孫 江，邢素琴

(1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024076)

隨著近年來煤炭資源不斷開發(fā)，煤炭開采技術(shù)持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)的留煤柱開采工藝，工作面回采期間，由于兩邊采空，煤柱上部形成應(yīng)力集中，易導(dǎo)致造成周邊巷道大變形及冒頂事故發(fā)生[1-4]。在劇烈采動壓力的影響下，巷道頂板巖層與支護(hù)體相互作用，使支護(hù)不能抵抗劇烈的采動礦壓，對煤礦生產(chǎn)造成了巨大威脅[5-8]。因此，切頂留巷無煤柱開采技術(shù)以其回采率高得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]，但是對于堅硬頂板情況，還需對該技術(shù)的支護(hù)方法進(jìn)行深入分析。趙大維[14]分析了深部開采堅硬頂板沿空留巷圍巖運(yùn)動特征，給出了“高強(qiáng)錨索+單體+切頂卸壓”對巷道頂板進(jìn)行控制方法；紀(jì)磊等[15]通過研究分析沿空留巷后巷道圍巖變形的主要原因，提出了二次采動影響下，巷道加強(qiáng)支護(hù)措施；李愛軍等[16]通過分析切頂留巷的變形機(jī)理，提出采用新型速凝注漿材料對切頂留巷破碎圍巖注漿加固；韓俊效等[17]通過理論與模擬研究，給出了多巷布置的階段長度及支護(hù)寬度的確定方法；陳金宇[18]為了解決沿空留巷支撐壓力影響問題，通過對留巷巷道頂板以及所做的假墻進(jìn)行強(qiáng)力錨網(wǎng)支護(hù)，保證了留巷巷道的安全使用，有效的緩解采掘緊張的局面。本文基于上述研究成果，以哈拉溝煤礦沿空留巷為工程背景，系統(tǒng)研究了切頂卸壓沿空留巷支護(hù)方法，使沿空留巷圍巖變形得到有效控制。

1 工程概況

哈拉溝煤礦12201綜采面長320m，巷道寬5m，煤層平均厚2.5m，采高2.5m，碎漲系數(shù)為1.35，采用切頂卸壓沿空留巷方式，沿空留巷段布置在12201運(yùn)輸巷與12202工作面連接位置，沿空留巷段如圖1所示。沿空留巷段總長約600m，起始點位于12201運(yùn)輸巷，終點位于12201回撤通道，由于該技術(shù)在12201工作面首次使用，需研究其工作面的支護(hù)方式，確保沿空巷的安全。

圖1 沿空留巷位置

2 切頂卸壓沿空留巷礦壓特征

2.1 數(shù)值模型建立

研究采用FLAC3D數(shù)值方法，分析哈拉溝煤礦切頂卸壓沿空巷在有無切縫條件下的礦壓顯現(xiàn)特征。根據(jù)模型幾何尺寸劃分網(wǎng)格，考慮到模型邊界效應(yīng)，設(shè)計三維計算模型長×寬×高=200m×200m×150m，共劃分415000個單元，532596個結(jié)點。模型底部和四周施加水平和垂直位移約束，上部邊界施加垂直方向載荷，等效上覆巖層自重，巖體力學(xué)參數(shù)見表1。本模擬設(shè)計開挖160m，采用分步開挖，每步開挖20m，切縫角度為0°，切縫高度為8m，本研究僅給出工作面后方40m時的數(shù)值分析結(jié)果。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

無切縫時巷道應(yīng)力及位移分布特征如圖2所示，工作面推進(jìn)后，巷道左側(cè)煤幫最大應(yīng)力達(dá)32.5MPa，巷道右側(cè)煤幫達(dá)7.5MPa，巷道頂板垂直應(yīng)力最高達(dá)22.5MPa；頂板受覆巖斷裂冒落影響較大，最大位移達(dá)1200mm，底板及煤幫側(cè)影響較小，最大位移約為400mm，巷道變形量較大，容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖2 無切縫時數(shù)值計算結(jié)果

有切縫時巷道應(yīng)力及位移分布特征如圖3所示，工作面推進(jìn)后，巷道左側(cè)煤幫最大應(yīng)力達(dá)20MPa，巷道右側(cè)煤幫達(dá)2.5MPa，巷道頂板垂直應(yīng)力最高為15MPa，切縫頂部應(yīng)力集中顯現(xiàn)；頂板及煤幫側(cè)最大位移達(dá)400mm，底板及煤幫側(cè)影響較小巷道變形量較小，巷道頂部12m范圍內(nèi)卸壓區(qū)顯著，對巷道變形發(fā)展實現(xiàn)了較好的控制。

圖3 有切縫時數(shù)值計算結(jié)果

數(shù)值結(jié)果表明，切頂卸壓沿空留巷方法可以切斷巷道與空區(qū)頂板覆巖的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，降低巷道應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，切縫可以使頂板一定范圍出現(xiàn)應(yīng)力卸壓區(qū)，使巷道頂板變形發(fā)展得到較好控制。

3 切頂卸壓沿空留巷支護(hù)可行性分析

3.1 巷內(nèi)支護(hù)可行性分析

切頂卸壓無煤柱沿空巷頂板運(yùn)動可以分為前期、過渡期和后期3個階段。隨著工作面推進(jìn)與支架變動，沿空巷頂板在自重應(yīng)力及切頂應(yīng)力雙重作用下，導(dǎo)致切縫邊壁位置斷裂，頂板發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，這一過程屬于前期階段；直接頂板斷裂冒落后，基本頂隨之垮落并形成砌體梁，此時煤體變形剛度高于冒落頂板剛度，自重應(yīng)力逐漸由頂板轉(zhuǎn)移至煤壁，煤體內(nèi)應(yīng)力集中顯現(xiàn)，頂板巖塊受垮落矸石支撐作用的影響慢慢趨于穩(wěn)定，使巷道所受應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，巷道變形發(fā)展較快，這一過程屬于過渡期階段；當(dāng)垮落矸石沉實后，趨于穩(wěn)定的上覆巖層發(fā)生變形并下沉，煤壁及頂板破壞繼續(xù)發(fā)展，支撐壓力峰值向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，使巷道頂板呈現(xiàn)波動性沉降特征，沉降量較小，這一過程屬于后期階段。對于上述階段，過度期頂板活動作為劇烈，主要以失穩(wěn)、斷裂及沉降為主，在此階段研究沿空巷支護(hù)方法最為必要。

頂板運(yùn)動過程中，其應(yīng)力變化峰值主要施加在巷內(nèi)支護(hù)體中，這就要求支護(hù)體本身的切頂阻力充分大，其值要高于頂板周期來壓時的最高壓力。工作面回采過程中，支撐壓力計算如下：

σ=nγH

(1)

式中，γ為覆巖容重，kN/m3；H為冒落區(qū)巖層厚度，m；n為壓力比，一般取1～2。

式中，M為采高，m；K為碎脹系數(shù)。

則有：

巷道最小支護(hù)阻力計算式如下：

Pmin=σdL

(4)

式中，d為巷道寬度，m；L為支護(hù)長度，m。

將M=2.5m，γ=25kN/m3，K=1.35，n=1.7代入式(3)可得，支撐壓力為0.143MPa。哈拉溝煤礦12201綜采面巷道寬度5m，支護(hù)長度1.2m，帶入式(4)，可得巷內(nèi)所需最小支護(hù)阻力為858kN。為保障充足的支撐強(qiáng)度及切頂能力，采用“π梁+單體支柱”及“一梁五柱”支護(hù)方式，排距1m，單體支柱工作阻力200kN，則單位長度的支護(hù)阻力為1000kN。每根恒阻錨索還可提供20kN的預(yù)緊力，則所能提供的支護(hù)總阻力為1100kN。即12201巷內(nèi)支護(hù)阻力能滿足實際支護(hù)需求。

3.2 巷幫支護(hù)可行性分析

切頂卸壓沿空留巷巷幫支護(hù)的主要作用，一是避免空區(qū)矸石流進(jìn)巷道，二是保持較好的巷道穩(wěn)定性，該礦原使用工字鋼進(jìn)行支護(hù)。隨著巷道中深處壓力是變形程度的提高，擋矸支護(hù)體易發(fā)生變形破壞，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場工字鋼支護(hù)實際，發(fā)現(xiàn)隨著頂板來壓，工字鋼適應(yīng)頂板變形的能力差，往往發(fā)生彎曲變形，甚至失去擋矸能力。

除工字鋼支護(hù)外，U型鋼支護(hù)應(yīng)用較為廣泛，具有易于安裝及支護(hù)周期長等優(yōu)點，其整體抗彎性能及抗阻性能較好，支護(hù)強(qiáng)度更大，通過兩個U型鋼卡夾，可達(dá)到較好的支護(hù)效果，有效降低頂板變形速率及應(yīng)力集中，U型鋼支護(hù)過程中的變形發(fā)展屬于漸變性的，不會出現(xiàn)突然過載失穩(wěn)破壞情況，巷幫可縮U型鋼支護(hù)效果如圖4所示。

圖4 巷幫可縮U型鋼支護(hù)效果

為測試可縮U型鋼支架在不同擰緊力的條件下所能承受的最大壓力，分別研究U25及U29型鋼的力學(xué)特征。可縮性U型鋼支架放置，逐漸施加軸向壓力，加載速率為5mm/min，獲取力與位移數(shù)據(jù)。

U25型鋼的應(yīng)力與位移變化情況如圖5所示。整個過程可分為彈性變形、微滑動和大滑移3個階段。彈性變形階段軸力增速較小，位移變化較大；微滑動階段軸力增速加快，位移變化減小；大滑移階段軸力驟減。扭矩為100N·m時，U型鋼屈力達(dá)55kN，隨著持續(xù)加載，軸力大于U型鋼間摩擦阻力，達(dá)到極限承載力59kN，最后U型鋼相對錯動，喪失承載力。初始加載時，由于兩個U型鋼接觸不實的原因，應(yīng)變增加較快，而應(yīng)力增加慢；之后兩端逐漸被壓實，隨著應(yīng)力的增加，摩擦阻力也相應(yīng)增大，應(yīng)變增加較慢。扭矩為200N·m時，壓力增加到20kN左右時，出現(xiàn)一段恒阻現(xiàn)象，應(yīng)變增加較快；隨后應(yīng)力快速增加，而應(yīng)變增加較慢，U型鋼屈服承載力為98kN，極限承載力為103kN；扭矩為300N·m時，極限承載力增大到114kN；當(dāng)扭矩大于400N·m時，螺紋發(fā)生破斷，極限承載力達(dá)122kN。整個過程U型鋼破壞時其最小相對位移為5.5mm，最大相對位移為32mm。

根據(jù)上述實驗，扭矩越大，U型鋼支架的承載力越高；其中彈性壓縮階段主要受靜摩擦阻力的影響，起初由于接觸不實等原因，位移量增加比較迅速，而軸力增加較?。恍』齐A段兩個U型鋼相對位移很小，但摩擦力迅速增大，這時圖像呈現(xiàn)出較陡峭的趨勢，滑動過程中主要克服滑動摩擦力，位移也隨之增大；隨著軸力逐漸增大，兩個U型鋼之間的相對位移隨之較快增大，當(dāng)軸力達(dá)到其極限承載力時，兩個U型鋼相對大位移錯動，失去承載力，大滑動階段U型鋼在較小軸力作用下產(chǎn)生較大位移，直至屈服。U型鋼支架發(fā)生相對大滑移之后，卡攬扭矩也存在明顯降低，表現(xiàn)為卡攬松弛與U型鋼脫離。這是U型鋼相對錯動后失去承載力的重要原因。實驗過程中出現(xiàn)的恒阻現(xiàn)象，符合工作面推進(jìn)后初期頂板變形大的特點。

U29型鋼的應(yīng)力與位移變化情況如圖6所示。U29型鋼的力與位移變化發(fā)展趨勢與U25型鋼相似。不同之處在于，U29型鋼扭矩最大可施加500N·m，極限承載力更高。當(dāng)扭矩為100N·m時，其極限承載力為69kN，當(dāng)扭矩為200N·m時，極限承載力為110kN；當(dāng)扭矩為400 N·m時，其極限承載力為129kN；當(dāng)扭矩為500N·m時，其極限承載力為135kN，此時U型鋼之間的靜摩擦力達(dá)到最高值，可縮性急速下降，不能更好的發(fā)揮U型鋼支架作用，易引起扭曲破壞。

圖6 U29型鋼應(yīng)力與位移變化情況

兩種U型鋼極限承載力隨扭矩變化關(guān)系如圖7所示。極限承載力隨扭矩的增加而增大，扭矩相同時，U29型鋼極限承載力更高?；诖耍ㄟ^不斷變換扭矩值然后加載的方法，與實際工作相結(jié)合，可以得到最合適的扭矩值。

圖7 承載力隨扭矩變化情況

通過實驗分析與現(xiàn)場支護(hù)情況調(diào)查，影響U型鋼支護(hù)強(qiáng)度的誘因主要為U型鋼型號及其搭接長度。為此，對于哈拉溝煤礦12201沿空留巷巷幫擋矸支護(hù)，可采用U29型鋼代替原使用的工字鋼，同時將其連接成可縮U型鋼。

4 12201工作面沿空留巷支護(hù)方案

切頂卸壓沿空留巷，其頂板冒落高度要高于常規(guī)采煤方法，采場來壓前，頂板往往會發(fā)生懸頂現(xiàn)象，來壓后，頂板覆巖破斷冒落，并將其下部矸石壓實，如果不采取措施，矸石將會流入巷道，對巷道造成破壞。待頂板垮落壓實后，為了節(jié)約支護(hù)材料，降低成本，需要對巷內(nèi)支護(hù)進(jìn)行回撤，這就需要對整個支護(hù)過程進(jìn)行分析，以確定最佳支護(hù)方案。

4.1 巷幫支護(hù)方案

為避免周期性來壓條件下，覆巖斷裂冒落流進(jìn)巷道，可采用U29型鋼結(jié)合鋼筋網(wǎng)對其支架后方約150m范圍內(nèi)實施系統(tǒng)支護(hù)，U型鋼之間的距離為0.6m，鋼筋網(wǎng)寬度為1m×2m，如圖8所示。施加扭矩為200N·m，并增加其搭接長度不小于0.5m。擋矸支護(hù)彎曲變形情況較少發(fā)生，整體支護(hù)效果較好。

圖8 巷幫支護(hù)

4.2 巷內(nèi)支護(hù)方案

隨著綜采工作面的推進(jìn)，采動壓力會對巷道位置帶來不同程度的影響。覆巖斷裂冒落發(fā)展直至穩(wěn)定這一過程是周期性的，這就需要對支架后方一定范圍同時進(jìn)行頂板與擋矸支護(hù)措施。對于作業(yè)面遠(yuǎn)端一定范圍內(nèi)的巷道，覆巖基本穩(wěn)定，這是可以將其頂板支護(hù)體撤離，僅實施擋矸支護(hù)?？蓪⑦@個回采作業(yè)面劃分為超前區(qū)、滯后區(qū)與穩(wěn)定區(qū)3個支護(hù)區(qū)段，針對各區(qū)段的支護(hù)需要進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。

對于超前區(qū)巷道支護(hù)，主要受超前采動的作用影響，可采用排距為1m的單體液壓支架進(jìn)行支護(hù)。對于滯后區(qū)巷道支護(hù)，主要受架后采動應(yīng)力的影響，巷道頂部覆巖承受較大的壓力；對于這個區(qū)域可以采用液壓支柱聯(lián)合U型鋼實施擋矸支護(hù)，以“一梁四柱”的方式進(jìn)行設(shè)計，排距1m。支護(hù)斷面如圖9所示，支護(hù)平面如圖10所示。

圖9 巷內(nèi)支護(hù)斷面

圖10 臨時與擋桿支護(hù)平面(mm)

對于穩(wěn)定區(qū)巷道支護(hù)，由于巷道頂部覆巖逐漸沉實，采動應(yīng)力影響較小，這時可以采用“一梁三柱”的支護(hù)方式，并根據(jù)現(xiàn)場巷道穩(wěn)定性情況，逐漸改為“一梁二柱”，適時撤回部分液壓支柱，巷道內(nèi)僅設(shè)置U型鋼可縮支架聯(lián)合鋼筋網(wǎng)實施擋矸支護(hù)。

通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，提出的支護(hù)方案在哈拉溝煤礦沿空留巷段取得了較好的應(yīng)用效果，可為類似條件礦山提供指導(dǎo)與借鑒。

5 結(jié) 論

1)切頂卸壓沿空留巷可以切斷巷道與空區(qū)頂板覆巖的應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，形成卸壓區(qū)，降低巷道應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，使巷道頂板變形發(fā)展得到有效控制。

2)根據(jù)U型鋼加載試驗，可分為彈性變形、微滑動和大滑移3個階段，實驗過程中出現(xiàn)的恒阻現(xiàn)象，符合工作面推進(jìn)后初期頂板變形大的特點，卡攬松弛與U型鋼脫離是其失去承載力的重要原因。

3)通過U25及U29型鋼加載實驗分析，極限承載力隨扭矩的增加而增大，U29型鋼最大扭矩可以施加到500N·m；扭矩相同時，U29型鋼極限承載力更高。對于哈拉溝煤礦12201沿空留巷巷幫擋矸支護(hù)，研究采用U29可縮U型鋼。

4)針對12201工作面沿空留巷條件，通過劃分不同支護(hù)區(qū)段，給出了沿空留巷巷內(nèi)及巷幫支護(hù)方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，有效解決了哈拉溝煤礦切頂卸壓沿空留巷支護(hù)問題。