切頂卸壓沿空留巷工作面支護技術(shù)研究

左 凱

（雁崖煤業(yè)大同有限公司， 山西 大同 037000）

引言

煤炭資源作為我國最為重要的能源形式之一，其每年的產(chǎn)量及消耗量均位居世界第一。近年來，我國提出利用清潔能源代替化石能源的口號，但由于我國經(jīng)濟發(fā)展及人口基數(shù)等問題，在未來很長一段時間內(nèi)，煤炭在我國能源體系中占據(jù)的主體地位不可動搖。沿空留巷是指采用一定的技術(shù)將上一區(qū)段的順槽重新支護從而用于下個工作面開采的技術(shù)，但在沿空留巷過程中，常常會出現(xiàn)由于巷覆巖自重等原因造成的巷道大變形現(xiàn)象，所以對沿空留巷穩(wěn)定性研究是十分重要的[1-2]。目前針對頂板問題常見的方法為爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓、靜力切頂卸壓，但在切頂卸壓過程中，由于切頂參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致未達到理想切頂效果的情況屢有發(fā)生。所以針對此問題，本文利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂參數(shù)下巷道圍巖變形情況進行分析，從而得出最佳切頂參數(shù)[3-4]，同時根據(jù)實際地質(zhì)情況，給出相應(yīng)支護方案，為沿空留巷的成功支護提供一定的參考。

1 切頂穩(wěn)定性分析

在煤層開采結(jié)束后，頂板巖層會經(jīng)歷壓實、分離等運動，此時基本頂?shù)年P(guān)鍵塊會形成梁拱結(jié)構(gòu)。在巖塊運動中，此時關(guān)鍵塊失去側(cè)向約束，由于水平方向無約束使得巖塊的自重施加于覆巖上，此時懸臂梁長度越大，煤體及巖層受到的載荷就越大，能量聚集也就越大，根據(jù)平衡方程可知：

式中：γi為基本頂及上方軟弱巖層體積力，kN；hi為基本頂及上方軟弱巖層第i 層厚度，m；B 為煤柱的寬度，m；L 為基本頂懸臂梁的長度，m；w 為沿空巷道的寬度，m；x0為基本頂斷裂線距離沿空留巷的距離，m。

依據(jù)關(guān)鍵層理論，由于軟弱巖層的承載能力較弱且自身強度較小，無法有效形成鉸接結(jié)構(gòu)，下方覆巖復(fù)雜、承載上方自重，老頂懸臂長度越大，懸臂結(jié)構(gòu)的下沉量也就越大。根據(jù)變形的相關(guān)特征，沿空留巷的頂板下沉最大量可以根據(jù)式（1）求得：

式中：c 為頂板下沉最大量；m、s 為基本頂和軟弱層的厚度。

根據(jù)式（1）可以看出，隨著懸臂長度的增大，頂板對巷道圍巖的載荷也就越大，此時由于巷道支撐能力不足使得頂板下沉也就越大，所以為了保證巷道頂板下沉及巷道圍巖的變形，需要對巷道的頂板懸臂長度進行減短，以此來保證巷道的穩(wěn)定性。同時當預(yù)裂懸臂長度較小時，此時需求的工程成本會有所上升，當預(yù)裂懸臂長度較大時，巖塊間會形成梁拱結(jié)構(gòu)，無法直接垮落，所以合理的切頂高度對巷道穩(wěn)定性的保證十分重要。

2 數(shù)值模擬研究

利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂高度下巷道圍巖變形情況進行分析，選用UDEC 軟件進行模型建立，對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時在模型巷道位置進行細劃分，在模型邊界進行粗劃分，確保計算精度的同時保證計算速度，完成模型網(wǎng)格劃分后對物理參數(shù)設(shè)定，對切頂高度4 m、8 m、12 m、16 m 下巷道圍巖變形進行模擬研究，匯總不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度下巷道圍巖變形分析

由圖1 可以看出，不同切頂高度下巷道左幫變形量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢，當切頂高度為4 m 時，此時左幫移近量為0.234 m；當切頂高度為16 m 時，此時巷道左幫移近量為0.182 m。巷道右?guī)碗S著切頂高度的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，當切頂高度為12 m 時，巷道右?guī)妥冃瘟孔钚?.288 m。觀察不同切頂高度下巷道頂板及底板變形曲線可以看出，隨著切頂高度的增大，巷道頂板及底板位移量均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，當切頂高度為4 m 時，此時巷道頂板及底板變形量分別為0.4 m、0.265 m；而當切頂高度為16 m 時，此時巷道頂板及底板變形量分別為0.255 m、0.2 m；但當切頂高度大于8 m 時，此時巷道頂板及底板變形量變化趨勢有所下降。綜合分析不同切頂高度下巷道圍巖變形情況后，確定最佳切頂高度為12 m。

對不同切頂角度下巷道圍巖變形量進行分析，選定切頂角度分別為0°、3°、6°、9°、12°進行模擬研究，本文僅展示切頂角度為9°下巷道圍巖應(yīng)力、變形云圖如圖2 所示。

圖2 切頂角度9°下巷道圍巖應(yīng)力變形云圖

從圖2 可以看出，當切頂角度為9°時，此時模型的應(yīng)力集中區(qū)域距沿空留巷巷幫十分遠，此時對巷幫支護影響較小，模型應(yīng)力集中距離巷幫的距離約為7 m，巷道的垂直應(yīng)力最大值為11 MPa，模型內(nèi)部存在明顯的卸壓區(qū)，卸壓區(qū)的最大應(yīng)力值為8 MPa。同時根據(jù)垂直位移云圖可以看出，巷道垂直位移量為300 mm，在此切頂卸壓角度下巷道圍巖變形量控制量最佳，所以最佳切頂角度為9°。

3 切頂卸壓實踐

在確定最佳切頂角度9°、最佳切頂高度12 m后，進行切頂卸壓實踐，巷道支護方案如下：錨索采用“二二”布置方式，錨索尺寸Φ15.2 mm×7 200 mm，錨索托盤采用弧形托盤，尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。錨索采用一支MSCK2360 和兩支MSK2360 進行錨固，設(shè)定錨索預(yù)緊力為120 kN。錨桿采用Φ18 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm、800 mm，每排4 根。每支錨桿采用一支MSCK2360 樹脂錨固劑進行錨固。錨固力不得小于80 kN，錨索的扭矩設(shè)定為150 N·m。錨桿采用方形拱托盤，方形托板尺寸120 mm×120 mm×10 mm，同時巷道采用菱形金屬網(wǎng)護幫，網(wǎng)片網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm，相鄰網(wǎng)孔用雙股14 號鐵絲綁扎，巷道支護斷面如圖3 所示。

圖3 巷道支護斷面圖（單位：mm）

對切頂卸壓后的巷道圍巖變形進行分析，巷道圍巖變形監(jiān)測曲線如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線

從圖4 可以看出，隨著監(jiān)測天數(shù)的增加，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，在監(jiān)測天數(shù)為0～5 d 時，此時圍巖變形量呈現(xiàn)快速增長趨勢，巷道圍巖變形量大多來源于此階段；當監(jiān)測天數(shù)為5～15 d時，此時巷道圍巖變形量緩慢增加，增長趨勢較為平緩；當監(jiān)測天數(shù)為15 d 后，在此階段巷道圍巖變形量幾乎達到平穩(wěn)，只存在微小的增長，對于整體變形來說幾乎可以忽略不計。綜合分析可以看出，巷道頂板下沉量為31 mm，巷道底鼓量為28 mm，巷道兩幫的移近量為36 mm。由此可以看出，經(jīng)過切頂卸壓后巷道圍巖變形量明顯較小，巷道圍巖變形整體處于可控狀態(tài)，切頂卸壓沿空留巷方案成功。

4 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂高度下巷道圍巖變形量進行分析發(fā)現(xiàn)，當切頂高度為12 m 時，此時巷道圍巖變形量綜合比較最佳。

2）利用數(shù)值模擬對不同切頂卸壓角度下巷道垂直應(yīng)力變形云圖進行分析發(fā)現(xiàn)，當切頂卸壓角度為9°時，此時巷道圍巖變形控制量最佳。

3）在確定切頂方案及支護方案后進行切頂卸壓實踐，發(fā)現(xiàn)切頂后巷道頂板下沉量為31 mm，巷道底鼓量為28 mm，巷道兩幫的移近量為36 mm，變形整體處于可控狀態(tài)，切頂卸壓沿空留巷方案成功。