張禮，趙晶，王栓林

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013

近幾年來，隨著沖擊地壓解危措施[1-2]及“110工法”的推廣應(yīng)用[3-6]，巷旁切頂技術(shù)及巷旁切頂沿空留巷技術(shù)已逐步成熟。沿空留巷的技術(shù)關(guān)鍵是控制巷道圍巖變形，傳統(tǒng)的沿空留巷巷旁支護方式主要有矸石袋壘墻、混凝土塊、矸石混凝土、膏體充填、高水材料充填等[7-10]。與傳統(tǒng)沿空留巷相比，切頂成巷關(guān)鍵技術(shù)在于預(yù)裂切縫技術(shù)和控制頂板沖擊變形。孫曉明等[11]對預(yù)裂切縫關(guān)鍵參數(shù)進行了研究，對切頂成巷的穩(wěn)態(tài)進行了分析。何滿潮等[12]分析了切頂成巷工作面礦壓分區(qū)特征，提出采用恒阻大變形錨索可有效控制巷道圍巖變形。切頂成巷技術(shù)多用于近水平及緩傾斜煤層中，其在大傾角煤層中的應(yīng)用還相對較少。大傾角煤層沿空留巷技術(shù)推廣的難點是在留巷過程中易出現(xiàn)采空區(qū)飛矸傷人的問題[13]。而大傾角煤層切頂成巷技術(shù)可充分利用垮落矸石的堆積特性及其自身承載能力，將飛矸問題和巷旁支護問題巧妙地融合為一體。

本文以大傾角煤層切頂成巷技術(shù)原理為基礎(chǔ)，對切頂成巷巷道的頂板結(jié)構(gòu)和圍巖應(yīng)力分布特征進行了分析，有效利用大傾角煤層采空區(qū)矸石下滑堆積、“前柔后剛”的自承載特性，提出利用采空區(qū)矸石、巷道頂板梁結(jié)構(gòu)和實體煤壁構(gòu)建巷道圍巖穩(wěn)態(tài)控制體系的思路。以長溝峪煤礦1501工作面為工程背景進行現(xiàn)場試驗，試驗巷道頂?shù)装謇塾嬜冃瘟繛?77 mm，支柱支護阻力小于28 MPa，支柱未出現(xiàn)明顯彎折情況，現(xiàn)場應(yīng)用取得成功。

1 工程概況

長溝峪煤礦1501工作面開采太原組15號煤，煤層平均埋深為900 m，平均厚度為2.5 m，平均傾角為38°。工作面鉆孔柱狀圖如圖1所示。實驗室測得頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見表1。1501工作面長度為90 m，推進長度為210 m。開采順序沿傾斜方向由上往下開采，綜合機械化采煤，垮落法控制頂板，1501運輸巷采用沿空留巷，在1502工作面回采期間作為回風(fēng)巷使用。

圖1 1501工作面鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole column diagram of 1501 working face

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 大傾角煤層切頂成巷技術(shù)原理

大傾角煤層切頂成巷技術(shù)原理如圖2所示。在超前巷道靠近工作面?zhèn)葘γ簩禹敯鍖嵤╊A(yù)裂切縫，使巷道頂板結(jié)構(gòu)變?yōu)橐欢斯讨б欢撕喼У亩虘冶哿?。采煤后直接頂沿切縫處先行垮落，矸石在自重作用下滾落下滑，利用擋矸裝置使其在工作面下部堆積。下位基本頂在礦山壓力作用下沿著切縫位置滯后直接頂斷裂，將堆積矸石壓實。堆積矸石前期松散易壓縮，后期被壓實具有較強承載能力，表現(xiàn)出“前柔后剛”的自承載特性[14]。最終形成集采空區(qū)矸石、巷道頂板梁結(jié)構(gòu)、實體煤壁三者為一體的巷道圍巖穩(wěn)態(tài)控制體系。切頂成巷技術(shù)無須額外構(gòu)筑巷旁支護體，通過切頂技術(shù)提高采空區(qū)矸石的碎脹體積，借助礦山壓力實現(xiàn)自動成巷。

圖2 切頂成巷技術(shù)原理Fig.2 The technology principle of GERRC

3 不同留巷方式頂板結(jié)構(gòu)及圍巖應(yīng)力差異性分析

通過簡化的頂板梁力學(xué)模型分析巷道上方頂板結(jié)構(gòu)的演化過程，研究發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)留巷和切頂成巷兩種沿空留巷方式的頂板結(jié)構(gòu)存在較大差異，預(yù)裂切頂?shù)难乜樟粝锓绞礁欣谙锏赖姆€(wěn)定。

3.1 頂板結(jié)構(gòu)演化差異性分析

3.1.1 傳統(tǒng)留巷頂板結(jié)構(gòu)演化

將基本頂破斷前[圖3(a)]的受力簡化為如圖3(b)所示的頂板梁力學(xué)模型，垮落矸石未被壓實前處于松散狀態(tài)，支撐力較小，模型中不予考慮。圖3中極限平衡區(qū)、巷道、巷旁支護體、采空區(qū)等四段上方對應(yīng)的基本頂分別記做OA、AB、BC、CD段。

x0—極限平衡區(qū)寬度；a—巷道寬度；b—支護體寬度；c—支護體外側(cè)懸臂長度；q—頂板梁自重荷載；Fa—極限平衡應(yīng)力；Fb—巷旁支護體的支護阻力；l—基本頂側(cè)向破斷長度圖3 傳統(tǒng)留巷基本頂破斷力學(xué)模型Fig.3 Mechanical analysis model of main roof breakage in traditional GER

對巷旁支護體兩側(cè)頂板梁的彎矩進行分析可知：

(1)

式中，MBC，max為基本頂BC段的最大彎矩，kN·m；MCD，max為基本頂CD段的最大彎矩，kN·m。

基本頂達到極限跨距后，只有當Fb足夠大時才能保證MBC，max

傳統(tǒng)留巷頂板結(jié)構(gòu)演化力學(xué)模型如圖4所示，頂板梁將先后經(jīng)歷兩端固支、長懸臂梁(長臂梁)、兩端簡支等三種狀態(tài)。懸臂越長，巷旁支護體需要承受的應(yīng)力越高，巷道穩(wěn)定性越差。圖4中qi(i=1，2，3)為上覆巖層的均布荷載。

圖4 傳統(tǒng)留巷頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型演化Fig.4 Mechanical model evolution of roof structure

3.1.2 切頂成巷頂板結(jié)構(gòu)演化

切頂成巷需超前工作面進行預(yù)裂切縫。隨工作面的推進，采空區(qū)矸石先后經(jīng)歷垮落、壓實、穩(wěn)定等動態(tài)演化過程，對應(yīng)的巷道頂板結(jié)構(gòu)形態(tài)會發(fā)生改變。如圖5所示，頂板梁先后經(jīng)歷兩端固支、一端固支一端簡支、短懸臂梁(短臂梁)、一端固支一端簡支等狀態(tài)。根據(jù)巷道頂板與4兩幫支撐結(jié)構(gòu)的連接狀態(tài)不同，可將沿空切頂巷道劃分為工作面超前區(qū)Ⅰ、切頂區(qū)Ⅱ、留巷動壓區(qū)Ⅲ和留巷穩(wěn)壓區(qū)Ⅳ。在留巷動壓區(qū)Ⅲ矸石不斷被壓實，承載力逐步升高，到達Ⅳ區(qū)域基本保持恒定。與傳統(tǒng)留巷相比，巷道頂板預(yù)裂切縫后圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及頂板應(yīng)力分布發(fā)生明顯的改變，頂板梁由兩端簡支變?yōu)橐欢斯讨б欢撕喼В藭r頂板梁處于超靜定狀態(tài)，更有利于巷道穩(wěn)定。圖5中qi(i=1，2，3，4)為上覆巖層的均布荷載。

圖5 切頂成巷頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型演化Fig.5 Mechanical model evolution of GERRC structure

3.2 留巷圍巖應(yīng)力分析

基于1501工作面煤層賦存情況，利用UDEC5.0對傳統(tǒng)留巷與切頂留巷兩種方案進行數(shù)值模擬。初始模型尺寸為120 m×70 m，模型的兩側(cè)和底部采用固定邊界，上部施加21 MPa垂直應(yīng)力(上覆巖層重力)。在相同的巷內(nèi)支護條件下，對留巷穩(wěn)壓區(qū)Ⅳ近采空區(qū)側(cè)巷道的巷旁支護阻力及頂?shù)装逡平窟M行監(jiān)測。兩種留巷方案巷道圍巖應(yīng)力分布如圖6所示，巷旁支護阻力及頂?shù)装逡平恳姳?。

圖6 留巷區(qū)域應(yīng)力分布Fig.6 Distributions of stress and deformation of GER

表2 巷旁支護阻力及頂?shù)装逡平磕M結(jié)果Tab.2 Roadside support resistance and roof to floor convergence

采用傳統(tǒng)留巷時[圖6(a)]，在巷道采空區(qū)側(cè)的基本頂呈倒臺階式的砌體梁狀態(tài)，巷旁支護體所受垂直應(yīng)力為24.3 MPa，巷道頂?shù)装逡平繛?53 mm，巷道變形嚴重；采用預(yù)裂切頂后[圖6(b)]，巷旁支護體所受垂直應(yīng)力與頂?shù)装逡平糠謩e為19.2 MPa、224 mm，分別降低了20.9%、50.5%。切頂成巷巷旁支護體的受力和頂?shù)装逡平烤∮趥鹘y(tǒng)留巷。

4 切頂成巷不同階段圍巖穩(wěn)定性分析

對切頂成巷頂板結(jié)構(gòu)演化過程分析發(fā)現(xiàn)，不同留巷位置巷道頂板的穩(wěn)定程度存在較大差異，主要體現(xiàn)在巷旁支護體對頂板短臂梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固程度。高玉兵等[15]提出使用穩(wěn)態(tài)系數(shù)λ來表征巷道頂板的穩(wěn)定程度。

穩(wěn)態(tài)系數(shù)λ的計算公式為

(2)

式中，F(xiàn)s為巷旁支護體有效支撐力，kN；Fm為頂板巖梁失穩(wěn)臨界力，kN。

當λ>1時，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)；當λ=1時，頂板處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

切頂成巷全過程穩(wěn)態(tài)系數(shù)的變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同留巷分區(qū)穩(wěn)態(tài)系數(shù)變化趨勢[15]Fig.7 Variation trend of the steady-state coefficient in different positions with GERRC

Ⅰ區(qū)域頂板未受切縫影響，巷道頂板處于兩端固支狀態(tài)，巷道穩(wěn)定性最高，穩(wěn)態(tài)系數(shù)最大；Ⅱ區(qū)域頂板受到切縫影響，F(xiàn)s有所減小，但由于工作面煤體及頂板仍對短臂梁結(jié)構(gòu)起支撐作用，巷道穩(wěn)定性依舊很高；Ⅲ區(qū)域頂板為懸臂梁狀態(tài)，矸石一直處于垮落、堆積、壓實過程中，工作面支架后方的矸石最為松散，F(xiàn)s最低，巷道最不穩(wěn)定，隨著與工作面距離的增加，堆積的矸石不斷被壓實，λ不斷提高。已有研究發(fā)現(xiàn)矸石承載力與壓縮量近似呈指數(shù)關(guān)系增長[16]；Ⅳ區(qū)域堆積矸石完全壓實后，F(xiàn)s再次穩(wěn)定，λ不再變化，但Ⅳ區(qū)域穩(wěn)態(tài)系數(shù)較Ⅱ區(qū)域有所減小。

綜上分析，留巷動壓區(qū)Ⅲ為留巷過程中最不穩(wěn)定區(qū)域，有效提高動壓區(qū)最低穩(wěn)態(tài)系數(shù)、減少動壓持續(xù)距離對留巷過程中的巷道穩(wěn)定性控制極為關(guān)鍵。

5 切頂成巷頂板變形特點及圍巖控制技術(shù)

5.1 頂板變形特點

通過大量工程試驗發(fā)現(xiàn)，盡管對巷道頂板實施了預(yù)裂切縫，采空區(qū)頂板巖體的垮落并非按切縫深度一次性完全垮落，而是在周期來壓作用下分批次垮落；預(yù)裂切縫對直接頂及基本頂下位巖層的垮落和碎脹具有一定的促進作用，但切縫影響有一定范圍?；卷斘闯浞謥韷呵埃锱皂肥ёo體頂端與基本頂下位巖層之間存在少量未充填空間?；卷攣韷汉笙锏理敯鍖l(fā)生少量的回轉(zhuǎn)，直至將矸石壓實。因此留巷加強支護和擋矸設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)協(xié)同變形，可控讓壓。圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成前期，支護結(jié)構(gòu)應(yīng)以讓位為主，直至碎脹矸石有效承載。圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成后期，支護結(jié)構(gòu)應(yīng)起主要支撐作用，最終在巷道圍巖和支護結(jié)構(gòu)共同作用下，形成穩(wěn)定巷道。

5.2 圍巖控制技術(shù)

圍巖控制技術(shù)包括切頂工藝和支護工藝兩方面。一是考慮頂板切縫的角度，避免頂板巖層形成鉸接結(jié)構(gòu)，并增大巖體的碎脹特性；二是考慮主動支護和被動支護的協(xié)調(diào)性，保證留巷過程中支護結(jié)構(gòu)能協(xié)同變形可控讓壓，始終保持支護的可靠性。

5.2.1 切頂工藝優(yōu)化

巖層因被切割而發(fā)生垮落時，塊體垮落易形成鉸接結(jié)構(gòu)[17]，特別是大傾角煤層，因此切縫角度的優(yōu)化至關(guān)重要。通常，垂直巷道頂板切縫時，頂板梁懸空范圍最小，但矸石垮落過程中易與巷道頂板產(chǎn)生動態(tài)剪切力，阻礙巖塊垮落。隨著切縫角度增大，碎脹矸石對巷道頂板的支撐力增強，使頂板梁懸空范圍變大，給留巷造成不利影響。合理的切縫角度不僅有利于采空區(qū)頂板垮落，還有助于優(yōu)化圍巖應(yīng)力。在上述建立的初始模型的基礎(chǔ)上，對垂直頂板、豎直方向、偏采空區(qū)方向(傾角60°)三種切縫角度的圍巖應(yīng)力進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，偏采空區(qū)方向的切縫角度更利于巷道圍巖穩(wěn)定，如圖8所示。

5.2.2 支護工藝優(yōu)化

留巷加強支護和擋矸設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)協(xié)同變形，可控讓壓。因此，在原有巷內(nèi)基本支護的基礎(chǔ)上，在巷道靠采空區(qū)一側(cè)考慮使用恒阻大變形錨索做主動加強支護，使用密集單體支柱做被動加強支護和擋矸支護。

圖8 三種切縫角度圍巖應(yīng)力分布Fig.8 Surrounding rock stress distribution for the three cutting angles

5.2.2.1 恒阻大變形錨索主動支護

恒阻大變形錨索主要由恒阻體、鋼絞線、托盤和鎖具等組成。當錨索受力小于恒阻值時，鋼絞線處于彈性工作狀態(tài)，受力超過恒阻值時恒阻套管內(nèi)的錐形體沿著套管內(nèi)壁滑移，利用恒阻器的結(jié)構(gòu)變形抵抗外加荷載，直到圍巖再次穩(wěn)定。恒阻錨索結(jié)構(gòu)與恒阻讓位特性曲線如圖9所示。

圖9 恒阻錨索原理與工作特性曲線[18]Fig.9 Constant resistance anchor cable principle and characteristic operating curve

5.2.2.2 密集支柱擋矸支護

采空區(qū)破碎矸石因自身重力會向工作面下部滾落堆積，產(chǎn)生橫向沖擊力，擋矸結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的抗橫向變形能力。此外，由于支護結(jié)構(gòu)集中布置在切縫側(cè)附近，切縫側(cè)下沉較實體煤幫側(cè)明顯，因此巷旁支護需滿足一定程度讓位。單體液壓支柱的工作特性如圖10所示[19]，當受力超過工作阻力時，液壓液外泄，柱長縮短，頂板巖層發(fā)生移動，具有很好的恒阻讓壓特性。

P0—始動阻力；PN—額定工作阻力；ΔP—變化量圖10 單體支護工作特性曲線Fig.10 Working characteristics of the hydraulic prop

6 工程試驗

6.1 原巷道支護

巷道原有支護為錨桿+鋼網(wǎng)+錨索支護，支護參數(shù)如圖11所示。頂板錨桿間排距為1 300 mm×1 000 mm，巷道幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，金屬網(wǎng)由φ6 mm鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

圖11 巷道原有基本支護(單位：mm)Fig.11 Original support of roadway(unit：mm)

6.2 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)工作面工程地質(zhì)條件及巷道控制的需求，確定參數(shù)(圖12)如下：①預(yù)裂炮眼長度17 m，仰角60°，與巷道夾角90°，孔口間距5 m，預(yù)裂爆破采用“3+3+3+3+2”裝藥結(jié)構(gòu)，正向裝藥；②巷道沿空側(cè)采用恒阻錨索，錨索長度為9 m； ③巷旁采用密集支柱做擋矸支護，柱距為0.3 m；④選擇灌木捆固定在支柱靠采空側(cè)起緩沖作用并阻擋矸石溜入巷道；⑤留巷前期巷道中部增加一排單體支柱做臨時加強支護，柱距為0.6 m。

圖12 切頂成巷支護效果圖(單位：mm)Fig.12 Support design of GERRC(unit：mm)

6.3 留巷效果

為了觀測巷道的變形量與頂板壓力，在回采工作面后方分別布置KY-82型頂板動態(tài)儀和單體支柱壓力計，對留巷頂?shù)装逡平亢蛽蹴分е某休d力進行觀測，以研究切頂成巷的應(yīng)用效果。承載力測點1、2、3分別布置在工作面后方5 m、20 m、 30 m處。

從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，沿空留巷初期階段頂?shù)装褰^對移近量較大，后期逐漸穩(wěn)定。留巷全過程巷道累計變形量為117 mm，變形較小。布置在工作面后方的3個測點在觀測期支柱支護阻力基本保持在18～28 MPa之間。測點1處于留巷動壓區(qū)，隨著工作面的推進，第20 d時支柱支護阻力突然增大，支柱處于恒阻讓位階段，直至矸石有效承載；測點3處于留巷穩(wěn)壓區(qū)，支柱支護阻力很平穩(wěn)基本保持在16～ 23 MPa之間。切頂沿空留巷現(xiàn)場實際效果如圖14所示。

圖13 留巷圍巖變形及巷旁支柱支護阻力監(jiān)測Fig.13 Monitoring of the deformation of the surrounding rock and roadside support resistance

圖14 切頂成巷效果Fig.14 GERRC effects before and after withdrawing the temporary strengthening supports

7 結(jié) 論

(1) 切頂成巷巷道頂板結(jié)構(gòu)處于一端固支一端簡支的超靜定狀態(tài)，與傳統(tǒng)留巷相比更利于巷道的穩(wěn)定。數(shù)值模擬表明，相對于傳統(tǒng)留巷方式，切頂留巷巷旁支護體所受垂直應(yīng)力與頂?shù)装逡平糠謩e降低20.9%、50.5%。

(2) 從工作面超前區(qū)Ⅰ至成巷段穩(wěn)壓區(qū)Ⅳ，穩(wěn)態(tài)系數(shù)先減小后增大，其中動壓區(qū)Ⅲ為最不穩(wěn)定區(qū)域。有效提高動壓區(qū)Ⅲ最低穩(wěn)態(tài)系數(shù)、減少動壓持續(xù)距離，是保證留巷穩(wěn)定的關(guān)鍵。

(3) 基本頂來壓后留巷段頂板將發(fā)生少量的回轉(zhuǎn)，巷道圍巖支護結(jié)構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)協(xié)同變形。支護結(jié)構(gòu)前期以讓位為主，后期以支撐為主。

(4) 在長溝峪煤礦1501工作面進行了現(xiàn)場試驗，經(jīng)過50 d的觀測，巷道累計變形量為117 mm，工作面后方3個測點單體支柱支護阻力穩(wěn)定在 18～28 MPa之間，支柱未出現(xiàn)彎曲折斷現(xiàn)象，所留巷道尺寸滿足礦井通風(fēng)、運輸?shù)男枨蟆?/p>