邱集煤礦1102 工作面切頂留巷支護(hù)設(shè)計(jì)及礦壓實(shí)測(cè)

云 明，鄭洪運(yùn)，李廷春，趙仁樂(lè)，武善元，朱慶文

（1.山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州272116；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266590）

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)作為1 種新型的煤炭開(kāi)采技術(shù)，通過(guò)預(yù)裂爆破對(duì)頂板進(jìn)行切縫，切斷巷道頂板的過(guò)長(zhǎng)懸臂梁，改變了頂板巖層之間的傳力結(jié)構(gòu)，降低支護(hù)阻力，大大改善了由于傳統(tǒng)煤柱留設(shè)技術(shù)帶來(lái)的煤炭回收率低和應(yīng)力集中問(wèn)題[1-2]。專家學(xué)者對(duì)于切頂卸壓沿空留巷技術(shù)條件下的巷道支護(hù)問(wèn)題做出了大量研究。寧建國(guó)[3]提出堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷巷旁“讓-抗”支護(hù)機(jī)理，在提供支護(hù)阻力的同時(shí)允許巷道頂板產(chǎn)生一定下沉，對(duì)留巷初期的頂板壓力起到釋放作用。何滿潮[4]通過(guò)對(duì)沿空巷道采空區(qū)側(cè)頂板預(yù)裂卸壓機(jī)制的研究，得到不同頂板位態(tài)下巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算方法。冉金林[5]等人基于圍巖松動(dòng)圈理論，確定了矩形巷道的“前探梁+錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)形式。王凱[6]等人對(duì)邱集煤礦1102 工作面開(kāi)切眼進(jìn)行了基于壓力拱理論的巷道圍巖變形規(guī)律分析，確定了“吊環(huán)吊梁+頂錨索+幫錨桿+金屬網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)形式。YIN Dawei，ZHANG Yongqing 和賈太保[7-9]等人分別對(duì)沿空留巷頂板圍巖應(yīng)力傳遞和破斷規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)相應(yīng)巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。華心祝、臧傳偉、劉三[10-12]分別對(duì)沿空留巷頂板原有支護(hù)進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與原支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比研究，取得了良好的支護(hù)效果。切縫對(duì)巷道頂板圍巖應(yīng)力演化的影響特征以及合理的圍巖控制措施是解決切頂留巷條件下巷道支護(hù)問(wèn)題的關(guān)鍵[13-17]。相關(guān)研究成果對(duì)沿空留巷支護(hù)技術(shù)做出了重要貢獻(xiàn)，然而對(duì)于2 層堅(jiān)硬頂板中間夾軟巖的復(fù)合頂板條件下切頂留巷支護(hù)技術(shù)研究相對(duì)較少。為此，針對(duì)邱集煤礦1102 工作面堅(jiān)硬復(fù)合頂板支護(hù)問(wèn)題，通過(guò)理論研究建立切頂前巷道頂板的懸臂梁模型和切頂后頂板的變形及受力模型，得出頂板懸臂梁的最大懸臂長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度巷道的支護(hù)阻力，進(jìn)而確定錨索支護(hù)參數(shù)，并對(duì)巷道礦壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)支護(hù)效果，驗(yàn)證了該方案的可行性，為相似地層條件的工作面開(kāi)采提供參考。

1 工程概況

邱集煤礦1102 工作面為11#煤試采工作面，該工作面標(biāo)高-426～-432 m，煤層走向近東西，走向長(zhǎng)度52 m，傾向長(zhǎng)度173 m，煤層傾角3°～8°，平均4°，平均煤厚2.25 m，煤層賦存比較穩(wěn)定。本工作面直接頂為五灰，平均厚度2.01 m，基本頂頂板巖層為四灰，屬堅(jiān)硬頂板；直接底為粉砂巖，平均厚度5.56 m。頂?shù)装鍘r性柱狀圖如圖1。

邱集煤礦1102 工作面運(yùn)輸巷采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，巷道沿煤層開(kāi)拓，設(shè)計(jì)留巷長(zhǎng)度173 m。巷道采用矩形斷面，規(guī)格為：凈寬×凈高=4.0 m×2.5 m，與1104 工作面相鄰。在巷道掘進(jìn)期間，巷道頂板和巷幫采用錨桿（索）和金屬網(wǎng)進(jìn)行初期支護(hù)。1102 工作面停采后，運(yùn)輸巷將供1104 工作面繼續(xù)使用。軌道巷巷道規(guī)格與運(yùn)輸巷一致。工作面及巷道布置如圖2。

圖1 頂?shù)装鍘r性柱狀圖Fig. 1 Lithology histogram of roof and floor

圖2 工作面及巷道布置Fig. 2 Layout of working face and roadway

2 支護(hù)阻力力學(xué)模型分析與計(jì)算

2.1 懸臂梁懸臂長(zhǎng)度分析

建立的懸臂梁變力模型如圖3。隨著工作面的推采，采空區(qū)內(nèi)的直接頂巖層將會(huì)發(fā)生斷裂，巷道上方頂板將形成“弧形三角塊”結(jié)構(gòu)。采空區(qū)頂板垮落后，直接頂頂板巖層形成懸臂梁B[18-20]，伸向采空區(qū)。懸臂梁承受自重荷載和上覆巖層的均布荷載，當(dāng)懸臂梁的懸臂長(zhǎng)度達(dá)到一定時(shí)，固定端上部承受拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉應(yīng)力達(dá)到巖石的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，懸臂梁會(huì)發(fā)生斷裂。取一單位寬度板條，分析其最大懸臂長(zhǎng)度。由于在巷道頂板和巷幫設(shè)有初期支護(hù)，假設(shè)巷道上方頂板不會(huì)發(fā)生變形斷裂，故將坐標(biāo)軸原點(diǎn)設(shè)于巷道上方邊緣處。對(duì)于懸臂梁B，考慮五灰?guī)r層的自重荷載、上覆2 層泥巖與四灰的荷載，由力矩平衡法，設(shè)定懸臂梁最大懸臂長(zhǎng)度為x0，取單位寬度b=1 m，荷載q 和qi在a 點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩為：

圖3 懸臂梁受力模型Fig. 3 Force model of cantilever beam

式中：Ma為各巖層荷載在a 點(diǎn)處產(chǎn)生的彎矩，kN·m；ρi為各頂板巖層平均密度，t/m3；g 為重力加速度，m/s2；hi為對(duì)應(yīng)的密度為ρi的巖層的厚度，m；x0為頂板的最大懸臂長(zhǎng)度，m。

由于泥巖抗拉強(qiáng)度較小，只考慮五灰層頂板能夠提供的彎矩：

式中：M0為五灰層頂板提供的彎矩，kN·m；σt為五灰層的抗拉強(qiáng)度，σt=6.5 MPa；W 為矩形懸臂梁抗彎截面系數(shù)，W＝（1/6）bh2。

則該懸臂梁的最大懸臂長(zhǎng)度x0為：

將圖1 中的參數(shù)代入式（3），求得直接頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的最大懸臂長(zhǎng)度為4.68 m。由此可知，若不對(duì)頂板進(jìn)行處理，直接頂將會(huì)在采空區(qū)形成長(zhǎng)達(dá)4.68 m 的懸臂梁，在巷道頂板鄰近采空區(qū)邊界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，附加荷載導(dǎo)致頂板變形量較大，對(duì)巷道的支護(hù)產(chǎn)生不利影響。因此在該巷道采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，對(duì)頂板進(jìn)行切頂處理，將過(guò)長(zhǎng)的懸臂梁切斷，減小支護(hù)荷載，增強(qiáng)留巷穩(wěn)定性。

2.2 支護(hù)阻力分析

對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂后，懸臂梁B 在切縫處斷裂，上層泥巖與四灰也相繼完成垮落。頂板變形及受力示意圖如圖4。由圖4 可知，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于基本頂四灰?guī)r層較為堅(jiān)硬，難以發(fā)生斷裂，只需考慮五灰?guī)r層的自重荷載和四五灰之間的泥巖的荷載。假設(shè)巷道頂板在實(shí)體煤側(cè)彈塑性交界處發(fā)生斷裂，c 點(diǎn)為直接頂在實(shí)體煤上方發(fā)生斷裂的點(diǎn)。

圖4 頂板變形及受力示意圖Fig. 4 Deformation and stress diagram of roof

巷道開(kāi)挖后，周邊煤體會(huì)從邊緣開(kāi)始產(chǎn)生破壞，發(fā)展至煤幫彈塑性交界處，沿空留巷頂板會(huì)在煤幫彈塑性交界處發(fā)生斷裂，使頂板發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉。參考侯朝炯[21]等人對(duì)于巷道煤幫應(yīng)力平衡區(qū)的探討，煤幫的應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度與煤層的采深、厚度、抗剪強(qiáng)度等因素有關(guān)，產(chǎn)生塑性破壞的煤體寬度b0為：

式中：C 為煤層與頂板巖層交界面的黏聚力，MPa；φ 為煤層與頂板巖層交界面的內(nèi)摩擦角，（°）；m 為煤層厚度，m；λ 為側(cè)壓力系數(shù)；k 為最大應(yīng)力集中系數(shù)；ρ 為巖層平均密度，t/m3；h 為開(kāi)采深度，m；p為煤幫支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

由式（4）可得，煤體塑性區(qū)寬度為1.03 m。

取巷道寬度為4 m，頂板斷裂位置為距巷道1.03 m，故所需支護(hù)的頂板長(zhǎng)度L=1.03 m+4 m=5.03 m。

考慮巖層間的整體作用力和煤幫的支護(hù)阻力，施加1 個(gè)彎矩減弱系數(shù)η，則各頂板巖層在c 點(diǎn)處產(chǎn)生的彎矩為：

式中：η 取0.5。

假設(shè)錨索懸吊阻力的合力作用于巷道中心線，則錨索提供的支護(hù)阻力Fm在c 點(diǎn)處產(chǎn)生的彎矩為：

根據(jù)力矩平衡，可得錨索需要提供的支護(hù)阻力為Fm=166.74 kN，即每米長(zhǎng)的巷道頂板需要提供166.74 kN 的支護(hù)阻力。

2.3 支護(hù)參數(shù)選取2.3.1 錨索的長(zhǎng)度

留巷頂板所用錨索為恒阻大變形錨索，其長(zhǎng)度受切頂高度的影響。該分段設(shè)計(jì)鉆孔深度為8 m，切頂角度為15°，則切頂高度HF=7.73 m。恒阻錨索的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

即恒阻錨索的長(zhǎng)度比切頂高度多1.5～2.5 m?？紤]鋼絞線外露長(zhǎng)度0.3 m 和現(xiàn)場(chǎng)施工，取恒阻大變形錨索長(zhǎng)度為10.3 m。

2.3.2 錨索的直徑

為保證巷道安全支護(hù)，錨索的直徑為：

式中：φ 為錨索的直徑，mm；KZ為安全系數(shù)，取1.8；Fmax為錨索恒阻力，200 kN；Rm為鋼絞線的抗拉強(qiáng)度，1 860 MPa。

經(jīng)計(jì)算可得錨索的直徑為φ=15.70 mm，實(shí)際選用錨索直徑17.8 mm。

2.3.3 單排錨索數(shù)目

式中：n 為錨索數(shù)目；K 為安全系數(shù)，取1.2；G為被吊巖石自重力，kN。

根據(jù)所得懸臂長(zhǎng)度和直接頂頂板巖層的密度，可得n=1.9，設(shè)2 列錨索。

2.3.4 錨索排距

式中：d 為錨索排距，m；ξ 為間排距安全系數(shù)，取0.9；Fm為支護(hù)阻力，kN。

經(jīng)計(jì)算得d=1.71 m。考慮上覆巖層對(duì)直接頂?shù)暮奢d。巷道采用2 列恒阻大變形錨索對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，第1 列恒阻大變形錨索布置在距離切縫線300 mm 處，排距1 000 mm，由于第1 列恒阻大變形錨索靠近懸臂梁懸臂端，承受較大阻力，選取較小排距；第2 列恒阻大變形錨索布置在距離切縫線2 100 mm處，排距為2 000 mm。錨桿規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，錨桿只起構(gòu)造作用，與恒阻大變形錨索交叉布置。頂板掛網(wǎng)，以防漏頂，并設(shè)2 排單體液壓支柱配合鉸接頂梁用來(lái)支撐采動(dòng)引起的超前壓力，排距為1 200 mm。巷道支護(hù)布置圖如圖5。

3 巷道礦壓實(shí)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

圖5 巷道支護(hù)布置圖Fig. 5 Layout of roadway support

1102 運(yùn)輸巷切縫高度為8 m，切頂角度為15°，巷內(nèi)布置有思科賽德KBU300 頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警器和GUW240 頂板圍巖移動(dòng)傳感器；安裝補(bǔ)強(qiáng)錨索過(guò)程中，在預(yù)定位置安裝錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，運(yùn)輸巷每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝2 臺(tái)GMY30W 錨索應(yīng)力傳感器，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 6 Layout of measuring points

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 頂板變形和移近量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在距開(kāi)切眼110 m 處，安裝1 只頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警器，從安裝至停采，頂?shù)装逡平刻幱诔掷m(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。在距開(kāi)切眼86.5 m 運(yùn)輸巷頂板設(shè)有2 個(gè)圍巖移動(dòng)傳感器鉆孔對(duì)頂板離層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中1#孔深基點(diǎn)7 m，淺基點(diǎn)2 m；2#孔深基點(diǎn)11.5 m，淺基點(diǎn)5 m。頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7。

由圖7 可以看出，在滯后工作面25 m 處，頂?shù)装逡平块_(kāi)始出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度均勻。在工作面停采后，頂?shù)装逡平咳匀惶幱谠鲩L(zhǎng)狀態(tài)但增長(zhǎng)緩慢，由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，其最終穩(wěn)定于36 mm。

圖7 頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 7 Monitoring data of roof and floor

當(dāng)工作面推采至距86.5 m 測(cè)點(diǎn)約17 m 位置處，巷道頂板圍巖即產(chǎn)生離層現(xiàn)象，說(shuō)明工作面的采動(dòng)影響會(huì)超前引起頂板圍巖離層，因此巷道臨時(shí)支護(hù)應(yīng)超前工作面20 m 進(jìn)行。2#孔5 m 基點(diǎn)位置處的離層變化在滯后工作面60 m 逐漸趨于穩(wěn)定，頂板離層不再發(fā)生變化；在距離巷道頂部邊緣2～5 m范圍內(nèi)離層量約25 mm。1#孔兩基點(diǎn)均在滯后工作面15 m 處開(kāi)始出現(xiàn)離層且離層量較小，深基點(diǎn)處未出現(xiàn)離層。結(jié)合頂板巖層力學(xué)參數(shù)，初步判斷該離層主要發(fā)生在泥巖、灰?guī)r交界處，且五灰層完整性較好，未發(fā)生明顯破碎。

3.2.2 錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1102 工作面運(yùn)輸巷在距開(kāi)切眼75 m 至173 m區(qū)段內(nèi)安裝有3 只錨索測(cè)力計(jì)，對(duì)留巷頂板錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，錨索受力監(jiān)測(cè)曲線如圖8。

圖8 錨索受力監(jiān)測(cè)曲線Fig. 8 Stress monitoring curves of anchor cable

由圖8 可知，隨著工作面推進(jìn)，在超前工作面約20 m 左右，錨索工作阻力開(kāi)始出現(xiàn)突然增長(zhǎng)（由于3#錨索安裝較晚，數(shù)據(jù)較少），超前工作面支承壓力的影響范圍約為20 m，這與離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所得結(jié)論一致。工作面推采結(jié)束后，各錨索受力均趨于穩(wěn)定，結(jié)合頂板離層數(shù)據(jù)，此時(shí)巷道不再出現(xiàn)明顯變形。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，錨索受力峰值點(diǎn)在150 kN 左右，未超過(guò)恒阻器的設(shè)計(jì)恒阻值（200 kN），滿足巷道穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）建立了巷道頂板的懸臂梁模型和留巷頂板的變形及受力模型，計(jì)算出未切頂時(shí)巷道頂板懸臂梁伸向采空區(qū)的最大懸臂長(zhǎng)度為4.68 m，切頂后單位長(zhǎng)度巷道的支護(hù)阻力為166.74 kN，切縫減小了巷道頂板的懸臂長(zhǎng)度，降低支護(hù)阻力。

2）選取了恒阻大變形錨索和錨桿配合單體液壓支柱的支護(hù)方式，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行選取，確定恒阻大變形錨索規(guī)格為φ17.8 mm×10 300 mm，恒阻力為200 kN。錨桿規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，錨桿只起構(gòu)造作用，不承擔(dān)支護(hù)阻力。頂板掛網(wǎng)，以防漏頂，并設(shè)單體液壓支柱用來(lái)支撐采動(dòng)引起的超前壓力。

3）邱集煤礦1102 工作面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：沿空留巷頂板離層出現(xiàn)在超前工作20 m 左右，滯后工作面距離超過(guò)60 m 時(shí)，頂板離層逐漸趨于穩(wěn)定，約25 mm。頂?shù)装逡平吭鲩L(zhǎng)速度均勻，且在達(dá)到36 mm 時(shí)逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)工作面推采結(jié)束。頂板錨索受力最大值約為150 kN，處于錨索正常承載范圍內(nèi)。該方案成功解決了1102 運(yùn)輸巷沿空留巷支護(hù)問(wèn)題，為安全推采提供了保障。