堅(jiān)硬頂板切頂巷道變形特征及其控制方法研究

李江龍

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

近年來(lái)，隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)煤柱開(kāi)采工藝在礦山得到了廣泛應(yīng)用，該技術(shù)在緩解礦山采掘銜接緊張、高效回收煤炭資源方面做出了巨大貢獻(xiàn)[1-3]。對(duì)于無(wú)煤柱回采，工作面巷道往往采取沿空留巷方式，這就對(duì)巷道的穩(wěn)定提出了更高的要求。隨回采工作面推進(jìn)如何保障工作面巷道的穩(wěn)定性，一直是采礦學(xué)者們研究的重點(diǎn)[4-6]。

在這方面研究中，李雁等[7]分析了沿空巷道變形破壞機(jī)理，提出高強(qiáng)高預(yù)緊力錨桿(索)+W寬鋼帶的大斷面沿空巷道圍巖強(qiáng)化支護(hù)技術(shù)；趙志研[8]研究了巷旁充填體參數(shù)對(duì)沿空留巷圍巖控制的影響，提出了沿空留巷錨桿不對(duì)稱(chēng)支護(hù)方案；李春意等[9]構(gòu)建了能夠反映沿空巷道受初次采動(dòng)圍巖形變規(guī)律的回歸函數(shù)模型，探究了充填體上方頂板巖層的應(yīng)力傳遞規(guī)律；張永杰[10]對(duì)郭莊煤礦3308工作面巷旁支護(hù)、待澆筑空間圍護(hù)以及沿空留巷臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行了研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，支護(hù)方案穩(wěn)定性符合要求。

綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于沿空巷道穩(wěn)定的研究主要集中在普通頂板條件巷道支護(hù)技術(shù)及圍巖變形規(guī)律，對(duì)于堅(jiān)硬頂板條件下切頂巷道變形特征及其控制方法有待進(jìn)一步研究。為此，本文以山西某礦堅(jiān)硬頂板條件沿空巷道為工程背景，對(duì)巷道變形特征及其控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究成果可為類(lèi)似工程條件的礦山巷道變形控制提供工程指導(dǎo)與借鑒。

1 工程概況

某煤礦主采3號(hào)煤層，煤層傾角2～7°，平均傾角4°，煤層厚度為2.7～3.8 m，平均厚3.3 m，煤層中還有1～2層夾矸，煤層埋深355～403 m，采用綜合機(jī)械化采煤技術(shù)，全部垮落法管理頂板，年產(chǎn)量1 200萬(wàn)t.煤層直接頂為泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，基本頂上方主要為中砂巖，屬于典型的堅(jiān)硬頂板條件；煤層直接底為泥巖，基本底為粉砂巖，煤巖體綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀

目前3號(hào)煤層主要回采3104工作面，工作面傾向長(zhǎng)135 m，走向長(zhǎng)650 m，工作面回風(fēng)巷道為寬×高=5.0 m×3.3 m的矩形斷面，采取錨桿+金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)?；夭蛇^(guò)程中，對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷。由于煤層頂板堅(jiān)硬，隨回采工作面推進(jìn)，其后方采空區(qū)不能及時(shí)垮落，致使支架后方存在大范圍的懸頂情況；同時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，導(dǎo)致巷道底板及兩幫變形嚴(yán)重，對(duì)工作面安全回采造成一定程度的威脅。為解決工作面回采過(guò)程中存在懸頂及巷道變形難題，計(jì)劃實(shí)施切頂卸壓方法，這就需要研究堅(jiān)硬頂板切頂巷道變形特征，據(jù)此提出可靠的巷道變形控制方法。

2 切頂對(duì)巷道變形影響分析

2.1 切頂對(duì)巷道頂板變形影響

對(duì)沿空巷道實(shí)施切頂后，位于切頂側(cè)頂板巖體會(huì)形成短臂梁結(jié)構(gòu)，切頂巷道頂板的變形主要受控于塊體B的變形程度，由此構(gòu)建巷道頂板下沉分析模型，如圖2所示。

圖2 切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)

在懸臂梁作用下，巷道頂板沉降量最大位置位于切縫側(cè)，此時(shí)切頂后方頂板最大沉降量表達(dá)式如下[11]：

(1)

式中：u1為塊體B沉降穩(wěn)定后，切頂端部下沉量，m；l1為近巷道側(cè)煤體內(nèi)部應(yīng)力極限平衡寬度，m；l2為巷道寬度，m；L1為塊體B破斷長(zhǎng)度，m.

其中：

u1=h1-h2(kc-1)

(2)

式中：h1為煤層厚度，m；h2為切頂高度，m；kc為采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)。

近巷道側(cè)煤體內(nèi)部應(yīng)力極限平衡寬度表達(dá)式如下：

(3)

式中：λ為側(cè)壓力系數(shù)；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖容重，kN/m3；H為煤層埋藏深度，m；c為煤體內(nèi)聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；P為煤體支護(hù)強(qiáng)度，MPa.

塊體B破斷長(zhǎng)度表達(dá)式如下：

(4)

式中：L為頂板周期來(lái)壓步距，m；L0為工作面長(zhǎng)度，m.

切頂前周期來(lái)壓步距表達(dá)式如下：

(5)

式中：h3為關(guān)鍵層厚度，m；Q為關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度，MPa；q為未切頂時(shí)關(guān)鍵層對(duì)下部覆巖層施加載荷，MPa.

切頂后周期來(lái)壓步距表達(dá)式如下：

(6)

式中：q1為切頂后采空區(qū)矸石對(duì)覆巖施加載荷，MPa.

通過(guò)公式(4)～(6)可以看出，切頂后周期來(lái)壓步距要比切頂前小，塊體B的破斷長(zhǎng)度隨之減小，即切頂卸壓有利于減小懸頂長(zhǎng)度，縮短周期來(lái)壓步距。當(dāng)煤巖體力學(xué)參數(shù)及切頂高度一定時(shí)，結(jié)合公式(1)～(3)，頂板塊體B破斷長(zhǎng)度減小后，切頂后方頂板最大下沉量隨之增加，有利于切頂后方頂板充分垮落，減小懸頂高度，保障沿空巷道的穩(wěn)定性。

2.2 切頂對(duì)巷道煤幫變形影響

受工作面回采應(yīng)力擾動(dòng)影響，切頂巷道煤幫側(cè)一定深度位置的煤層達(dá)到應(yīng)力極限平衡，此時(shí)巷道煤幫側(cè)變形量表達(dá)式如下[12]：

(7)

式中：ks為煤與頂板界面切向剛度系數(shù)；E為煤體彈性模量，GPa.

通過(guò)公式(7)可以看出，煤幫側(cè)的變形量受多種因素的影響，當(dāng)巷道埋深與采高一定時(shí)，此時(shí)巷道煤幫側(cè)變形主要受煤體彈性模量影響。對(duì)巷道實(shí)施切頂卸壓后，可以部分切斷采空區(qū)頂板對(duì)巷道煤幫的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，提高煤幫側(cè)煤體的彈性模量及應(yīng)力承載能力，由此限制巷道煤幫變形的發(fā)展。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步研究堅(jiān)硬頂板切頂巷道應(yīng)力及位移變化特征，以該礦3104工作面回采為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)工作面巷道切頂前后應(yīng)力及位移變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。構(gòu)建的數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200 m×100 m×60 m，模擬巷道斷面為5.0 m×3.3 m，模型采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，對(duì)模型四周及底面進(jìn)行位移約束，模型頂部施加載荷等效于上覆巖層容重，數(shù)值模擬用煤巖體力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1.

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

巷道切頂前后垂直應(yīng)力變化情況如圖3所示。切頂前巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力集中顯現(xiàn)強(qiáng)烈，在煤幫側(cè)距巷道約3 m深度的煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力最高可達(dá)12.5 MPa，不利于煤幫的穩(wěn)定；同時(shí)，工作面上方頂板在13.5 m深度位置垂直應(yīng)力最高可達(dá)6.6 MPa，不利于頂板穩(wěn)定。切頂后巷道煤幫側(cè)垂直應(yīng)力集中顯現(xiàn)范圍明顯減小，在煤幫側(cè)距巷道約5 m深度的煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力最高為10 MPa，可以一定程度上提高巷道煤幫側(cè)煤體的穩(wěn)定性；同時(shí)，在切頂范圍內(nèi)的頂板巖層卸壓區(qū)域延伸至20 m，垂直應(yīng)力達(dá)2.5 MPa，切頂卸壓效果顯著。

圖3 切頂前后垂直應(yīng)力云圖

巷道切頂前后垂直位移變化情況如圖4所示。切頂前巷道頂板垂直位移最高達(dá)620 mm，工作面后方頂板垂直位移最高達(dá)1 750 mm；切頂后巷道頂板垂直位移最高達(dá)75 mm，工作面后方頂板垂直位移最高達(dá)240 mm；與切頂前相比，巷道及工作面后方頂板垂直位移分別降低87.9%與86.3%.對(duì)巷道實(shí)施切頂可有效減小頂板下沉量。

圖4 切頂前后垂直位移云圖

巷道切頂前后水平位移變化情況如圖5所示。切頂前巷道煤幫側(cè)水平位移最高達(dá)150 mm；切頂后巷道煤幫側(cè)水平位移最高達(dá)30 mm，同時(shí)切頂巷道上部頂板巖層以水平變形為主，最大水平位移為35 mm；與切頂前相比，巷道煤幫側(cè)水平位移下降80%，對(duì)巷道實(shí)施切頂可有效減巷道煤幫側(cè)位移量。

圖5 切頂前后水平位移云圖

綜合分析，對(duì)巷道實(shí)施切頂卸壓后，可有效降低煤幫側(cè)煤體內(nèi)部應(yīng)力集中程度，增大巷道及工作面頂板卸壓范圍，減小巷道頂板下沉量與煤幫位移量，有效保障巷道的穩(wěn)定性。

4 切頂巷道變形控制方法

4.1 巷道頂板變形控制方法

通過(guò)前面分析，提出采取切頂卸壓方法對(duì)巷道變形進(jìn)行治理，切頂高度為7.5 m，切頂角度為70°，由于頂板堅(jiān)硬，在對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，受工作面回采與爆破擾動(dòng)影響，可能造成巷道頂板變形嚴(yán)重，而恒阻大變形錨索廣泛應(yīng)用于切頂巷道的支護(hù)，該錨索可以在一定程度上吸收頂板的部分變形勢(shì)能，減緩頂板的變形程度。為此針對(duì)切頂巷道的支護(hù)，在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出在巷道切縫側(cè)與頂板中心位置每排補(bǔ)加2根恒阻大變形錨索，恒阻錨索間距為1.65 m，錨索直徑為21.8 mm，長(zhǎng)度為8.5 m.在近煤幫側(cè)巷道頂板補(bǔ)打1根鋼絞線錨索，錨索直徑為21.8 mm，長(zhǎng)度為8.5 m，巷道頂板支護(hù)方法如圖6所示。

圖6 切頂巷道頂板支護(hù)(mm)

4.2 巷道兩幫變形控制方法

為有效控制巷道煤幫側(cè)變形發(fā)展，提出采用無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿對(duì)煤幫側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采用的錨桿參數(shù)為D22 mm×1 500 mm，每排布置3根錨桿，其中,中間錨桿沿巷道煤幫中心垂直壁面布置，上下兩根錨桿與巷道水平線夾角為15°，錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm，巷道煤幫側(cè)支護(hù)方式如圖7所示。

圖7 切頂巷道煤幫側(cè)支護(hù)(mm)

對(duì)于巷道矸石幫，實(shí)施切頂卸壓后，采空區(qū)垮落矸石會(huì)對(duì)巷道矸石幫形成一定程度的沖擊影響，同時(shí)由于頂板巖層堅(jiān)硬，在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下可能導(dǎo)致巷道切頂側(cè)頂板下沉嚴(yán)重。為此，對(duì)于巷道矸石側(cè)的支護(hù)，提出采取“單體支柱+工字鋼+金屬網(wǎng)”交錯(cuò)支護(hù)方法，相鄰工字鋼與單體支柱間距均為450 mm，單體支柱布置2排，工字鋼布置1排。工字鋼的作用在于支撐垮冒矸石的沖擊力，單體支柱的作用在于控制頂板的穩(wěn)定性，巷道矸石側(cè)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況如圖8所示。

圖8 巷道矸石側(cè)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的堅(jiān)硬頂板切頂巷道控制方法的可靠性，對(duì)切頂巷道加強(qiáng)支護(hù)后位移變化情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯锏缹?shí)施加強(qiáng)支護(hù)后，隨著回采工作面推進(jìn)，巷道變形表現(xiàn)為“S”形變化特征，巷道整體變形在滯后工作面170 m后趨于穩(wěn)定。其中頂板最大沉降量為193 mm，煤幫側(cè)最大移近量為86 mm，矸石幫側(cè)最大移近量為105 mm，巷道整體穩(wěn)定性良好，保障了工作面安全高效回采。

圖9 切頂巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)理論分析，切頂后周期來(lái)壓步距要小于切頂前，頂板破斷長(zhǎng)度減小，對(duì)巷道實(shí)施切頂卸壓后，可以切斷采空區(qū)頂板對(duì)巷道煤幫的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，提高煤幫側(cè)煤體的彈性模量及應(yīng)力承載能力，可有效限制巷道的變形發(fā)展。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬分析，對(duì)巷道實(shí)施切頂卸壓后，可有效降低煤幫側(cè)煤體內(nèi)部應(yīng)力集中程度，增大巷道及工作面頂板卸壓范圍，減小巷道頂板下沉量與煤幫位移量，以保障巷道的穩(wěn)定性。

3) 針對(duì)切頂巷道變形控制，研究提出巷道頂板采用恒組大變形錨索、巷道煤幫側(cè)采用無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，以及巷道矸石側(cè)采用“單體支柱+工字鋼+金屬網(wǎng)”交錯(cuò)布置加強(qiáng)支護(hù)方法。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，切頂巷道頂板及兩幫的最大位移量分別為193 mm、86 mm與105 mm，巷道整體穩(wěn)定性良好，保障了工作面安全高效回采。