馮 烜

(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院， 山西 太原 030001)

近年來(lái)，切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)以其回采率高得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]. 沿空留巷在經(jīng)歷本工作面采前、采后及下一工作面超前強(qiáng)烈采動(dòng)，留巷頂板離層量大且破碎難以形成承載結(jié)構(gòu)，致使沿空留巷頂板變形破壞嚴(yán)重甚至發(fā)生冒頂垮落事故，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)[4]. 頂板一旦破壞失穩(wěn)將直接導(dǎo)致沿空留巷失敗，因此，為保障沿空留巷段巷道的安全穩(wěn)定，學(xué)者們對(duì)其礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行了大量研究。武精科等[5]針對(duì)深井沿空留巷頂板提出了“多支護(hù)結(jié)構(gòu)”控制系統(tǒng)。趙萌燁等[6]研究表明，無(wú)煤柱切頂留巷巷道礦壓隨工作面的臨近而逐漸增大,采動(dòng)過(guò)程中靠近采空區(qū)側(cè)的巷道礦壓顯現(xiàn)程度更為劇烈，表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性特征。巷道礦壓顯現(xiàn)的主要過(guò)程集中在快速變形階段，需加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖的控制。遲寶鎖等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究方法，對(duì)留巷及留巷復(fù)用期間的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和頂板變形特征進(jìn)行了研究；留巷期間巷道變形與切頂護(hù)幫支架壓力演化過(guò)程可分為初始穩(wěn)定期、劇烈變形期、緩慢過(guò)渡期、壓實(shí)穩(wěn)定期4個(gè)階段。然而，由于切頂卸壓沿空留巷服務(wù)期間頂板變形破壞影響因素多、控制難度大、突發(fā)性冒頂危險(xiǎn)性系數(shù)高，對(duì)于此類巷道仍需要根據(jù)礦井具體情況進(jìn)行礦壓分布特征研究，為沿空留巷巷道施工與支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某礦煤層平均厚2.6 m，屬穩(wěn)定可采煤層，1306工作面標(biāo)高978～964 m，工作面傾向長(zhǎng)460 m，走向長(zhǎng)200 m，工作面傾角2°～6°，采用長(zhǎng)壁式采煤方法，垮落法管理頂板。煤層基本頂為灰?guī)r，直接賦存在煤層上方，厚8.9～16.36 m；直接底為泥巖，厚1.8 m. 工作面綜合柱狀圖見圖1.

圖1 工作面綜合柱狀圖

工作面采用切頂卸壓無(wú)煤柱開采技術(shù)，設(shè)計(jì)沿空留巷360 m(圖2). 該技術(shù)取消巷旁煤柱或充填體(巖柱)的存在，充分利用采空區(qū)上方頂板巖石的碎脹特性充填采空區(qū)，轉(zhuǎn)移巷道頂板上方的應(yīng)力集中。為保障沿空留巷安全可靠，需研究其礦壓顯現(xiàn)特征，為巷道施工及支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

圖2 1306工作面平面圖

2 切頂卸壓開采施工工藝

對(duì)于切頂卸壓開采工藝，當(dāng)工作面形成后，巷內(nèi)及采空側(cè)采用恒阻大變形錨索進(jìn)行支護(hù)，恒阻錨索支護(hù)完成后，超前工作面一定距離施工聚能爆破鉆孔，并進(jìn)行雙向聚能拉伸爆破，在采空區(qū)側(cè)頂板形成預(yù)裂切縫面，通過(guò)雙向聚能拉張爆破，形成“切頂短臂梁結(jié)構(gòu)”，切斷采空區(qū)頂板與沿空巷道頂板的應(yīng)力傳遞路徑，消除采動(dòng)應(yīng)力對(duì)沿空巷道頂板的影響；待工作面煤層回采后，及時(shí)緊貼爆破切頂線布置單體支柱和工字鋼(或U型鋼)進(jìn)行擋矸支護(hù)，巷內(nèi)采用高強(qiáng)度支架或密集單體支柱進(jìn)行支護(hù)；此時(shí)采空區(qū)頂板在自重及礦山壓力作用下，沿切縫面自動(dòng)垮落形成巷幫，而回采巷道頂板在支護(hù)作用下得以保留；待頂板充分垮落壓實(shí)后，逐步回撤巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)，并對(duì)垮落形成的巷幫進(jìn)行噴漿處理，用以密閉采空區(qū)。技術(shù)原理見圖3.

圖3 切頂卸壓開采技術(shù)原理圖

3 切頂卸壓巷道礦壓特征分析

3.1 錨索受力特征分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及工作面推進(jìn)情況，共布置10個(gè)錨索應(yīng)力計(jì)，相鄰應(yīng)力計(jì)間距為50 m，布置方式見圖4，1#—4#測(cè)點(diǎn)位于卸壓區(qū)，分布范圍170 m，5#—10#測(cè)點(diǎn)位于卸壓區(qū)，范圍達(dá)270 m，其中3#和6#錨索應(yīng)力值隨工作面推進(jìn)位置變化曲線見圖5.

對(duì)于3#錨索，其初始預(yù)緊力約為275 kN，超前工作面錨索所受應(yīng)力平穩(wěn)，超前影響不明顯。受超前支撐壓力的影響，滯后工作面0～60 m錨索壓力變化明顯，表明在此范圍內(nèi)頂板發(fā)生折斷運(yùn)動(dòng)，在滯后約10 m處，錨索壓力最高約為325 kN，隨后急劇降低，在滯后40 m處最小，約為122 kN，隨著滯后距離的增加，錨索壓力逐漸增加，滯后距離達(dá)100 m時(shí)趨于穩(wěn)定。對(duì)于6#錨索，壓力變化趨勢(shì)與3#錨索相近，初始預(yù)緊力約為260 kN，滯后工作面0～40 m錨索壓力變化明顯，錨索壓力最大約為310 kN，最小約為140 kN，滯后距離達(dá)90 m后趨于穩(wěn)定。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隨著工作面推進(jìn)，受頂板覆巖周期斷裂冒落的影響，在滯后工作面0～40 m變化顯著，可達(dá)310～325 kN，此時(shí)恒阻器作用明顯，巷道變形發(fā)展趨于平穩(wěn)后，預(yù)緊力快速降低，最低可達(dá)122～140 kN. 在恒阻器保護(hù)作用下，錨索在工作面超前位置發(fā)揮吸能作用，恒阻錨索變形卸壓效果顯著。

3.2 頂板離層變化特征分析

為研究頂板離層變化特征，在頂板適宜位置布設(shè)10個(gè)頂板離層監(jiān)測(cè)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)站布置深部與淺部?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，深部距頂板10 m，淺部距頂板4 m，其中2#與6#離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6.

圖6 頂板離層監(jiān)測(cè)變化曲線圖

基于切頂卸壓區(qū)的2#離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果，超前工作面頂板完好，基本沒有發(fā)生明顯離層；隨著滯后工作面距離的增加，離層呈“S”型曲線發(fā)展，滯后工作面0～90 m離層顯著，隨后離層發(fā)展趨于穩(wěn)定，深部頂板離層程度高于淺部，深部最大離層量達(dá)159 mm，淺部最大離層量達(dá)138 mm；對(duì)于未卸壓區(qū)的6#離層儀監(jiān)測(cè)情況，整體變化趨勢(shì)與2#離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果相近，不同之處在于，主要離層發(fā)展位于滯后工作面0～120 m，深部最大離層量為155 mm，淺部最大離層量為78 mm，二者相差較大。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，受采動(dòng)壓力影響，卸壓區(qū)內(nèi)頂板離層發(fā)展較均勻，能夠快速斷裂冒落充填采空區(qū)，未卸壓區(qū)頂板離層主要以深部斷裂冒落為主，離層影響范圍更大。

4 巷道圍巖變形特征

4.1 巷道頂?shù)装遄冃翁卣?/h3>

為分析沿空留巷內(nèi)巷道頂?shù)装逦灰谱兓闆r，采取十字監(jiān)測(cè)法進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，每20 m布置一組測(cè)點(diǎn)，布設(shè)方式見圖7.

圖7 十字測(cè)點(diǎn)測(cè)量方法圖

不同測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8. 從圖8可以看出，不同測(cè)點(diǎn)頂?shù)装逦灰屏坎煌?，?duì)于卸壓區(qū)內(nèi)的2#測(cè)點(diǎn)，頂?shù)装遄畲笪灰七_(dá)295 mm，頂板下沉量最高達(dá)235 mm，底鼓量達(dá)60 mm；對(duì)于未卸壓區(qū)內(nèi)的6#測(cè)點(diǎn)，頂?shù)装遄畲笪灰茷?80 mm，頂板下沉量最高為250 mm，底鼓量為130 mm. 卸壓區(qū)的變形發(fā)展位于滯后工作面120 m范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装遄冃伟l(fā)展速率較大，礦壓顯現(xiàn)顯著；未卸壓區(qū)的變形發(fā)展位于滯后工作面160 m范圍內(nèi)，影響范圍及變形量均大于卸壓區(qū)，頂板下沉過(guò)程中在滯后工作面120 m位置出現(xiàn)短暫的停滯現(xiàn)象，隨后快速發(fā)展。

圖8 巷道頂?shù)装逦灰谱兓€圖

4.2 巷道兩幫變形特征

沿空留巷內(nèi)巷道兩幫位移變化監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9. 巷道兩幫位移呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，變形發(fā)展主要取決于煤幫側(cè)的位移變化。對(duì)于卸壓區(qū)內(nèi)的2#測(cè)點(diǎn)，兩幫變形影響范圍約為180 m，最大位移量達(dá)26 mm，切縫處的位移主要為負(fù)增長(zhǎng)，滯后工作面130 m后平穩(wěn)發(fā)展；在滯后工作面80～120 m，煤幫側(cè)幫鼓速率增加，礦壓顯現(xiàn)顯著。對(duì)于未卸壓區(qū)內(nèi)的6#測(cè)點(diǎn)，變形影響范圍約為170 m，兩幫最大位移達(dá)57 mm，在滯后工作面60～100 m，煤幫側(cè)幫鼓嚴(yán)重，礦壓集中顯現(xiàn)，礦壓顯現(xiàn)部位也要超前于卸壓區(qū)，進(jìn)一步體現(xiàn)了切頂卸壓的作用。

圖9 巷道兩幫位移變化曲線圖

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)切頂卸壓巷道礦壓特征分析，受采動(dòng)壓力影響，頂板離層呈“S”型曲線發(fā)展，卸壓區(qū)內(nèi)頂板離層發(fā)展較均勻，能夠快速斷裂冒落充填采空區(qū)，未卸壓區(qū)頂板離層主要以深部斷裂冒落為主，離層影響范圍更大。

2) 通過(guò)對(duì)隨工作面推進(jìn)礦壓特征分析，工作面滯后20～100 m，煤壁側(cè)應(yīng)力與頂板累計(jì)沉降值顯著增加，此階段頂板巖梁運(yùn)動(dòng)劇烈，需要加強(qiáng)支護(hù)；滯后工作面100～160 m，應(yīng)力與累計(jì)沉降值變化趨于平穩(wěn)，所發(fā)生的輕微變形主要受高應(yīng)力作用影響。

3) 通過(guò)對(duì)巷道圍巖變形特征分析，卸壓區(qū)巷道頂?shù)装遄冃伟l(fā)展速率較大，礦壓顯現(xiàn)顯著，未卸壓區(qū)的變形發(fā)展影響范圍及變形量均大于卸壓區(qū)，礦壓顯現(xiàn)部位也要超前于卸壓區(qū)；巷道兩幫位移呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，變形發(fā)展主要取決于煤幫側(cè)的位移變化。