力區(qū)，因此錨桿的最大間排距為[18]：

Lj=2×1/2(L-L1)tan45°

式中，L為錨固長度，1300mm；L1為錨桿外漏長度，200mm。

計(jì)算得Lj=1100mm。綜合考慮巷道原支護(hù)參數(shù)，故錨桿間排距為1000mm×1000mm。

3.4 砌塊上方柔性讓壓支護(hù)技術(shù)

為提高巷幫充填體的讓壓，提出了在巷旁砌塊與頂板間加入厚300mm柔膜混凝土材料。柔膜袋設(shè)計(jì)規(guī)格為長×寬×高=3.0m×1.3m×0.3m根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算。柔性讓壓結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 柔性讓壓結(jié)構(gòu)

3.5 工藝流程

砌墻留巷底鼓控制技術(shù)工藝流程如圖8所示。具體工藝流程如下：①施工超前切頂錨索；②超前切頂錨索支護(hù)后，在工作面前方一定距離緊接著施工聚能爆破鉆孔，并進(jìn)行雙向聚能拉伸爆破，靠采空區(qū)側(cè)頂板形成一預(yù)裂切縫面；③混凝土砌塊砌墻，在墻體頂部與巷道頂板放置300mm的柔性墊層，在墻體內(nèi)部布設(shè)雙控錨桿。

圖8 砌墻留巷底鼓控制技術(shù)工藝流程

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

為了更好的對比切頂砌墻留巷和未切頂砌墻留巷的效果，在0～435m范圍內(nèi)進(jìn)行未切頂砌墻留巷實(shí)驗(yàn)，在435～564 m范圍內(nèi)進(jìn)行切頂砌墻留巷。頂板預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)實(shí)施的裝藥參數(shù)及爆破后孔內(nèi)裂縫效果如圖9所示?，F(xiàn)場確定最佳裝藥結(jié)構(gòu)為“3+2+1”，聚能管長度依次為“1.5m+1.5m+0.5m”，三級乳化炸藥規(guī)格?32mm×300mm，爆破后孔內(nèi)裂縫率達(dá)到85%。

圖9 裝藥參數(shù)及孔內(nèi)裂縫效果

根據(jù)礦方的現(xiàn)場施工情況以及工作面推進(jìn)情況，在兩區(qū)段范圍內(nèi)監(jiān)測了錨索受力情況，得到了其受力變化規(guī)律，如圖10所示。監(jiān)測結(jié)果表明砌塊充填留巷錨索應(yīng)力值普遍達(dá)到最大應(yīng)力狀態(tài)，切頂后錨索應(yīng)力值明顯減小，錨索應(yīng)力值穩(wěn)定在40MPa左右，較切頂卸壓前降低34%。表明切頂后減弱了頂板壓力，切頂卸壓效果顯著。

圖10 錨索受力變化曲線

通過礦壓監(jiān)測得到傳統(tǒng)砌墻留巷段的圍巖變形規(guī)律，如圖11所示。巷道頂?shù)装逡平?60mm，其中底鼓變形量120mm，較傳統(tǒng)砌塊充填留巷減小77%。圍巖在工作面后方70m范圍內(nèi)為頂板劇運(yùn)動劇烈階段；70～180m范圍內(nèi)頂板運(yùn)動進(jìn)入緩慢階段；滯后工作面180m時(shí)留巷圍巖基本穩(wěn)定。切頂砌墻留巷段巷高約為2300mm，巷寬3300mm，滿足復(fù)用使用要求。

圖11 切頂砌墻留巷圍巖變形規(guī)律

5 結(jié) 論

1)傳統(tǒng)砌塊充填留巷由于頂板應(yīng)力集中、圍巖不耦合支護(hù)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力大，圍巖呈現(xiàn)以底鼓為主的大變形，改變頂板結(jié)構(gòu)及優(yōu)化支護(hù)形式是改善圍巖受力環(huán)境、減小底鼓大變形的重要途徑。

2)提出了砌塊充填留巷底鼓大變形綜合控制技術(shù)體系，利用“頂板預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)”切斷了頂板應(yīng)力傳遞途徑，實(shí)施“頂板關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)”及“砌塊上方柔性讓壓支護(hù)技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)效果，聯(lián)合“砌塊墻體雙控錨桿支護(hù)技術(shù)”保障了充填墻體的穩(wěn)定性及整體強(qiáng)度。

3)砌塊充填留巷底鼓大變形綜合控制技術(shù)實(shí)施后，巷道動壓影響區(qū)段明顯減小，巷道穩(wěn)定速度加快。巷道錨索應(yīng)力值降低34%，底鼓變形量降低77%，巷道高度和寬度滿足安全生產(chǎn)需求。