王曉鵬，劉東亮，曹春曉，倪惠寧

(1.永貴能源開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司新田煤礦，貴州 畢節(jié) 551500； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116； 3.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

大規(guī)模、機(jī)械化的煤炭開(kāi)采使我國(guó)煤炭資源日益緊缺[1]。傳統(tǒng)長(zhǎng)壁采煤法留設(shè)區(qū)段煤柱不僅存在著大量資源浪費(fèi)與工作面接替的問(wèn)題[2]，同時(shí)隨著礦井開(kāi)采深度的增加，也面臨著區(qū)段煤柱應(yīng)力集中造成巷道大變形難以支護(hù)的困境[3]，嚴(yán)重影響著煤炭資源的安全高效開(kāi)采。近年來(lái)，沿空留巷技術(shù)得到了迅速發(fā)展，胡濤等[4]研究了爆破切頂后巷道圍巖應(yīng)力與位移的作用關(guān)系，有效控制了巷道圍巖變形；TAN等[5]分析了不同頂板組合條件下留巷礦壓顯現(xiàn)特征，提出合理的沿空留巷留巷圍巖綜合控制技術(shù)。在諸多學(xué)者的研究下，沿空留巷技術(shù)已近趨于成熟，極大地提高了煤炭資源的回收率，改善了采掘環(huán)境[6]。本文以1404工作面為工程背景，基于上一工作面沿空留巷中存在的諸多問(wèn)題，進(jìn)一步提出了沿空留巷“卸-支-護(hù)”技術(shù)，為合理確定沿空留巷技術(shù)參數(shù)，解決圍巖控制與瓦斯突出問(wèn)題提供解決思路。

1 工作面概況

新田煤礦1404工作面地面標(biāo)高+1 349.8～+1 419.0 m，井下標(biāo)高+911.0～+951.4 m。 1404工作面走向長(zhǎng)925 m，傾斜長(zhǎng)120 m。煤層厚度為1.4～6.0 m，平均煤層厚度為3.1 m，煤層傾角0°～10°，4#煤層為煤與瓦斯突出煤層，1404工作面煤層為不易自燃煤層，自燃傾向性為Ⅲ類，煤塵不具爆炸性。1404工作面東南側(cè)為1402工作面采空區(qū)，西南側(cè)為1406未采工作面。1404工作面共布置兩條巷道，其中1404工作面膠帶運(yùn)輸巷確定留設(shè)沿空留巷，通過(guò)“Y”型通風(fēng)解決高瓦斯條件下的通風(fēng)問(wèn)題，工作面布置及煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 1404工作面巷道布置及煤層柱狀圖Fig.1 Roadway layout and coal seam histogram of 1404 working face

2 沿空留巷“卸-支-護(hù)”支護(hù)技術(shù)

1404工作面相鄰的1402工作面沿空留巷利用了密集切頂鉆孔技術(shù)，配合預(yù)制混凝土磚和傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)效果十分不理想，頂板及兩幫發(fā)生嚴(yán)重變形，通過(guò)擴(kuò)幫才得以繼續(xù)使用。因此，為了1404工作面的成功留設(shè)，在1402工作面沿空留巷的技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了由深孔預(yù)裂卸壓、注漿錨索支護(hù)和柔模袋墻體護(hù)幫組成的沿空留巷“卸-支-護(hù)”支護(hù)技術(shù)。

2.1 深孔預(yù)裂卸壓

工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面后方逐漸成為采空區(qū)，其上方的頂板會(huì)發(fā)生大面積冒落。沿空留巷上部的頂板可以視為固支梁結(jié)構(gòu)，其中靠近煤體的一側(cè)為固支端，頂板會(huì)以該側(cè)煤體中的某一點(diǎn)為中心軸發(fā)生回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致沿空留巷頂板產(chǎn)生強(qiáng)烈的支承應(yīng)力集中，使得沿空留巷的頂板及兩幫發(fā)生較大變形與破壞，嚴(yán)重影響沿空留巷的質(zhì)量，其未切頂頂板斷裂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

深孔預(yù)裂切頂卸壓即提前打設(shè)深孔，填入炸藥后通過(guò)爆破形成一個(gè)弱面，頂板受壓時(shí)就會(huì)沿這一弱面發(fā)生滑切斷裂。切頂預(yù)裂能夠切斷頂板之間應(yīng)力的傳遞，使得沿空留巷的頂板受采空區(qū)內(nèi)頂板彎曲、下沉、垮落的影響大大降低，同時(shí)使留巷頂板彎曲下沉的中心軸轉(zhuǎn)移到切縫位置，有效消除了頂板可能存在的支承應(yīng)力集中現(xiàn)象，其切頂卸壓頂板斷裂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 未切頂頂板斷裂結(jié)構(gòu)Fig.2 Uncut roof fracture structure

圖3 切頂卸壓頂板斷裂結(jié)構(gòu)Fig.3 Fracture structure of roof cutting and pressure relief

新田煤礦1402工作面沿空留巷采用的密集切頂鉆孔深度較小，同時(shí)未采用爆破預(yù)裂，預(yù)裂高度較小，不能有效切斷頂板之間應(yīng)力傳遞，仍會(huì)導(dǎo)致支承應(yīng)力集中的發(fā)生，影響到沿空留巷的穩(wěn)定。1404工作面直接頂厚4.8 m，基本頂厚5.2 m，在進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)應(yīng)當(dāng)保證直接頂和基本頂能夠有效切斷。

2.2 錨桿及注漿錨索支護(hù)

除了正常打設(shè)錨索之外，在工作面超前階段還打設(shè)了注漿錨索。同傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索相比，注漿錨索能實(shí)現(xiàn)提高圍巖強(qiáng)度、漿液黏結(jié)圍巖裂隙、減小圍巖松動(dòng)圈、防止巖層風(fēng)化、變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)的效果。錨固支護(hù)的主要作用有：懸吊作用，將下方不穩(wěn)定巖層懸吊于上方穩(wěn)定巖層中，減小巖層的變形；組合梁理論作用，通過(guò)錨桿將破碎的巖層擠壓連接在一起，增加層間摩擦力，使巖層變形協(xié)調(diào)。注漿錨索可以將破碎的巖層更好地黏結(jié)擠壓在一起，同時(shí)懸吊在上方的穩(wěn)定巖層中，增強(qiáng)了頂板的穩(wěn)定性。

2.3 柔模袋墻體護(hù)幫

沿空留巷過(guò)程中，在靠近采空區(qū)一側(cè)采用柔模袋與泵送充填混凝土的方式來(lái)筑設(shè)柔模墻體，柔模墻體不接頂，為頂板變形預(yù)留緩沖空間。通過(guò)筑設(shè)柔模體墻進(jìn)行沿空留巷，采用“Y”型通風(fēng)很好地解決了上隅角瓦斯問(wèn)題，還可以有效阻擋采空區(qū)的矸石，起到護(hù)幫的作用。柔模墻體的完整性良好，能夠較好地封閉采空區(qū)，防止采空區(qū)自然發(fā)火和漏風(fēng)等問(wèn)題的發(fā)生。同傳統(tǒng)的混凝土磚墻相比，柔模袋墻體的強(qiáng)度和密閉性都更加優(yōu)越，同時(shí)其本身還具有支設(shè)速度快、透水不透漿、容易自成型、支持尺寸自制等優(yōu)點(diǎn)。

3 切頂沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

在進(jìn)行切頂卸壓之后，切頂側(cè)的頂板被切斷，煤壁側(cè)頂板依舊完好，此時(shí)的巷道頂板可以認(rèn)為是懸臂梁結(jié)構(gòu)。假設(shè)頂板巖梁為均質(zhì)連續(xù)結(jié)構(gòu)，對(duì)頂板建立圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型(圖4)。

圖4 頂板切頂圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型示意圖Fig.4 Cutting roof top model for the structural mechanics of surrounding rock

頂板在受到上覆巖層的均布載荷作用下，會(huì)發(fā)生彎曲變形，柔模墻體會(huì)在接頂后對(duì)頂板提供一個(gè)支撐力，將其視為一個(gè)均布載荷。同時(shí)切頂側(cè)頂板垮落后，堆積的頂板會(huì)對(duì)切頂側(cè)頂板提供一定的支撐力。當(dāng)0

ω=

(1)

由式(1)可知，x=l1-l2時(shí)，頂板變形最大，頂板巖梁的最大撓度計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

4Fsinα(2l1+l2)+2q1l2(l2-4l1)]

(2)

式中：qr為上覆巖層荷載，kN/m；q1為柔模墻體的支護(hù)荷載，kN/m；F為垮落矸石支撐力，kN；l1為巷道寬度，m；l2為柔模墻體寬度，m。

由式(2)可知，柔模墻體寬度l2與撓度成反比，角度α與撓度大小成正比。因此，為了減小巷道頂板的最大撓度，在巷寬確定的情況下，可以適當(dāng)增大柔模墻體的寬度或者減小切頂鉆孔與垂向的夾角α，即增大切頂角度。其中，柔模墻體的寬度應(yīng)當(dāng)滿足式(3)。

(3)

式中：ω為柔模墻體的寬度，m；s為墻體的終凝強(qiáng)度，MPa，取25；k1為墻體強(qiáng)度的降低系數(shù)，通常取0.25；k2為動(dòng)壓影響的可靠性系數(shù)，取1.2；k3為墻體的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，取1.35。

結(jié)合相鄰1402工作面實(shí)測(cè)荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可得，ω=0.57 m，即柔模墻體的最小寬度為0.57 m。

4 留巷最優(yōu)參數(shù)的確定

4.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

為了使沿空留巷取得良好的效果，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)成本，需要確定沿空留巷爆破切頂及柔模袋墻體的合理參數(shù)。設(shè)計(jì)方案采用單一變量法，以柔模袋寬度、切頂角度及切頂鉆孔深度為變量，設(shè)計(jì)了三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，具體見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Numerical simulation experiment scheme

4.2 模型建立

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)新田煤礦1404工作面實(shí)際條件，取工作面一半寬度建立沿空留巷切頂及柔模袋支護(hù)的數(shù)值模型，如圖5所示。 模型尺寸為150 m×70 m×37 m，下邊界垂直方向固定，四周邊界水平固定，上表面施加垂向應(yīng)力。 模型上頂面埋深取430 m，上覆巖層容重設(shè)為2 500 kN/m3，模型的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。

圖5 數(shù)值模擬模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of numerical simulation model

4.3 確定最優(yōu)參數(shù)

圖6～圖8為數(shù)值模擬所得曲線。由圖6(a)可知，頂板的垂直移近量在由煤壁側(cè)逐漸靠近柔模袋側(cè)的時(shí)候，呈現(xiàn)出先增后減的整體趨勢(shì)。A1曲線最為明顯，在煤壁側(cè)垂直移近量為24.45 cm，在巷寬3.9 m處達(dá)到最大值45.06 cm，之后移近量逐漸減小。柔模袋墻體的強(qiáng)度要大于煤壁強(qiáng)度，和頂板間預(yù)留一定的變形空間，能夠在卸去頂板部分壓力的同時(shí)提供良好的支撐。由于A1曲線的柔模袋寬度較小，曲線和其他方案存在明顯差別。由圖6(b)可知，整體移近量呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，最大移近量出現(xiàn)在巷幫中部。其中A1曲線變形較大，水平移近量達(dá)到12.19 cm，A2曲線～A4曲線基本一致，最大移近量分別為6.53 cm、6.46 cm和6.65 cm。

由圖7(a)可知，B1曲線在煤壁側(cè)垂直移近量為36.72 cm，在3.3 m處達(dá)到最大垂直移近量56.78 cm，柔模袋側(cè)的垂直移近量為45.23 cm。 B2曲線和B3曲線在煤壁側(cè)垂直移近量分別為33.32 cm和25.97 cm，最大移近量為52.55 cm和40.21 cm，趨勢(shì)同B1曲線基本一致，但峰后移近量出現(xiàn)大幅度減小。B4曲線較為平整，煤壁側(cè)垂直移近量12.87 cm，最大垂直移近量17.31 cm，明顯小于B1曲線～B3曲線。由圖7(b)可知，B1曲線～B4曲線的最大水平移近量分別為16.75 cm、15.88 cm、12.74 cm和6.50 cm。曲線整體呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，在巷幫中部達(dá)到最大水平移近量，通過(guò)B1曲線～B4曲線比較發(fā)現(xiàn)，隨著切頂角度增大，巷幫的垂直及水平移近量都是逐漸減小的。

圖6 不同柔模袋寬度巷道變形曲線Fig.6 Deformation curve of roadway with different width of flexible mold bag

圖7 不同切頂角度巷道變形曲線Fig.7 Deformation curve of roadway with different cutting angles

圖8 不同切頂深度巷道變形曲線Fig.8 Deformation curve of roadway with different cutting depth

由圖8(a)可知，C1曲線在煤壁側(cè)垂直移近量45.73 cm，峰值移近量77.93 cm；C2曲線在煤壁側(cè)最大移近量為24.20 cm，峰值移近量35.28 cm。C3曲線～C5曲線整體變化趨勢(shì)基本一致，煤壁側(cè)垂直移近量分別為12.87 cm、12.11 cm和11.53 cm，峰值移近量分別為17.14 cm、16.31 cm和15.28 cm，隨著切頂鉆孔深度的增大，垂直移近量逐漸減小。由圖8(b)可知，C1曲線～C5曲線的最大水平移近量分別為21.95 cm、12.05 cm、6.50 cm、5.62 cm和5.86 cm。曲線整體呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，在巷幫中部達(dá)到最大水平移近量。通過(guò)C1曲線～C5曲線數(shù)據(jù)及1404工作面頂板巖層可知，切頂鉆孔深度為7 m和9 m時(shí)，未能將直接頂和基本頂有效切斷，依舊會(huì)發(fā)生明顯的應(yīng)力集中造成巷道的變形與破壞，在切頂深度達(dá)到11 m及以上時(shí)，切頂效果明顯得到了提高。

綜合考慮數(shù)值模擬的結(jié)果，同時(shí)兼顧到維護(hù)巷道穩(wěn)定的需要及相關(guān)經(jīng)濟(jì)成本等因素，最終確定柔模袋寬度為1.2 m，切頂角度為75°，切頂鉆孔深度11 m，并以此參數(shù)在1404工作面展開(kāi)工業(yè)性試驗(yàn)。

5 工程應(yīng)用及效果分析

5.1 沿空留巷“卸-支-護(hù)”技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在1404工作面膠帶巷回采幫超前回采工作面10 m肩窩處施工切頂鉆孔，切頂鉆孔直徑為48 mm，切頂角度75°，切頂鉆孔深11 m。

在擋矸切頂單體柱平行距離1 200 mm處打設(shè)一排用3.5 m單體柱，通過(guò)單體柱對(duì)柔模袋進(jìn)行形態(tài)控制。 柔模袋充填寬度為1.2 m，充填高度為3.1 m，每隔12 m在兩個(gè)柔模混凝土柱間上方預(yù)埋瓦斯抽放篩孔管，防止采空區(qū)的瓦斯積聚。

超前段巷道頂板每排布置3根注漿錨索，錨索間排距為1 700 mm×1 600 mm。注漿錨索規(guī)格為Φ22×8 500 mm。巷道回采側(cè)布置Φ22×2 500 mm的高強(qiáng)錨桿護(hù)幫，間排距840 mm×800 mm；非回采側(cè)布置Φ22×4 250 mm的注漿錨索對(duì)巷幫進(jìn)行注漿加固，間排距1 680 mm×1 600 mm，超前段支護(hù)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 1404運(yùn)輸巷超前支護(hù)Fig.9 Advanced support of 1404 transport roadway

工作面回采后，在軌道巷沿空留巷施工兩排走向抬棚，左抬棚距幫600 mm，右抬棚距柔模袋1 400 mm。在靠近柔模袋側(cè)打設(shè)三根Φ22×8 300 mm錨索，間距分別為1 200 mm和1 700 mm，并在柔模墻體上部布設(shè)工字鋼一根，留巷段支護(hù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 1404沿空留巷支護(hù)Fig.10 Support of 1404 along goaf retaining roadway

5.2 1404沿空留巷圍巖變形規(guī)律分析

在工作面前30 m處設(shè)立測(cè)站觀測(cè)頂板及兩幫的移近量，觀測(cè)截止到工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)100 m后，測(cè)站采用十字測(cè)點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量所得數(shù)據(jù)如圖11所示，由圖11(a)可知，在工作面推過(guò)之前，底鼓和頂板下沉量增長(zhǎng)較快，分別達(dá)到67.5 mm和168.8 mm。 在工作面推過(guò)之后，底鼓量的增長(zhǎng)速率大幅降低，在工作面后100 m處僅僅增長(zhǎng)到103.5 mm。 頂板下沉的速率有所放緩，在工作面后100 m處達(dá)到310.5 mm，整體頂?shù)滓平吭?00 m處為414.0 mm。

由圖11(b)可知，工作面推過(guò)前，右?guī)妥畲笠平繛?6.5 mm，左幫最大移近量為69.0 mm，兩幫移近量最大值為125.5 mm。在工作面推過(guò)后，右?guī)捅患茉O(shè)的柔模袋墻體所替代，進(jìn)入到沿空留巷段。左幫的移近量逐漸增加，在58.0 m后趨于平緩，在工作面后100 m處最大的移近量為187.7 mm。柔模袋墻體強(qiáng)度要強(qiáng)于煤體，同時(shí)還有對(duì)拉錨桿等維持其形態(tài)，所以墻體側(cè)的移近量很小且增長(zhǎng)緩慢，在100 m移近量?jī)H為23.8 mm。兩幫整體移近量在工作面前最大值為125.5 mm，工作面后100 m處最大值為211.4 mm。

圖11 巷道變形量Fig.11 Deformation of roadway

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可以得知，1404工作面沿空留巷的兩幫及頂?shù)装宓淖冃味己苄?，留巷巷道能夠保持穩(wěn)定并滿足下一工作面生產(chǎn)的需要，在1404工作面應(yīng)用“卸-支-護(hù)”技術(shù)取得了良好的效果。

6 結(jié) 論

1) 提出沿空留巷“卸-支-護(hù)”支護(hù)技術(shù)，通過(guò)深孔切頂預(yù)裂卸壓大幅度降低頂板來(lái)壓，柔模袋墻體在支撐頂板同時(shí)護(hù)幫，注漿錨索配合錨網(wǎng)索進(jìn)行巷道支護(hù)，三者共同作用下有效的控制了沿空巷道的變形，保證巷道后期的使用。

2) 利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件在1404工作面的地質(zhì)參數(shù)條件下對(duì)不同切頂參數(shù)和柔模袋墻體參數(shù)進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比不同方案下的巷道變形量，選取切頂角75°，切頂鉆孔深度11.0 m，柔模袋墻體寬1.2 m為合理參數(shù)。

3) 在1404工作面進(jìn)行“卸-支-護(hù)”技術(shù)的工程試驗(yàn)。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，頂?shù)装遄畲笠平?14.0 mm，兩幫最大移近量211.4 mm，圍巖整體形變較小，成功實(shí)現(xiàn)了沿空留巷的留設(shè)，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。