巷旁充填留巷頂板結(jié)構(gòu)分析與圍巖控制技術(shù)

賈 靖，盧志敏，任 偉，楊洪增

(1.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺 054000；4.河北省充填采煤技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺 054000)

沿空留巷是無煤柱開采中一種典型的巷道布置形式，完全取消了回采工作面區(qū)段之間的煤柱，可最大限度的回收煤炭資源，同時大幅度減少了巷道掘進工程量，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著[1]。很多學者對沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)開展了卓有成效的研究[2-5]，宋振騏院士[6]根據(jù)傳遞巖梁理論提出了工作面周圍內(nèi)外應力場，以此確定了留巷位置；何滿潮院士[7]提出了切頂自成巷無煤柱開采理論，形成了無煤柱自成巷N00工法及配套技術(shù)與裝備；張農(nóng)、韓昌良等[8，9]提出了沿空留巷覆巖楔形結(jié)構(gòu)模型，揭示了該結(jié)構(gòu)承載機制；李迎富等[10]構(gòu)建了沿空留巷關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)模型，研究了留巷最佳位置，探討了巷旁支護阻力計算方法。馮超等[11]研究了切頂條件下留巷充填體的承載特征，得到了充填體寬度的確定方法。孫壘等[12]制備了混凝土-高水材料試樣，分析了不同比例下的強度。

不同的巷道頂板條件形成的頂板結(jié)構(gòu)各不相同。在當前研究的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場調(diào)研分析，構(gòu)建了沿空留巷覆巖懸板結(jié)構(gòu)，分析懸板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并提出了相應的支護技術(shù)，現(xiàn)場應用取得了較好的效果。

1 沿空留巷懸板結(jié)構(gòu)模型與分析

1.1 沿空留巷頂板懸板結(jié)構(gòu)

工作面開采后，采空區(qū)覆巖頂板破斷形態(tài)為O-X板式破斷，大量的無煤柱開采研究表明，無論是沿空留巷或是沿空掘巷均布置在弧形三角塊或弧板的下方[13-16]，如圖1所示。該塊體是否穩(wěn)定決定了其下部巷道的穩(wěn)定，現(xiàn)場實踐表明一般在下區(qū)段開采時該三角塊的活動劇烈，造成巷道圍巖變形大。

圖1 弧形三角板與留巷關(guān)系Fig.1 Relationship between arc triangle plate and retaining roadway

實踐表明，在一定條件下，沿空留巷上方頂板形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，采空區(qū)基本頂巖層的垮斷線為網(wǎng)格狀形態(tài)，在“懸臂梁”結(jié)構(gòu)存在的條件下，在周期性垮斷線之間保留巷道上方的頂板則會形成一塊小的“懸板”N，如圖2所示。工作面回采結(jié)束后，保留巷道的頂板由若干個小的“懸板”組成。在斜拉錨索和巷旁支護對頂板(懸板)有效控制下，并在巷旁支護的采空側(cè)實施頂板超前爆破預裂切頂[13]，將基本頂?shù)闹芷谛钥鍞嗑€在預裂切頂線處阻斷，使頂板周期性垮斷線不能貫通至巷道上方或?qū)嶓w煤幫上方頂板中，由此，在保留巷道上方頂板沿回采方向形成一個大的“懸板”，懸板在下部煤幫和巷旁支護的支撐下，以及頂板斜拉錨索的懸吊作用，使得大“懸板”產(chǎn)生“吊橋效應”，這樣的留巷支護結(jié)構(gòu)可使巷旁支護的承壓減小，巷內(nèi)和巷旁支護變得更為容易，如圖3所示。

圖2 沿空留巷小“懸板”理論支護機理模型Fig.2 Theoretical support mechanism model of small “hanging plate” in gob-side entry retaining

圖3 沿空留巷大“懸板”理論支護機理模型Fig.3 Theoretical support mechanism model of big “hanging plate” in gob-side entry retaining

1.2 懸板結(jié)構(gòu)分析

平行于工作面方向，沿空留巷一側(cè)為采空區(qū)一側(cè)為實體煤，根據(jù)留巷頂板形成懸板結(jié)構(gòu)特點，可將沿空留巷頂板“懸板”簡化為一對邊固支簡支、另一對邊自由的板邊界條件和一對邊簡支、另一對邊自由的板邊界條件[17，18]，如圖4所示。

圖4 沿空留巷頂板懸板力學模型Fig.4 Mechanical model of roof hanging plate in gob-side entry retaining

基本假設(shè)：頂板巖層為水平、且各向同性；巖層為薄層狀分布；巖體具有彈性材料特征。

以圖4(a)為例，板邊界條件為：

簡支邊：

固支邊：

自由邊：對于y=0自由邊，

對于y=b自由邊，

薄板的彈性曲面控制方程為：

4w=q/D

(7)

式中，w為薄板撓度；My0、Myb為薄板彎矩；Vy0、Vyb為薄板剪力；D為抗彎剛度，MPa；q為覆巖載荷，MPa。

1)一對邊簡支另一對邊自由板撓度方程。根據(jù)矩形薄板萊維解原理[17]，設(shè)薄板撓度w的表達式為：

將式(8)代入式(7)中得，

將式(9)右邊q/D按傅里葉級數(shù)展開為，

將式(10)代入式(9)解該微分方程得，

式中，fm(y)為任意特解；Am、Bm、Cm、Dm分別為任意常數(shù)，與自由邊的邊界條件有關(guān)。將式(11)代入式(8)中得撓度的表達式。

將該類條件下的自由邊邊界條件代入式(12)中，可求得式中的Am、Bm、Cm、Dm，由此得撓度方程：

2)一對邊固支簡支、另一對邊自由板撓度方程。設(shè)薄板撓度w的表達式為：

將式(14)代入式(7)中得，

將式(10)代入式(15)解該微分方程得，

式中，fm(y)是任意特解，Am、Bm、Cm、Dm是任意常數(shù)，與自由邊的邊界條件有關(guān)。將式(16)代入式(14)中得撓度的表達式。

將該類條件下的自由邊邊界條件代入式(17)中，可求得式中的Am、Bm、Cm、Dm，由此得撓度方程：

3)薄板失穩(wěn)判據(jù)及其應力分析。將上述求出的薄板撓度函數(shù)w(x，y)，代入到彈性薄板內(nèi)應力表達式(19)中，后將應力表達式代入到薄板內(nèi)任意一點最大、最小主應力表達式中，得到兩類條件下薄板最大、最小應力分布。

得到，一對邊簡支一對邊自由條件薄板最大最小主應力表達式為：

一對邊固支簡支一對邊自由條件薄板最大最小主應力表達式為：

巖石張拉破壞強度最小，由最大拉應力理論，將式(21)、(22)中最大主應力與巖石抗拉強度比較，即應力比例系數(shù)f(x，y)，進一步判斷板是否發(fā)生破壞[19]。

式中，σ1為懸板內(nèi)最大主應力，MPa；σt為巖板抗拉強度，MPa。

2 沿空留巷懸板結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

2.1 巷旁支護特點

基于對留巷懸板結(jié)構(gòu)的分析，巷旁支護具有以下特點：

1)不需要巷旁充填體提供切頂阻力。因在留巷期間，已經(jīng)在工作面超前區(qū)域?qū)嵤┝饲许敚锏理敯甯子谛纬闪藨野褰Y(jié)構(gòu)，巷道上方頂板基本與采空區(qū)頂板失去了接觸，不再傳遞水平力，故留巷中的充填體可以不考慮切頂阻力。實體煤幫與巷旁支護體共同承擔的頂板載荷用下式表示：

FN=k1GZ+k2GJ

(24)

式中，F(xiàn)N為實體煤幫、巷旁支護體承擔的頂板載荷，kN；k1為直接頂承載系數(shù)；GZ為直接頂載荷；k2為基本頂載荷傳遞系數(shù)；GJ為基本頂載荷，kN。

2)巷旁支護體需具有可縮性。工作面開采頂板破斷下沉是不可避免的，留巷側(cè)頂板會相應的發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉；同時，巷道底板巖層在水平應力作用下，也會形成底鼓，向上壓縮巷旁支護體。因此，巷旁支護體必須具有一定的可縮性，否則巷旁支護體極易發(fā)生折損破壞。巷旁支護體的可縮量可用下式表示：

U=U1+U2+U3

(25)

式中：U為巷旁支護體需承擔的變形量；U1為直接頂?shù)慕o定變形；U2為基本頂給定變形；U3為底板底鼓量。

2.2 頂板斜拉錨索支護

現(xiàn)場工程實踐表明，沿空留巷頂板采用斜拉錨索加強支護對留巷圍巖的控制效果十分理想。圖5為沿空留巷斜拉錨索與懸板之間相互作用形成的類似吊橋效應的結(jié)構(gòu)[20，21]?？梢钥闯?，斜拉錨索在整個支護體系中是上覆穩(wěn)定巖層與下部被控制巖板的聯(lián)系紐帶，上部穩(wěn)定巖板對下部需控巖板的拉拽作用通過斜拉錨索完成。斜拉錨索是控制頂板形成完整板結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。

圖5 懸板-斜拉錨索組合作用Fig.5 Combination effect of hanging plate-cable

2.2.1 拉錨索作用機理

1)頂板斜拉錨索對基本頂斷裂位置控制范圍較大。頂板斜拉錨索可以有效降低基本頂發(fā)生斷裂的概率，即使巖體中已存在裂隙，斜拉錨索與巖層斷裂面的正向交角增大，也可以增大錨索預緊力對巖層斷裂面正向壓力，從而有利于控制巖石的旋轉(zhuǎn)下沉，有效抑制裂隙擴展，保持基本頂?shù)恼w性，有利于頂板形成懸板結(jié)構(gòu)。

2)頂板斜拉錨索產(chǎn)生水平分力。斜拉錨索通過預緊力，不僅對基本頂起到懸吊作用，而且可以在煤體側(cè)產(chǎn)生水平分力。這一水平分力對頂板產(chǎn)生向煤體的壓緊作用，能夠有效抑制錨索控制區(qū)域外斷裂裂隙的發(fā)生以及斷裂巖塊旋轉(zhuǎn)下沉，從而保證巷道頂板能夠形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)。如圖6所示。

圖6 頂板斜拉錨索作用機理模型Fig.6 Mechanism model of roof cable-stayed anchor cable

斜拉錨索提供的主動控制圍巖力，可分解為水平和垂直兩部分，見下式：

式中，σ為錨索受力，kN；σx為水平分力，kN；σy為垂直分力，kN；α為錨索與水平面垂直方向的夾角，(°)。

根據(jù)式(26)可知，如果巖層離層量大，則可通過減小錨索與水平面夾角，提高錨索垂直分力，這樣可以防止頂板離層；如果巖層垂直裂隙較多，則可通過增加錨索與水平面夾角，提高錨索水平分力，可以起到對巖層的壓緊作用。通過調(diào)整角度靈活保證頂板形成懸板結(jié)構(gòu)。

2.2.2 斜拉錨索有效性保障措施

為保證斜拉錨索在留巷加固支護體系中的有效性，必須確保斜拉錨索具有以下三個方面的有效作用：

1)保證斜拉錨索錨固高度。在普通巷道支護體系中一般要求錨固到穩(wěn)定的厚層巖層中，主要“懸吊”直接頂?shù)闹亓亢退綉υ斐身敯逑鲁磷冃蔚膲毫?。實施沿空留巷后，采空區(qū)頂板已經(jīng)冒落，頂板在采空側(cè)失去了對水平應力的約束，基本不受采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)壓力，錨索承擔的“懸吊”作用只剩下頂板巖石重量。普通巷道支護錨索錨固的穩(wěn)定巖層大多為煤層開采后的基本頂，留巷時錨索的錨固層如果仍選擇在這一層位，錨索就會隨著垮斷的基本頂一同下沉而起不到“懸吊”作用，基本頂也就形不成“懸板”。因此，留巷時錨索應錨固到基本頂之上更穩(wěn)定的巖層(彎曲下沉帶)中，這樣，錨索“懸吊”巖石的重量不只是直接頂巖石的重量，基本頂巖石的重量也加載其中?；卷敿虞d于錨索的重量，取決于基本頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)存在的狀態(tài)，即基本頂“懸臂梁”是處于整體彈性彎曲下沉狀態(tài)，還是處于垮斷下沉狀態(tài)。如果是處于垮斷下沉狀態(tài)，其巖石重量會全部加載于錨索上，如果是處于整體彈性彎曲下沉狀態(tài)，則僅部分巖石重量加載于錨索上。現(xiàn)階段礦用高強錨索材料和鉆孔機具施工這類錨索已經(jīng)沒有技術(shù)障礙。錨索錨固穩(wěn)定層的高度與工作面開采高度有關(guān)，可用下式估算。

Lm≥hm

(28)

式中，hm為垮落帶高度，m；M為工作面開采高度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)；Lm為錨索長度，m。

其中采空區(qū)垮落巖石碎脹系數(shù)根據(jù)巖石性質(zhì)不同，一般Kp在1.5～1.3之間，因此，采空區(qū)垮落帶高度hm與采高M之間的關(guān)系為hm=(2-3.3)M。工程實踐表明，因基本頂厚度不同，一般認為開采后較穩(wěn)定的巖層為平均采高的3～5倍。

2)合理設(shè)計斜拉錨索參數(shù)。在普通巷道支護設(shè)計時，錨索的設(shè)計一般是根據(jù)巷道寬度和頂板巖性的不同，將錨索布置成單排或多排錨索，錨索一般垂直頂板巖層。如果斜拉錨索按常規(guī)方法布置設(shè)計則不能起到有效控制頂板的作用。因此，斜拉錨索布置的位置、角度和數(shù)量是否合理直接影響到控制頂板的整體效果。

斜拉錨索位置。斜拉錨索加固位置的選擇，需要考慮懸板應力比例系數(shù)和現(xiàn)場施工的可操作性綜合確定。首先根據(jù)理論分析，獲得留巷懸板內(nèi)應力比例系數(shù)分布，大于1的區(qū)域即為布置斜拉錨索的初步位置；后根據(jù)現(xiàn)場空間和施工的可操作性，進一步優(yōu)化斜拉錨索位置?，F(xiàn)場工程實踐表明，一般靠近巷道實體煤幫的一排錨索，錨固端要盡可能進入巷道煤幫以里1.0 m以上；另外，靠近采空側(cè)的一排錨索，鉆孔開孔位置距切頂線不宜超過0.5 m。

斜拉錨索角度。在現(xiàn)場施工條件允許的情況下，一般斜拉錨索與頂板巖層層面的夾角，應控制8°～15°范圍內(nèi)。夾角過小，錨索橫向有效控制頂板破斷范圍?。粖A角過大，雖有利于有效控制頂板破斷范圍，斜拉錨索容易受頂板巖層剪切應力作用，造成錨索剪切破壞。另外，在控制頂板巖層高度方面，夾角過大，斜拉錨索進入基本頂以上穩(wěn)定巖層中會相應增加錨索長度，采高越大對現(xiàn)場施工越不利。

3 現(xiàn)場應用

3.1 工程概況

冀中股份梧桐莊礦主采煤層為2號煤，平均厚度4.0 m，煤層頂?shù)装鍘r性如圖7所示。

圖7 2煤層頂?shù)装鍘r性Fig.7 Roof and floor lithology of No.2 coal seam

為提高煤炭資源的回收率，擬將182605下工作面運輸巷沿空留巷保留下來，作為182605上工作面回風巷使用，留巷總長度為639 m。

182605下工作面運輸巷斷面為矩形，凈斷面尺寸為4600 mm×3300 mm(寬×高)，沿煤層頂板掘進，采用長短錨索組合配合錨桿支護。

3.2 懸板結(jié)構(gòu)破壞特征

根據(jù)182605下工作面運輸巷的地質(zhì)條件，頂板粉砂巖抗拉強度為5.2 MPa、彈性模量10.5 GPa、泊松比0.18，中粒砂巖抗拉強度為6.7 MPa、彈性模量11.8 GPa、泊松比0.21，頂板載荷q為1.5 MPa，留巷后巷道凈寬度為2.9 m，留巷充填體寬度為1.5 m。按兩種邊界條件分別計算，得到頂板不同區(qū)域的應力比例系數(shù)。對于一對邊固支簡支條件下沿空留巷懸板中應力比例系數(shù)大于1有三個區(qū)域，分別是靠近實體煤側(cè)0.8～1.1 m范圍內(nèi)，懸板內(nèi)最大主應力為7.5 MPa；巷道中部位置，懸板內(nèi)最大主應力為9.3 MPa；靠近采空區(qū)側(cè)0.4～0.7 m范圍內(nèi)，懸板內(nèi)最大主應力為6.5 MPa；而一對邊簡支條件下沿空留巷懸板中比例系數(shù)大于1有兩個區(qū)域，分別是靠近實體煤側(cè)0.7～0.9 m范圍內(nèi)，懸板內(nèi)最大主應力為6.9 MPa，靠近采空區(qū)側(cè)0.5～0. 7 m范圍內(nèi)，懸板內(nèi)最大主應力為6.8 MPa。應力比例系數(shù)大于1區(qū)域需要重點加強支護。

3.3 支護方案

3.3.1 錨索支護參數(shù)的計算

根據(jù)圖7，2號煤的頂板巖性以砂巖為主，碎脹系數(shù)取1.4，代入式(27)可得，垮落帶高度hm為10 m。根據(jù)式(28)，錨索的長度Lm不應小于垮落帶高度，考慮到錨索外露及預留一定富余系數(shù)，錨索長度確定為11 m。

為保證斜拉錨索的懸吊效果，其錨固端頭位于巷幫上方的巖體中的深度不應低于500 mm，以中間加固錨索計算，其傾斜角度為12.7°，結(jié)合工程經(jīng)驗及現(xiàn)場施工的方便，確定傾斜角度為15°。

3.3.2 切頂充填留巷方案

根據(jù)計算結(jié)果，在原巷道中補打錨索進行加固，切頂留巷充填總體方案如圖8所示。

圖8 切頂充填留巷方案(mm)Fig.8 Scheme of roof cutting and filling in gob-side entry retaining

1)錨索加固。巷道頂板采用?21.8 mm×11000 mm的錨索進行補強支護，每排布置3根，排距為1300 mm，間距為1000 mm，靠近實體煤幫兩根錨索向煤幫方向傾斜15°，另外一根垂直頂板布置。實體煤幫補打?21.8 mm×7000 mm的錨索，每排一根，排距為4000 mm。

2)爆破切頂。炮眼深度為13000 mm，離幫100 mm，與鉛垂線夾角為15°，間距為600 mm。采用特制雙向聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1500 mm。聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑?32 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。聚能管安裝于爆破孔內(nèi)，每孔6根聚能管，采用“3+2+2+2+2+2”的裝藥方式。

3)巷旁充填。采用超高水材料進行巷旁充填，水灰比為1.5∶1，充填體的寬度為1500 mm，高度為4000 mm，長度按工作面日推進度確定。

3.4 應用效果

182605下工作面回采過程中設(shè)置測站進行礦壓觀測，結(jié)果表明，留巷充填體的縱向變形約為65 mm，橫向鼓出量為36 mm。在充填體底部安設(shè)應力傳感器表明，在工作面后方20 m左右充填體受力最大，最大值為4.8 MPa，40 m左右穩(wěn)定在2.7 MPa。巷道頂板下沉量小，最大下沉量為28 mm，實體煤幫變形量在56～85 mm之間，底臌量相對較大，達86～123 mm，后期擴幫時挖底即可滿足使用要求。

4 結(jié) 論

1)錨網(wǎng)索支護沿空留巷頂板能形成懸板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能具有一對邊簡支一對邊自由和一對邊固支簡支一對邊自由兩種邊界條件。

2)以彈性力學薄板理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了沿空留巷懸板力學模型，推演了兩種條件下懸板主應力表達式，以應力比例系數(shù)為依據(jù)，獲得了快速判別懸板破壞依據(jù)。

3)基于沿空留巷懸板結(jié)構(gòu)，提出了巷道掘進期間錨網(wǎng)索支護、留巷期間巷內(nèi)頂板斜拉錨索加固支護、巷旁超高水材料薄墻復合支護的綜合沿空留巷支護技術(shù)，現(xiàn)場工程實踐表明，該技術(shù)能保證留巷復用期間正常使用。