發(fā)耳煤礦不同留巷方式下巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律對比研究

肖國強，于光遠(yuǎn)，武瑞龍，李文飛，孫 晗

(1.貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 水城 553600；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；4.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000)

沿空留巷技術(shù)是無煤柱開采技術(shù)的一種，具有提高煤炭回收率、改善巷道維護、降低巷道開掘率，緩解采掘接替緊張，提高社會經(jīng)濟效益等優(yōu)點，是煤炭開采技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向[1-3]。

我國于20世紀(jì)50年代開始進行沿空留巷實踐[4]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了充填留巷和切頂留巷兩種主流的留巷方式[5]。針對以上兩種留巷方式，學(xué)者們開展了大量的研究工作[6-9]，唐建新等[10]在龍灘煤礦開展了混凝土砌塊巷旁支護沿空留巷試驗，通過數(shù)值模擬方法確定了最佳的留巷方案，取得了良好的留巷效果；何東升[11]對中厚煤層柔模混凝土沿空巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)滯后工作面45m范圍為應(yīng)力集中區(qū)，滯后工作面約25m處應(yīng)力達到最大值，滯后工作面80m以外，頂板沉降趨于穩(wěn)定；何滿潮等[12]針對中厚煤層復(fù)合頂板條件下的切頂成巷工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開展了研究，發(fā)現(xiàn)切頂卸壓能夠減弱工作面來壓強度，增加來壓步距；遲寶鎖等[13]針對切頂留巷的留巷及復(fù)用期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律開展研究，將留巷過程分為初始穩(wěn)定期、劇烈變形期、緩慢過渡期、壓實穩(wěn)定期4個階段，將巷道復(fù)用過程分為礦壓穩(wěn)定期、礦壓漸變期、礦壓劇烈期3個階段，并確定了相應(yīng)階段與回采工作面之間的空間關(guān)系；高喜財?shù)萚14]針對復(fù)合頂板切頂留巷圍巖變形特征開展研究，并結(jié)合變形特征提出了采用多介質(zhì)耦合技術(shù)來控制巷道頂板的變形。雖然學(xué)者們開展了大量的研究工作，但是上述研究都是針對單一方式下的留巷參數(shù)、工藝流程及礦壓規(guī)律開展，針對不同留巷方式的工藝流程、巷內(nèi)支護需求及留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律方面的對比研究卻少有提及。

本文以發(fā)耳礦31004工作面運輸巷道砌塊留巷和切頂留巷兩段巷道為背景開展研究，總結(jié)了砌塊留巷和切頂留巷的工藝流程，建立了相應(yīng)的圍巖力學(xué)模型，計算了巷內(nèi)支護阻力需求，并對不同留巷方式下的工藝流程、巷內(nèi)支護需求及留巷過程的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了對比研究，研究結(jié)果對類似條件下的沿空留巷技術(shù)開展具有一定借鑒。

1 工程概況

發(fā)耳煤礦位于貴州省六盤水市，核定生產(chǎn)能力180萬t/a，目前主采10#煤。沿空留巷工作面為31004工作面，該工作面位于發(fā)耳煤礦井三采區(qū)中部，工作面煤層平均厚度1.8m，煤層頂板由下往上依次為厚0.1m的碳質(zhì)泥巖，厚3.1m的粉砂質(zhì)泥巖，厚6.98m的細(xì)砂巖，直接底為泥巖，厚度2.6m，老底為細(xì)砂巖，厚度8.42m，煤層沿走向傾角為8°～24°，平均14°，巖性柱狀如圖1所示。

圖1 31004工作面巖性柱狀圖

31004工作面采用巷旁砌塊留巷和切頂留巷兩種方式進行沿空留巷，所留巷道為運輸巷，其中巷旁砌塊留巷段為由開切眼向外延伸435m位置，切頂留巷段位于距離終采線349m位置。31004工作面布置及留巷位置如圖2所示。

圖2 31004工作面留巷位置

2 留巷工藝流程

2.1 巷旁砌塊留巷工藝

發(fā)耳煤礦所設(shè)計的砌墻留巷工藝流程可分為“制-運-支-采-砌”五步：①在地面上制作若干規(guī)格為650mm×190mm×190mm的混凝土砌塊，然后對砌塊進行養(yǎng)護28d使其達到設(shè)計強度；②利用井下運輸車將砌塊運輸至所需工作面；③對將要鋪設(shè)的砌塊上方頂板補打錨桿和金屬網(wǎng)進行加固；④工作面向前推采，工作面后方采用單體進行臨時支護；⑤構(gòu)筑混凝土墻體并將單體回撤。此外，為保證墻體的穩(wěn)定性，在沿空留巷巷道側(cè)每隔1300mm緊靠墻體支設(shè)一根單體支柱。砌塊充填留巷工藝流程如圖3所示。

圖3 砌塊充填留巷工藝流程

2.2 切頂卸壓無煤柱自成巷工藝

切頂卸壓無煤柱自成巷工藝流程可分為“支-切-護-封”四步[15]。第一步：在留巷巷道頂板按設(shè)計參數(shù)進行超前工作面的恒阻大變形錨索補強支護；第二步：利用聚能定向爆破技術(shù)在保證恒阻大變形錨索超前加固≥30m的前提下，按工作面推進方向，對巷道頂板進行爆破預(yù)裂切縫，形成切頂卸壓預(yù)裂切縫線；第三步：在工作面回采過后，隨之布設(shè)擋桿支護及單體液壓支柱臨時支護；第四步：當(dāng)采空區(qū)上覆巖層垮落密實且留巷段圍巖穩(wěn)定后，撤除臨時支護并對擋桿側(cè)進行噴漿密閉。

2.3 不同留巷方式的優(yōu)缺點對比

結(jié)合不同留巷方式的工藝流程可知，砌墻留巷需要“制-運-支-采-砌”五步才能完成，而切頂留巷則僅需要“支-切-護-封”四步工藝。對比分析可知，與砌塊留巷技術(shù)相比，切頂留巷技術(shù)在施工工藝、留巷成本、安全程度以及對工作面回采速率的影響四個方面具有顯著的優(yōu)勢，具體情況見表1。

表1 不同留巷方式優(yōu)缺點對比

1)施工工藝簡單。切頂留巷無需預(yù)制混凝土砌塊，也就取消了混凝土制作和運輸兩項工藝，且工作面后方僅需架設(shè)擋矸支護和噴漿，施工便捷；而巷旁砌塊在鋪設(shè)的過程中則需要清理浮煤、立層數(shù)桿、掛線、砌塊就位校正、制漿、豎縫灌砂漿、充填等工序，施工繁瑣。

2)留巷成本低廉：除恒阻錨索以外，切頂留巷所用單體、擋矸U型鋼均可回收再利用；而砌塊留巷所鋪設(shè)的混凝土砌塊均為一次性使用，不可回收，因此留巷成本較高。

3)安全程度高：留巷工作面運輸巷道沿走向存在著8°～24°的傾角，預(yù)制砌塊需要在斜巷中運輸，且砌塊留巷的“支、采、砌”三步工藝的施工位置均在工作面后方，因此存在較大的安全隱患。切頂留巷無需再斜巷中運輸混凝土砌塊，且主要的兩步工序“切、支”均在超前工作面開展，安全程度高。

4)不限制工作面回采速率：切頂留巷架后擋矸支護施工速度較快，可以緊跟回采工作面的推進；砌塊留巷墻體的構(gòu)筑工序復(fù)雜且速度較慢，因此會在一定程度上影響工作面的推進速度。

3 不同留巷方式下巷內(nèi)受力特征分析

3.1 不同留巷方式下巷道圍巖應(yīng)力分布特征

運用有限元軟件FLAC3D對發(fā)耳煤礦 31004工作面不同留巷方式下的運輸巷進行模擬分析。砌塊留巷和切頂留巷兩種狀態(tài)下圍巖豎向應(yīng)力場分布如圖4(a)、圖4(b)所示。砌塊留巷條件下，砌塊墻體和實體煤幫均存在著明顯的豎向應(yīng)力集中，其中作用于砌塊墻體的壓力約為1.2×107Pa，實體煤幫內(nèi)的最大壓力約為2.8×107Pa，實體煤幫內(nèi)的應(yīng)力集中峰值與巷幫的距離為3m；在切頂留巷條件下，由于取消了巷旁砌塊，因此只在實體煤幫內(nèi)存在豎向應(yīng)力集中，其峰值約為1.6×107Pa，應(yīng)力峰值與巷幫的距離為8.3m。

圖4 不同留巷方式下圍巖垂直應(yīng)力分布

切頂留巷技術(shù)能夠減弱作用于實體煤幫的豎向應(yīng)力大小，并使得應(yīng)力峰值向遠(yuǎn)離巷幫的方向轉(zhuǎn)移。

3.2 不同留巷方式下巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及巷內(nèi)受力特征

沿空留巷最終所形成的巷道圍巖結(jié)構(gòu)是影響巷道礦壓顯現(xiàn)特征的關(guān)鍵因素。就巷旁砌塊留巷方式而言，工作面推過后，采空區(qū)側(cè)頂板冒落，巷道側(cè)則形成由直接頂、實體煤和巷旁砌塊所組成的“小結(jié)構(gòu)”。隨著工作面推進，采空區(qū)側(cè)基本頂及巷道上方基本的夠發(fā)生破斷，并由巖塊A、巖塊B和巖塊C相互鉸接而形成“大結(jié)構(gòu)”，砌塊留巷圍巖結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 砌塊留巷圍巖結(jié)構(gòu)

已有研究表明[16]，留巷的巷旁支護、巷道頂板及煤幫構(gòu)成的“小結(jié)構(gòu)”無法改變采空區(qū)側(cè)向基本頂破斷后多個塊體鉸接而成的“大結(jié)構(gòu)”回轉(zhuǎn)帶來的“給定變形”。因此巖塊A、B和C所形成的大結(jié)構(gòu)是影響巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵，需要對該結(jié)構(gòu)下的巷內(nèi)受力特點進行重點研究。假設(shè)當(dāng)沿空留巷頂板在實體煤側(cè)斷裂，則建立的簡化力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 砌塊留巷力學(xué)模型

煤幫內(nèi)極限平衡區(qū)寬度x0和塑性區(qū)對煤體的支撐力σ分別如下[17]：

(1)

(2)

基本頂巖層在側(cè)向的斷裂跨度L以及巖塊B受到的側(cè)向水平推力分別為[18，19]：

(3)

(4)

式中，L為基本頂側(cè)向斷裂跨度，m；S為工作面長度，m；l為工作面周期垮落步距，m；TB為巖塊B在B′處受到的側(cè)向水平推力，kN；q為基本頂重量及其上覆軟弱巖層的平均載荷，kN/m；ΔSB為巖塊B在B′處的下沉量，mm。

采用塊體力學(xué)平衡法對基本頂巖塊進行力學(xué)分析。

對于巖塊C：

∑Fx=0，得：TB=TC

(5)

∑Fy=0，得：NB=NC+qL

(6)

∑MB′=0，

得：MB+TC(h-ΔSC)-NCL-qL2/2=0

(7)

(8)

(9)

對于巖塊B，∑MA′=0，得：

TB(h-ΔSB)-MB-qL2/2-q0(x0+a+b)2/2-

NBL=0

(10)

聯(lián)立解得巷旁支護阻力：

P1=[2MB+qL2+q0(x0+a+b)2/2+

q′L2(ΔSB-ΔSC)/[2(h-ΔSB)]-

(11)

式中，P1為巷旁支護阻力，kN；TC為巖塊C在C′處受到的側(cè)向水平推力，kN；NB為巖塊B受到的剪切力，kN；NC為巖塊C受到的剪切力，kN；q為基本頂重量及其上覆軟弱巖層的平均載荷，kN/m；q0為直接頂?shù)钠骄d荷，kN/m；MA為巖梁在A′處的殘余彎矩，kN·m；MB為巖梁在B′處的殘余彎矩，kN·m；M0為直接頂對基本頂?shù)目箯潖澗兀琸N·m；x0為側(cè)向煤體內(nèi)極限平衡區(qū)寬度，m；a為沿空留巷寬度，m；b為巷旁支護體寬度，m；ΔSC為巖塊C在C′處的下沉量，m。

采用切頂卸壓方式進行留巷時，通過切頂增加了采空區(qū)冒落矸石的高度使矸石充滿采空區(qū)，取消了巷旁的混凝土砌塊，基本頂在采空區(qū)矸石和煤體的支撐下保持穩(wěn)定。

通過對圍巖進行受力分析，可以建立切頂留巷條件下的圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 切頂留巷力學(xué)模型

同理，采用靜力平衡法對巖塊B、C受力進行分析，解得F1為：

(12)

式中，F(xiàn)1為巷內(nèi)支護阻力，kN；F2為矸石提供的支撐力，kN；q為基本頂重量及其上覆軟弱巖層的平均載荷，kN/m；q0為直接頂?shù)钠骄d荷，kN/m；MA為巖梁在A′處的殘余彎矩，kN·m；MB為巖梁在B′處的殘余彎矩，kN·m；M0為直接頂對基本頂?shù)目箯潖澗?，kN·m；x0為側(cè)向煤體內(nèi)極限平衡區(qū)寬度，m；a為沿空留巷寬度，m；b為巷內(nèi)支護體與煤幫距離，m。

將式(11)和(12)對比分析可知，采用切頂方式進行留巷時，由于采空區(qū)矸石能夠提供足夠的支撐力F2，從而大大減弱了巷內(nèi)的支護阻力F1。

綜上可知，采用巷旁砌塊方式進行留巷時，并沒有改變基本頂破斷后相互鉸接而形成大結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，也就不能從根本上減弱巷內(nèi)的支護阻力需求；而采用切頂方式進行留巷時，由于人工干預(yù)增加了采空區(qū)垮落矸石高度，冒落的矸石能夠支撐斷裂的基本頂，從而改變了大結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減弱了其對巷內(nèi)支護的作用力，從而改變留巷過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

4 不同留巷方式下巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

4.1 巷內(nèi)礦壓監(jiān)測方案

巷內(nèi)主要對頂?shù)装逡平?、頂板離層量以及錨索受力進行監(jiān)測，砌塊留巷段以及切頂留巷段各布置3個測點，共6個測點，相鄰測點間距為100m。

其中頂?shù)装逡平坎捎萌斯な址ㄟM行測量，頂板離層采用雙基點離層儀監(jiān)測，其深基點6.5m，淺基點2.5m，錨索受力采用錨索測力計進行監(jiān)測。

4.2 巷內(nèi)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

對留巷過程中的頂板下沉及底鼓量進行統(tǒng)計，并繪制其隨工作面推進而演化的曲線，如圖8所示。從變形演化全過程來看，兩種留巷方式下的留巷頂?shù)装寰杞?jīng)歷劇烈變形和緩慢變形兩個階段后才能趨于穩(wěn)定。

圖8 留巷頂?shù)装遄冃吻€

從留巷頂?shù)装遄冃我?guī)律來看，采用砌塊方式進行留巷時，工作面后方0～150m范圍內(nèi)的頂?shù)装遄冃卧鲩L較快，為劇烈變形階段；工作面后方150～435m范圍內(nèi)頂?shù)鬃冃卧鲩L變緩；滯后工作面435m后頂板趨于穩(wěn)定，巷道底板則一直處于緩慢變形狀態(tài)。采用切頂工藝進行留巷時，工作面后方0～50m范圍內(nèi)的頂?shù)装遄冃卧鲩L較快，為劇烈變形階段；工作面后方50～160m范圍內(nèi)頂?shù)鬃冃卧鲩L變緩；滯后工作面160m后頂板趨于穩(wěn)定。

從最終的巷道變形情況來看，砌塊留巷條件下三個測點的頂板平均下沉量為222.3mm，切頂留巷條件下的三個測點的頂板平均下沉量為33.4mm，與前者相比降低了85%；砌塊留巷條件下三個測點的平均底鼓量為449.1mm，切頂留巷條件下的三個測點的頂板平均下沉量為52.6mm，與前者相比降低了88%。

除巷道頂?shù)装逡平客?，留巷過程中的錨索受力及頂板離層情況也是反映巷內(nèi)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的重要參數(shù)，不同留巷方式下的典型錨索受力及頂板離層曲線如圖9、圖10所示。從圖9、圖10可知，砌墻留巷條件下的巷內(nèi)錨索受力在工作面后方100m位置時達到最大值為60MPa，而切頂留巷條件下的巷內(nèi)錨索受力在滯后工作面50m位置后邊趨于穩(wěn)定，所受最大拉力為26MPa，相比前者降低了57%。從頂板離層情況來看，砌塊留巷條件下的最終頂板離層量約為104mm，而切頂留巷條件下的頂板離層量為17.2mm，相比前者降低了83%。

圖9 錨索受力曲線

圖10 頂板離層曲線

結(jié)合理論分析可知，由于切頂留巷條件下的巷道頂板能夠獲得采空區(qū)垮落矸石的支撐作用力，因此減少了留巷過程中的頂板下沉量及巷道穩(wěn)定時間，從而減弱了巷內(nèi)的支護作用力F1。因此，與砌塊留巷相比，切頂留巷的巷道的穩(wěn)定時間、最終變形量、錨索受力以及頂板離層量均顯著降低，所留巷道斷面良好，無需返修即可滿足復(fù)用需求。

5 結(jié) 論

1)砌塊留巷工藝分為“制-養(yǎng)-運-支-采-砌”六步，而切頂留巷僅需要“切-支-護-封”四步，能夠大大減弱了工人勞動強度，降低作業(yè)危險性。

2)相比巷旁砌塊留巷而言，切頂留巷條件下采空區(qū)垮落的矸石能夠有效支撐巷道上方的關(guān)鍵塊體，從而優(yōu)化塊體受力條件，減弱留巷過程中的巷內(nèi)礦壓顯現(xiàn)。

3)砌塊留巷條件下所留巷道在滯后工作面435m位置趨于穩(wěn)定，切頂留巷條件下所留巷道在滯后工作面160m的位置便趨于穩(wěn)定。

4)與砌塊留巷相比，切頂留巷條件下的巷道頂板下沉量降低了85%，底鼓量降低了88%，錨索最大受力降低了57%，頂板離層量降低了83%，所留巷道能夠很好的滿足復(fù)用需求。