金谷礦預(yù)裂切頂沿空留巷巷旁切頂阻力及支護(hù)方案確定

白亞光

（金谷煤業(yè)有限公司, 山西 古縣 055150）

0 引 言

無煤柱預(yù)裂切頂卸壓沿空留巷是我國煤炭資源安全高效回收的關(guān)鍵技術(shù)之一。將該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤礦井下，不僅能有效提高煤炭資源的回收率，緩解煤炭資源不足的問題，而且在巷道圍巖控制方面起到關(guān)鍵性的作用。

針對無煤柱沿空留巷頂板穩(wěn)定性控制問題，國內(nèi)眾多學(xué)者對此進(jìn)行了長期大量的研究。張光福等人[1]基于切頂沿空留巷的頂板斷裂構(gòu)造及其變形規(guī)律，建立了下切縫雙側(cè)懸臂梁和上切縫的斷裂力學(xué)模型。徐玉勝等[2]通過支護(hù)系統(tǒng)耦合壓力屈服分析確定了支護(hù)方案，在大采高沿空留巷工作面取得了良好的支護(hù)效果；針對傾斜煤層沿空留巷圍巖容易失穩(wěn)的問題，曹樹剛等[3，4]通過理論分析建立了其力學(xué)模型，得出了在留風(fēng)巷和機(jī)留巷中不同的巷幫支護(hù)阻力，并得出了不同煤層傾角地質(zhì)條件下混凝土材料支護(hù)的應(yīng)用范圍差異較大的結(jié)論，張東升等[5-7]基于“關(guān)鍵層”理論和充填變形機(jī)理，建立了綜放沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并對支架頂板質(zhì)量對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探討。

以上研究主要是針對頂板結(jié)構(gòu)、圍巖穩(wěn)定性，頂板力學(xué)機(jī)理等方面進(jìn)行研究。然而，關(guān)于預(yù)裂切頂沿空留巷巷旁切頂阻力及支護(hù)技術(shù)的研究相對較少；因此，本文結(jié)合該工作面地質(zhì)條件，通過理論分析求得巷旁切頂阻力，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行支護(hù)方案的設(shè)計(jì)并將其應(yīng)用與現(xiàn)場工程，并采用現(xiàn)場檢測的手段對巷道圍巖移動(dòng)變形進(jìn)行監(jiān)測，判斷并分析巷道支護(hù)效果。

1 工程概況

該礦按照10901→10902→10900→10903 的接替順序來回采，開采水平為+855 m 水平，目前主要開采9、10 號(hào)煤層，其中9 號(hào)煤層厚度為0.62～1.25 m，平均0.93 m。不含夾矸，頂板為K2 中厚層狀石灰?guī)r，下距10 號(hào)煤層0.58～3.80 m，平均1.37 m。10 號(hào)煤層厚度為0.74～2.85 m，平均1.40 m，含0～3 夾矸，頂板為泥巖，底板為粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。

2 預(yù)裂切頂沿空留巷技術(shù)原理

預(yù)裂切頂無煤柱沿空留巷開采技術(shù)，即沿采煤工作面一側(cè)的運(yùn)輸巷道頂板實(shí)施超前預(yù)裂，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采場頂板周期來壓，在頂板壓力的作用下，采空區(qū)頂板沿著預(yù)裂面切落，形成采空區(qū)頂板巖梁支護(hù)結(jié)構(gòu)，在頂板切落的同時(shí)，也大大減少了煤壁的支持壓力，成功地將回采工作面運(yùn)輸巷保留了下來，作為下區(qū)段回采工作面回風(fēng)巷，因此，利用預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)能夠有效控制沿空留巷頂板穩(wěn)定性[8]。預(yù)裂切頂卸壓沿空留巷如圖1 所示：

圖1 預(yù)裂切頂卸壓沿空留巷示意圖

該技術(shù)主要利用雙向集能裝置，實(shí)現(xiàn)巖石在設(shè)定方向光面爆破，形成頂板預(yù)裂面。聚能裝置模型如圖2（a）所示。炸藥引爆后，其產(chǎn)生的氣體和能量迅速膨脹，此時(shí)雙向聚能裝置可以瞬時(shí)抑制爆轟產(chǎn)物，迫使氣體能量從聚能小孔釋放，形成高能流對巖石進(jìn)行瞬時(shí)切割，是巖體產(chǎn)生微裂縫，為爆轟產(chǎn)物提供了卸壓空間[9]。炸藥引爆后產(chǎn)生壓應(yīng)力波在新生成的微裂隙中反射，從而形成拉應(yīng)力波。如圖2(b)所示，由于巖石具有耐壓怕拉的特性，在拉應(yīng)力波的作用下被拉伸形成平面，使得相鄰炮孔形成貫通，最終形成頂板預(yù)裂面，為采空區(qū)頂板的切落創(chuàng)造了條件。

圖2 雙向聚能裝置原理圖

3 巷旁切頂阻力及支護(hù)方案分析

3.1 巷旁切頂阻力

處于巷旁支護(hù)體外側(cè)的巖塊被切段后，使得預(yù)支護(hù)所控制的高度大大增加，達(dá)到平衡后巖層的最終沉降量減小。沿空留巷處于應(yīng)力降低狀態(tài)且頂板下沉量較小，支護(hù)體所受支承壓力也較小，因此，巷旁支護(hù)體必須具有高抗性和主動(dòng)支護(hù)。其實(shí)，巷旁支護(hù)在本質(zhì)上仍屬于被動(dòng)支護(hù)，只有當(dāng)頂板下沉?xí)r，才能產(chǎn)生支護(hù)阻力，所以在煤壁為固定邊界的情況下，很難及時(shí)切割頂板。在無需密閉采空區(qū)的薄煤層開采中，巷旁支護(hù)體必須提供主動(dòng)支護(hù)力，并沿巷道外側(cè)有效切斷頂板，以主動(dòng)形成沿外側(cè)破碎的側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)，這樣沿空留巷便可處于較低應(yīng)力煤巖體中。為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)選力學(xué)形態(tài)，有以下關(guān)鍵點(diǎn)。

1）提高實(shí)體煤幫抗彎彎矩：支護(hù)效果主要由實(shí)體煤側(cè)抗彎彎矩MA 反映，因此在考慮巷旁支護(hù)體支護(hù)時(shí)間、支護(hù)初撐力、增阻速度等力學(xué)性能的同時(shí)必須采取措施提高實(shí)體煤幫抗彎彎矩的大小。沿空留巷實(shí)踐中，在設(shè)置剛性較大的巷旁支護(hù)體的同時(shí)，必須通過對實(shí)體煤幫、肩角及巷道頂板超前加強(qiáng)支護(hù)，以確保沿空留巷側(cè)向頂板不沿實(shí)體煤幫內(nèi)部或煤幫邊界破斷，即頂板屬于固支邊界的時(shí)候，使巷旁支護(hù)阻力有效切頂。支護(hù)的切頂效應(yīng)可以提高早期支護(hù)控制的高度，減少巖層平衡后的最終沉降。若因未及時(shí)超前加固，沿空留巷側(cè)向頂板沿煤的實(shí)體內(nèi)部斷裂，頂板接近簡支情況，同樣的巷道邊幫支護(hù)，其切頂和支護(hù)效果也會(huì)大不相同。支護(hù)初期支護(hù)高度減小，初期頂板下沉量較大，巷旁支護(hù)壓力也較大。

2）強(qiáng)力切頂、高阻讓壓、主動(dòng)支撐：在采取有效措施加固煤壁后，還需要具有主動(dòng)支護(hù)性能的強(qiáng)大巷旁支護(hù)體，在煤壁為固定邊界時(shí)，及時(shí)頂破沿巷幫支護(hù)外側(cè)的側(cè)向頂板，其切頂強(qiáng)度計(jì)算通式為：

式（1）中，力學(xué)計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 中Mp為巖層極限彎矩；MA為巖層抗彎彎矩；Fc為C點(diǎn)巖層破斷塊產(chǎn)生的向下剪力；P為巷旁切頂阻力（N）；q為上覆巖層載荷（N/m3）；γ為巖層容重（N/m3）；h為巖層厚度（m）；a為巷道維護(hù)寬度（m）；L為巖層破斷特征尺寸（m）。

圖3 固定邊界下巷旁切頂阻力計(jì)算模型

沿巷道支護(hù)體側(cè)向切斷側(cè)向頂板后，矸石穩(wěn)定前的巖塊旋轉(zhuǎn)沉降是不可抗拒的，具有一定的變形特征。因此，支護(hù)必須有一定的收縮量才能滿足頂板旋轉(zhuǎn)下沉，純剛性的支護(hù)將被壓縮破壞。

當(dāng)巷道基本頂斷裂時(shí)，斷裂后形成的旋轉(zhuǎn)塊體較長，沿空留巷的空間承受較大壓力。為保證側(cè)向頂板未在巷旁側(cè)切斷而在巷內(nèi)斷裂時(shí)，所設(shè)計(jì)切頂支架仍能滿足要求。其最大可縮量應(yīng)能適應(yīng)頂板旋轉(zhuǎn)下沉，其最大支撐載荷應(yīng)能滿足給定變形下的最大載荷。及頂板載荷的要求。低位巖體無法抵抗頂板的旋轉(zhuǎn)下沉，僅僅能夠被動(dòng)承受壓縮下沉引起的劇烈壓力。根據(jù)圖4 得側(cè)向頂板在不同位置x 處的旋轉(zhuǎn)下沉量sx 為：

圖4 側(cè)向頂板頂板下沉計(jì)算模型

強(qiáng)力的切頂支架由采空區(qū)側(cè)邊緣及沿巷道走向的一組11 號(hào)礦用工字鋼和相鄰的單體液壓支柱組成。為了及時(shí)切頂，保證沿空留巷成功，巷道側(cè)切頂支護(hù)的最小支護(hù)阻力必須大于切頂阻力，即只有巷道側(cè)支護(hù)阻力大于式（3）計(jì)算的切頂阻力。

為了平衡采空區(qū)冒落煤矸石的側(cè)壓力，底部用鐵鞋連接，增加側(cè)向摩擦阻力，以平衡采空區(qū)煤矸石的側(cè)向壓力。隨著上覆頂板巖層的下沉，采空區(qū)落煤矸石經(jīng)歷了“非接觸- 接觸- 壓實(shí)”3 個(gè)過程。煤矸石被完全壓實(shí)后，頂板壓力傳遞至底板。根據(jù)廣義庫侖理論，有側(cè)壓力計(jì)算公式[10]。

式中：σα為豎直方向主動(dòng)壓力分布強(qiáng)度，kPa；γ0為矸石散體容重，kN/m3;Z為壓力點(diǎn)到基本頂高度；q0為豎直方向矸石墻分布的側(cè)向壓力；Ka 為主動(dòng)壓力系數(shù)；θ為冒落矸石內(nèi)摩擦角。

根據(jù)該礦的實(shí)際地質(zhì)、現(xiàn)場測量和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，得出了計(jì)算巷道支護(hù)切頂阻力所需的參數(shù)：L= 10.2 m，a = 3.8 m，hi= 0.45 m，m= 7 m，γ= 25 kN/m3，F(xiàn)cm=γhiL1= 96.33 kN，αi= 30°，取極限情況下，MPm=MA。

由以上分析結(jié)果，計(jì)算得到巷旁切頂阻力為460 kN。

3.2 單體輔助支護(hù)方案研究

沿空留巷期間巷內(nèi)單體輔助支撐示意圖，如圖5 所示。實(shí)際施工中，靠近采空區(qū)護(hù)幫腿與預(yù)裂鉆孔保持200 mm 的間距，防止頂板斷裂造成護(hù)幫腿處于采空區(qū)內(nèi)，失去頂部支撐作用。

圖5 沿空留巷期間巷內(nèi)單體輔助支撐示意圖

本支護(hù)方案采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁、十字鉸接頂梁加強(qiáng)頂板支撐，沿巷道布置5 排單體液壓支柱，支柱間距均600 mm。各排單體液壓支柱排距離見圖5，靠近固煤側(cè)的第1 排單體與第2 排單體之間的距離為1300 mm，主要用于物料運(yùn)輸?？拷鼘?shí)體煤側(cè)3 排單體液壓支柱配合鉸接頂梁（長1200 mm），采用“一梁兩柱”式布置。在靠近采空側(cè)2排單體液壓支柱配合十字鉸接頂梁（長600 mm）、采用“一梁一柱”式布置，以便于增加采空區(qū)側(cè)單體液壓支柱的穩(wěn)定性。靠近實(shí)體煤側(cè)的2 個(gè)單體初撐力為90 kN，靠近采空側(cè)的3 個(gè)單體初撐力為95 kN。

4 工程應(yīng)用分析

為了研究單體液壓支柱輔助支護(hù)方案的應(yīng)用效果，在10902 回風(fēng)巷內(nèi)采用巷道表面位移監(jiān)測手段，在該巷道內(nèi)每隔20 m 布置1 組位移監(jiān)測站，將觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后繪制圍巖移進(jìn)量- 工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖如圖6 所示。

圖6 圍巖移近量

由圖6 可知，工作面推進(jìn)0～80 m 范圍內(nèi)，巷道圍巖受開采影響，圍巖變形迅速增大。在工作面推進(jìn)80～170 m 時(shí)，采空區(qū)垮落的巖石被逐漸壓實(shí)，巷道圍巖變形增長速率逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)170 m后，頂板下沉量、兩幫變形量、底鼓量變化量趨于穩(wěn)定。最終，由監(jiān)測結(jié)果可知，巷道頂板最大下沉量約99 mm，底鼓約151 mm，采空區(qū)側(cè)向變形約122 mm，實(shí)體煤幫變形量約90 mm，頂、底板收縮率10.6 %，兩幫收縮率4.68 %，滿足沿空留巷圍巖控制要求，由此可見，采用單體輔助支護(hù)方案是行之有效的。

5 結(jié) 語

1）結(jié)合工作面地質(zhì)條件，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，分析了采煤工作面沿空留巷巷旁切阻力計(jì)算模型。通過計(jì)算，巷道旁的切頂阻力為460 kN。

2）在巷旁切頂阻力為460 kN 的條件下，對沿空留巷巷旁單體支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。將該方案應(yīng)用到井下工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平慷荚诤侠矸秶鷥?nèi)，滿足下一個(gè)工作面的生產(chǎn)要求。