緩傾斜厚煤層回風巷切頂成巷技術應用研究

馬新根，李偉東，汪義龍，孫學偉，劉 煜，孫曉虎，李永元，沙興鋒，顧雷雨

(1.華能煤炭技術研究有限公司，北京 100070；2.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3.龍煤集團益新煤礦有限公司，黑龍江 鶴崗 037000；4.中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048)

在世界工業(yè)發(fā)展中，煤炭是重要的能源和化工原料，具有極其重要的戰(zhàn)略地位[1，2]。然而隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，災害、環(huán)保等問題日益增加，煤炭資源的高效開發(fā)和利用已成為該行業(yè)的主要研究突破方向[3，4]。為提高井工煤炭采出率，何滿潮院士基于傳統(tǒng)的長壁開采工法，于2009年提出了切頂卸壓無煤柱自動成巷開采技術，真正實現(xiàn)了無煤柱、無充填體沿空留巷，經(jīng)過十余年的發(fā)展革新，該技術已積累了相當?shù)睦碚摵蛯嵺`經(jīng)驗[5，6]。

為進一步拓展該技術的適用地質(zhì)條件，本研究對緩傾斜厚煤層拱形上巷切頂留巷進行研究。傾斜及緩傾斜煤層的礦壓分布與近水平煤層有較大差別，曹樹剛通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，傾斜煤層條件下工作面頂板垂直作用于液壓支架上的分力減小，而沿煤層傾斜方向的分力增加[7]；尹光志在對大傾角煤層采場圍壓分布進行研究后進一步指出，傾斜煤層工作面頂板應力分布具有高度的不均勻、不對稱性，下巷圍巖應力集中往往大于上巷[8]；黃建功對傾斜煤層頂板運動結果進行分析，發(fā)現(xiàn)與近水平煤層相比，除了走向方向上的周期性頂板垮落外，傾斜煤層頂板還具有沿煤層傾斜方向的滑動運動，這是造成采場應力分布更為復雜的根本原因[9]。緩傾斜煤層條件下的切頂成巷應用研究對于該技術的應用拓展具有較大意義，其中，傾斜及緩傾斜煤層下巷切頂留巷已在福城煤礦、金鳳煤礦取得了成功應用，而上巷切頂留巷的尚未有工程先例[10，11]。此外，本研究以益新煤礦43073工作面作為工程實例，試驗工作面頂板較為破碎，巷道采用拱形巷道斷面設計，這對切頂成巷條件下的采場圍壓分布、支護及擋矸工序都有較大影響。

1 工程概況

龍煤集團益新煤礦43073工作面位于鶴崗煤田三水平北一石門7#層三段，工作面走向長度400m，傾向長度170m，其布置平面如圖1(a)所示，工作面基本參數(shù)見表1，頂板巖性柱狀圖如圖1(b)所示?？梢娫撛囼灩ぷ髅鎸儆诤衩簩?采高3.6m)、緩傾斜煤層(平均傾角18°)開采。試驗工作面采用綜合機械化采煤法進行回采，留巷試驗巷道為43073工作面輔運巷道，留巷段長380m，相鄰工作面后續(xù)擬利用該巷道留巷段作為運輸巷道進行反向回采[16]。

圖1 43073工作面平面圖及頂板巖性柱狀

表1 益新煤礦43073工作面基本參數(shù)表

在試驗留巷巷道的掘進初期，以梯形斷面結合錨網(wǎng)索支護進行掘進作業(yè)；后發(fā)現(xiàn)煤層頂板破碎嚴重，矩形巷道在圍壓下變形較大，對后續(xù)使用存在較大安全隱患，因此將巷道斷面改為半圓拱，支護形式改為U型棚支護。在留巷過程中，需根據(jù)巷道斷面形狀的改變對巷內(nèi)臨時支護做出相應調(diào)整。43073工作面回采巷道斷面如圖2所示。

圖2 43073工作面回采巷道斷面(mm)

2 切頂卸壓自成巷技術

切頂卸壓自成巷技術原理如圖3所示[12]，該技術的核心在于通過頂板定向預裂爆破切縫切斷巷道頂板和采空區(qū)頂板之間的應力傳遞，利用采空區(qū)頂板的垮落碎脹對采空區(qū)形成充填，進而對覆巖形成有效支撐[13]。

圖3 切頂卸壓自動成巷技術原理

近水平煤層與傾斜煤層切頂成巷對比如圖4所示，留巷完成時，采空區(qū)矸石堆壓實對覆巖起到支撐作用，矸石堆對圍巖的主要作用力有：①對頂板的作用力F1，②對切縫面的作用力F2，③對擋矸支護的作用力F3。

圖4 近水平煤層與傾斜煤層切頂成巷對比

通過頂板垮落運動分析可知，運輸巷切頂留巷條件下，采空區(qū)垮落矸石會以自然安息角向留巷方向堆積；而回風巷切頂留巷條件下，采空區(qū)頂板垮落矸石會以自然安息角向留巷相反方向聚集堆積。因此，在相同設計及地質(zhì)條件下，切頂垮落過程中，下巷留巷切頂面受力作用要強于水平煤層條件，而運輸巷留巷切頂面受力作用要弱于水平煤層條件；留巷穩(wěn)定后，下巷留巷矸石堆對圍巖的支撐作用要強于水平煤層條件，而上巷留巷矸石堆對圍巖的支撐作用要弱于水平煤層條件。

3 切頂卸壓設計及效應

3.1 切頂關鍵參數(shù)設計

切頂關鍵參數(shù)主要包含切頂高度和切頂角度，近水平條件下二者的設計方法已經(jīng)相對完善，而在傾斜煤層條件下，二者設計還應在原設計方式上進行適當調(diào)整以適應地質(zhì)條件的特殊性。

3.1.1 切頂高度設計

根據(jù)切頂留巷的采空區(qū)碎脹充填理論，切頂高度設計如圖5所示。若切頂范圍內(nèi)共有m層巖層，則切頂高度應滿足[17]：

HF=M/(Kp-1)

(1)

式中，HF為留巷的頂板定向爆破切縫高度，m；M為煤層厚度，m；Kp為留巷巷道的頂板碎脹系數(shù)。

圖5 切頂高度設計

傾斜煤層運輸巷留巷條件下，由于頂板垮落矸石會向留巷側堆積，因此切頂高度可以適當降低，以在保證留巷側采空區(qū)有效充填的基礎上適當減弱擋矸支護壓力；而在傾斜煤層上巷留巷條件下，由于頂板垮落矸石會向遠離留巷側堆積，因此切頂高度應適當增加，以保證留巷側采空區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)有效充填。根據(jù)試驗礦井實際地質(zhì)條件，碎脹系數(shù)Kp取值1.4，忽略頂板下沉和底鼓變形，由式(1)計算得到切頂高度為9.0m。對比頂板巖性柱狀圖可知，9.0m切頂端部位于中砂巖層，該巖層能夠為錨索提供穩(wěn)定錨固段，因此維持該設計高度即可。

目前大港主力油田均已進入二次開發(fā)階段，再依靠大規(guī)模的打新井來提高采收率，效果越來越差，邊際效應明顯；而三次采油在油田實施規(guī)模很小，技術適應性差，還遠遠不到大規(guī)模推廣的時候。

3.1.2 切頂角度設計

切頂角度的設計公式為[18，19]：

式中，L為留巷的基本頂巖塊橫向斷裂長度，m；h為基本頂?shù)暮穸龋琺；ΔS為關鍵巖塊B的下沉變形量，m；φ′為巖塊間的摩擦角，(°)。

根據(jù)上述受力分析，為盡可能的減小切頂作業(yè)量、縮短切頂懸臂梁長度，可選取關鍵塊失穩(wěn)角度的下限作為設計切頂角度。此外，傾斜煤層下巷留巷條件下，在切頂高度適當降低的基礎上，也可適當增大切頂角度，進一步減緩擋矸壓力，同時也有利于留巷側采空區(qū)的充填；而傾斜煤層上巷留巷條件下，在切頂高度適當增加的基礎上，切頂角度可在不影響巷道頂板支護的前提下適當減小，以進一步增加切落頂板體積，更有利于留巷側采空區(qū)的充填。于式(2)代入試驗工作面相關參數(shù)，h=5.50m、ΔS=2.28m、L=10m，φ′= 45°，計算得到切頂角度為12.2°，為增加切落矸體對采空區(qū)的填充能力，并考慮現(xiàn)場施工可行性，最終采用切頂角度為10°。

3.2 切頂效應分析

根據(jù)試驗工作面頂?shù)装鍡l件及切頂設計，采用FLAC3D軟件進行建模模擬， 驗證切頂卸壓效應。設計構建三維數(shù)值模擬模型如圖6所示，模型尺寸為200m×100m×60m，巖層自下而上分別為粗砂巖、泥巖、煤層、粉砂巖、細砂巖、中礫巖、中砂巖、砂巖，各巖層參數(shù)見表2。

圖6 數(shù)值模擬三維模型

表2 各巖層巖性參數(shù)

未切頂與切頂條件下采場圍巖應力及位移數(shù)值模擬結果如圖7所示?？梢?，未切頂條件下留巷實體煤側應力集中峰值達到79.0MPa、頂板最大下沉量為0.13m，而切頂條件下留巷實體煤側應力集中峰值僅為68.9MPa、頂板最大下沉量為0.09m?？梢娫撉许斣O計在試驗工作面地質(zhì)條件下具有較好的切頂卸壓效果，頂板切縫在一定程度上切斷頂板應力傳遞后，實體煤側應力集中峰值顯著降低，巷道圍巖的應力分布得到優(yōu)化，切頂后留巷圍巖變形量更小、更容易維護，對于留巷成巷支護具有相當?shù)脑鲆嫘Ч?/p>

圖7 數(shù)值模擬結果

4 適應性技術

在上述切頂設計的基礎上，于益新煤礦43073工作面進行緩傾斜厚煤層拱形斷面上巷切頂成巷技術應用試驗，為保證試驗成功，現(xiàn)場應用過程中需結合雙向聚能張拉爆破、恒阻大變形錨索支護、擋矸支護以及防滑支護等適應性配套技術。

4.1 頂板切縫技術

在緩傾斜煤層上巷切頂留巷過程中，頂板切縫仍需采用雙向聚能張拉爆破技術實現(xiàn)[6]。聚能管單根規(guī)格為?36.5mm×L1500mm，聚能管內(nèi)的藥卷填裝數(shù)量、結構，以及炮孔間距等參數(shù)均需通過現(xiàn)場爆破試驗進行確定。試驗工作面通過單孔爆破試驗確定爆破孔裝藥結構為43210，封泥長度為2m，即每孔填裝五根聚能管，最后一根聚能管截斷為1m長，從頂至底每根聚能管分別裝藥4卷、3卷、2卷、1卷、0卷；通過留巷頂板的間隔孔爆破現(xiàn)場試驗確定炮孔的最優(yōu)間距為500mm。

4.2 補強支護技術

根據(jù)以往實踐經(jīng)驗，益新煤礦43073工作面的補強支護裝備仍選用恒阻值350kN、錨固力450kN、預緊力280kN的恒阻大變形錨索[20，21]。結合切頂高度設計，可將試驗工作面錨索長度設計為11m，支護強度可按懸吊理論結合現(xiàn)場實際進行設計，并根據(jù)試驗段試驗及應力、應變監(jiān)測進行驗證[22]。

根據(jù)43073工作面頂板巖性，最終設計43074工作面留巷錨索支護布置方案如圖8所示。巷道中部以間距800mm布置一列恒阻錨索，切縫側以間距1200mm、400mm布置一列恒阻錨索，其中切縫側每1200mm間距兩根錨索采用鋼梁進行連接，并以此對U型棚進行進一步固定。此外，除頂板恒阻錨索補強支護外，在留巷工作面超前影響區(qū)及架后留巷尚未穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)以往留巷經(jīng)驗，采區(qū)單體支柱對其進行臨時補強支護，當留巷穩(wěn)定后可對該臨時支護進行回撤。

圖8 留巷切頂及支護設計(mm)

4.3 擋矸支護技術

考慮到傾斜煤層、緩傾斜煤層上巷留巷的采空區(qū)矸石反向堆積作用，該條件下?lián)蹴分ёo強度要求相對較低[10]。此外，由于益新煤礦試驗工作面留巷采用36U型鋼進行支護，U型鋼本身就具有擋矸和讓壓變形功能，因此該試驗巷道僅需在該支護基礎上進行補充擋矸支護設計即可。

走向撐木加固設計如圖9所示，首先，為防止頂板垮落矸石沖入留巷巷道，同時為保證碎石幫成形，工作面回采后于U型鋼外側鋪設一層鋼筋網(wǎng)；其次，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)在受到頂板冒落矸石沖擊作用后，U型鋼容易沿巷道走向方向發(fā)生錯動，因此將相鄰U型鋼采用撐木進行連接，以增強U型鋼的整體擋矸能力；最后采用擋矸壓力盒實時對U型鋼擋矸壓力進行監(jiān)測，一方面對碎石幫的形成階段進行判別，另一方面也可為擋矸支護提供調(diào)整優(yōu)化依據(jù)。

圖9 走向撐木加固設計(mm)

4.4 防滑支護技術

初期留巷過程中發(fā)現(xiàn)，留巷初始進入采空區(qū)階段，由于巷道上幫測壓較大、下幫鄰空，U型鋼支護出現(xiàn)整體沿煤層傾向下滑的現(xiàn)象，最大下滑至可達0.8m，大大降低了留巷斷面尺寸效果。為解決該問題，增加U型鋼防滑支護，即對每架U型棚增加一根單體支護沿煤層傾角方向?qū)ζ溥M行支護，當碎石幫形成、留巷穩(wěn)定、U型棚倆側受力趨于平衡時，在對該防滑支護進行回撤即可。

5 現(xiàn)場應用效果

5.1 留巷效果

切頂成巷完全穩(wěn)定后，對巷內(nèi)臨時支護設備進行回撤，現(xiàn)場留巷效果如圖10所示。留巷全程，持續(xù)采用十字測點法對巷道斷面變形進行記錄觀測，觀測結果如圖11所示。

圖10 現(xiàn)場留巷效果

圖11 130m進尺處巷道變形監(jiān)測結果

根據(jù)監(jiān)測結果可知：①留巷底鼓最終變形量為143mm，頂板下沉最終變形量為218mm，頂?shù)装逡平罱K變形量為361mm，頂板下沉與底鼓變化趨勢基本相同，架后207m后留巷頂?shù)装逡平兓呌诜€(wěn)定；②工作面架后226m后，留巷的兩幫移近變形量最后穩(wěn)定于280mm，其中留巷初始階段兩幫移近變形的主要來源是實體煤幫的移近變形，之后隨著碎石幫的壓實穩(wěn)定，逐漸開始承擔覆巖壓力，留巷兩幫變形的主要來源轉(zhuǎn)變?yōu)閾蹴穫鹊囊平?。該巷道最終留巷斷面高度不小于1892mm、寬度不小于4320mm，留設尺寸能夠為后續(xù)復用提供必要支承。

5.2 卸壓效果

為對留巷過程中的切頂卸壓效果進行評價，針對試驗工作面的典型液壓支架進行工作阻力監(jiān)測。本試驗分別選取未切縫側1#架、切縫側100#架作為監(jiān)測對象，監(jiān)測結果如圖12所示。

圖12 液壓支架循環(huán)末阻力監(jiān)測結果

來壓步距、壓力統(tǒng)計見表3。根據(jù)統(tǒng)計、分析可知，受到頂板切縫影響，留巷側頂板的周期來壓步距比未切縫側大，平均增幅為3m，但來壓壓強降低，平均來壓壓強降低1.4MPa、峰值來壓強度降低6.8MPa，最大卸壓比為17.48%，切頂卸壓效果較為明顯。

表3 工作面液壓支架循環(huán)末阻力統(tǒng)計表

6 結 論

1)在對傾斜及緩傾斜煤層切頂卸壓技術應用難點進行分析的基礎上，針對益新煤礦緩傾斜厚煤層拱形斷面上巷切頂留巷進行設計，設計得到切頂高度為9m，切頂角度為10°，并采用數(shù)值模擬方法對該設計的切頂卸壓效果進行了驗證。

2)對緩傾斜煤層上巷切頂成巷適應性技術進行總結，包含頂板切縫技術、補強支護技術、擋矸支護技術及防滑支護技術等，并以益新煤礦試驗工作面為例，對各項適應性技術的關鍵參數(shù)進行設計。

3)在益新煤礦43073工作面成功進行了緩傾斜厚煤層上巷切頂卸壓自動成巷試驗，并通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，留巷整體變形量較小，可以滿足相鄰工作面復用需求，同時通過工作面礦壓監(jiān)測對比，實地驗證了切頂卸壓效果。