宋旭斌

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限公司古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046108)

沿空留巷作為無(wú)煤柱開(kāi)采核心技術(shù)之一，在提高煤炭資源采出率，減少資源損失，緩解礦井采掘接替緊張等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開(kāi)采的重要技術(shù)[1-4]。侯朝炯[5-7]等總結(jié)沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和變形特征，提出綜放工作面沿空留巷“圍巖大-小結(jié)構(gòu)”觀點(diǎn)；袁亮[8]結(jié)合沿空留巷圍巖特征與頂板“O-X”破壞規(guī)律，提出采“三位一體支護(hù)技術(shù)+切頂卸壓”確保圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；張農(nóng)[9-13]等認(rèn)為沿空留巷期間基本頂形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)后，引發(fā)薄弱巖層分次垮落，未垮落巖層形成楔形承載區(qū)，主關(guān)鍵層破斷后，楔形承載區(qū)達(dá)到最大；張自政、柏建彪[14，15]等針對(duì)破碎圍巖沿空留巷，建立彈性損傷力學(xué)模型，提出沿空留巷充填區(qū)域分區(qū)動(dòng)態(tài)加固支護(hù)技術(shù)。張帥[16]采用Winker彈性地基理論模型，建立了沿空留巷底鼓力學(xué)模型，驗(yàn)證了巷道變形的非對(duì)稱性。孫江[17]在沿空巷道配合切頂卸壓技術(shù)，對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行有效控制。高喜才[18]提出分區(qū)域多介質(zhì)耦合支護(hù)技術(shù)可有效控制頂板變形，實(shí)現(xiàn)了工作面的快速推進(jìn)。楊計(jì)先[19]通過(guò)沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，留巷效果優(yōu)異。鄭立軍[20]配合定向預(yù)裂爆破技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿空留巷圍巖變形的合理控制。綜上所述，專家學(xué)者對(duì)沿空留巷圍巖變形機(jī)理、失穩(wěn)特征、充填支護(hù)技術(shù)、頂板卸壓等方面做了大量研究，取得了豐碩的研究成果。但是綜放工作面軟底特殊情況下沿空留巷穩(wěn)定性控制研究較少，存在一定的研究空白。

古城煤礦S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷屬于典型軟底沿空留巷，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷(為上工作面沿空留巷)實(shí)體煤幫變形顯著，底鼓明顯，巷道斷面收縮嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，需要反復(fù)進(jìn)行擴(kuò)幫挖底作業(yè)，因此研究綜放工作面軟底沿空留巷圍巖控制技術(shù)意義重大。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

古城煤礦S1303工作面切眼水平距357m，工作面走向可采長(zhǎng)度1234.5m，埋深632～666m，平均埋深649m，煤層厚度為6.35m。S1303工作面北接S1301工作面(已回采)，南部為實(shí)體煤，西為S3303工作面，東接南翼輔運(yùn)大巷，周圍為未開(kāi)采區(qū)域。工作面回采巷道均按雙巷布置，即S1303工作面輔助運(yùn)輸巷、S1303工作面運(yùn)輸巷、S1303工作面回風(fēng)巷、S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷。其工程平面布置如圖1所示。

圖1 S1303工作面布置

煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。工作面沿煤層傾斜布置，沿走向推進(jìn)。為了工作面的通風(fēng)管理，采用三進(jìn)一回通風(fēng)布置方式，S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷為上工作面沿空留巷，沿空留巷段采用柔?；炷翂χёo(hù)技術(shù)。

1.2 沿空留巷圍巖變形特征

S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷為上工作面沿空留巷，沿煤層頂板布置，巷道斷面為矩形，斷面尺寸為5200mm×3800mm。支護(hù)方式如下：頂板每排7根錨桿，間排距800mm×1000mm，實(shí)體煤側(cè)肩角錨桿均與巷幫成15°外斜布置，距巷幫均為200mm，其余錨桿全部垂直頂板布置；幫部每排4根錨桿，間排距1000mm×1000mm，實(shí)體煤幫上部錨桿上斜15°布置，距頂300mm，實(shí)體煤幫下部錨桿下斜15°布置，距底300mm，其余錨桿全部水平布置。錨索間排距1600mm×1000mm，均垂直打設(shè)，靠近S1301采空區(qū)側(cè)打設(shè)1.5m寬柔模墻體。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，S1301工作面推過(guò)之后，沿空留巷段在工作面后方10m左右時(shí)，巷道圍巖變形較小，巷道斷面比較完整；當(dāng)留巷段在工作面后方60m開(kāi)始，巷道圍巖變形劇烈，巷道實(shí)體煤側(cè)幫鼓嚴(yán)重，底鼓明顯，兩者變形最大區(qū)域均超過(guò)1m。整個(gè)沿空留巷斷面變形之后有如下特征：整體變形呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，實(shí)體煤幫鼓嚴(yán)重、底鼓嚴(yán)重，且靠近實(shí)體煤側(cè)底鼓明顯大于柔模墻體側(cè)；頂板和柔模墻體變形量在合理范圍內(nèi)，且柔模墻體側(cè)頂板下沉量大于實(shí)體煤側(cè)，沿空留巷原支護(hù)方案與巷道變形特征如圖2所示。

圖2 沿空留巷原支護(hù)方案與巷道變形特征

2 軟底沿空留巷圍巖應(yīng)力分布特征研究

古城煤礦S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷由上工作面(S1301)回采后沿空留巷得到，留巷期間，受周邊支承壓力影響，導(dǎo)致圍巖變形嚴(yán)重，應(yīng)力重新分布。為進(jìn)一步確定側(cè)向支承壓力對(duì)巷道圍巖造成的影響，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析沿空留巷階段側(cè)向支承壓力分布特征。

2.1 模擬參數(shù)與本構(gòu)模型

根據(jù)S1301工作面現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料，建立沿空留巷簡(jiǎn)化三維地質(zhì)模型，模型長(zhǎng)×寬×高=250m×100m×50m，四周邊界固定水平速度為零，底部固定垂直速度為零，并施加圍巖應(yīng)力構(gòu)成應(yīng)力邊界，頂部施加等效上覆巖層自重的均布荷載16.23MPa，λ=1.0，如圖3所示；選用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，巖層參數(shù)見(jiàn)表1，采空區(qū)選用雙屈服本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

圖3 模型尺寸及邊界設(shè)置

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

工作面回采過(guò)后，頂板逐漸垮落充滿采空區(qū)，矸石壓實(shí)后，相關(guān)力學(xué)參數(shù)發(fā)生顯著變化，具有明顯的應(yīng)變硬化特點(diǎn)，自身承受的支承壓力顯著提升?？梢?jiàn)冒落矸石承載能力對(duì)工作面周邊支承壓力的影響較為明顯。因此需借助雙屈服模型，確定矸石壓實(shí)不同階段的應(yīng)變硬化特性，更好地還原井下力學(xué)環(huán)境。

覆巖對(duì)采空區(qū)矸石的壓力參數(shù)可借助Salamon公式進(jìn)行確定：

式中，σ為施加于采空區(qū)矸石上的壓應(yīng)力，MPa；ε為采空區(qū)矸石的體積應(yīng)變；εmax為采空區(qū)矸石最大體積應(yīng)變；E0初始切向模量，GPa。

式中，σc為3#煤層頂部位置的初始鉛垂應(yīng)力，取16.23MPa；b為采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)。

式中，hc為工作面煤層開(kāi)采高度，取6.35m；hcr為采空區(qū)垮落帶的高度，取21.6m。

結(jié)合式(2)—式(4)可得采空區(qū)矸石最大體積應(yīng)變是0.227、初始切向模量為26.05GPa、碎脹系數(shù)為1.294，并借助式(1)確定雙屈服模型頂部應(yīng)力與應(yīng)變之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 雙屈服模型中采空區(qū)矸石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

通過(guò)子模型(長(zhǎng)×寬×高=1m×1m×1m)進(jìn)一步驗(yàn)證模型參數(shù)的準(zhǔn)確度，將底部與四周位移進(jìn)行固定處理，僅在頂部施加以恒定速率變化的荷載，模擬加載效應(yīng)。模型相關(guān)參數(shù)借助體積模量、剪脹角、內(nèi)摩擦角等的迭代變化實(shí)現(xiàn)有效調(diào)整，采用試錯(cuò)的方法驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)的合理性。將體積模量、剪切模量、剪脹角、內(nèi)摩擦角以及采空區(qū)矸石密度依次設(shè)定成9.69GPa、7.25GPa、7°、30°和1800kg/m3，相關(guān)模擬結(jié)果與Salamon公式計(jì)算數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬和Salamon公式計(jì)算應(yīng)變-應(yīng)力曲線對(duì)比情況

由圖4可知，子模型模擬結(jié)果和Salamon公式計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出較高的一致性，借助于此便能夠進(jìn)一步確定關(guān)于優(yōu)化后采空區(qū)矸石的雙屈服本構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)，詳情見(jiàn)表3。

表3 采空區(qū)矸石雙屈服模型主要力學(xué)參數(shù)

2.2 基于組合拱梁的錨桿支護(hù)作用分析

模型平衡后分步開(kāi)挖工作面，同時(shí)構(gòu)建柔模墻體，再次平衡，得到工作面后方沿空留巷嚴(yán)重變形時(shí)的應(yīng)力變化情況和塑性區(qū)分布特征，通過(guò)設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，對(duì)側(cè)向支承壓力進(jìn)行研究。

1)模擬得到工作面回采之后，沿空留巷變形嚴(yán)重階段的塑性區(qū)變化特征和垂直應(yīng)力分布情況如圖5所示。由圖5(b)和圖6可以看出沿空留巷兩側(cè)各存在一個(gè)應(yīng)力升高區(qū)，分布在柔模墻體上和實(shí)體煤側(cè)距煤壁7.5m處，對(duì)應(yīng)的側(cè)向支承壓力峰值分別為40MPa、18.6MPa。

2)由圖5(a)塑性區(qū)的分布可得圍巖的破壞主要集中在實(shí)體煤側(cè)頂?shù)装濉⑷崮w附近頂板，且應(yīng)力集中程度更高的柔模墻體基本保持完好，符合現(xiàn)場(chǎng)沿空留巷變形特征。主要是由于幫底區(qū)域?yàn)閷?shí)體煤，其承載能力遠(yuǎn)小于人工構(gòu)建的柔模墻體導(dǎo)致。

圖5 模擬結(jié)果

3)根據(jù)圖6實(shí)體煤側(cè)向支承壓力分布情況可知，實(shí)體煤幫部鉆孔卸壓合理范圍在距煤壁7～20m。

圖6 沿空留巷兩側(cè)垂直應(yīng)力曲線

3 圍巖分區(qū)協(xié)同控制技術(shù)

3.1 巷幫分段擴(kuò)孔卸壓技術(shù)

針對(duì)S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷為軟底沿空留巷，圍巖條件較為復(fù)雜，且巷道變形嚴(yán)重的情況，提出以“控頂-限幫-讓底”為核心思路的圍巖分區(qū)協(xié)同控制方案。

變孔徑鉆孔卸壓原理如圖7所示，即利用可變直徑鉆頭，在巷道錨固區(qū)內(nèi)采用小直徑鉆孔，避免淺部鉆孔產(chǎn)生的塑性區(qū)相互貫通，減少鉆孔對(duì)巷道淺部圍巖承載結(jié)構(gòu)的破壞，降低鉆孔對(duì)巷道支護(hù)體強(qiáng)度的影響。在錨固區(qū)外、應(yīng)力峰值點(diǎn)前采用大直徑鉆孔，多個(gè)鉆孔形成塑性區(qū)相互貫通，形成卸壓帶，降低巷道圍巖高應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移與圍巖控制的目標(biāo)。

圖7 變孔徑鉆孔卸壓原理

幫部桁架錨索系統(tǒng)控制高應(yīng)力巷道變形機(jī)理可簡(jiǎn)要概括為“雙向施力、長(zhǎng)軟抗剪、線型承載、錨固點(diǎn)穩(wěn)、變形閉鎖”五條準(zhǔn)則，限制開(kāi)挖后巷道圍巖出現(xiàn)拉、剪破壞，維護(hù)高應(yīng)力巷道支護(hù)穩(wěn)定。

根據(jù)前述研究，S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷圍巖呈現(xiàn)典型的非對(duì)稱特征，如圖8所示，巷道右?guī)蜑槿崮w，整體強(qiáng)度高；左幫為實(shí)體煤，超過(guò)1m厚的底煤構(gòu)成軟底，即左幫和軟底構(gòu)成巷道圍巖淺部壓剪破壞區(qū)。

圖8 圍巖分區(qū)協(xié)同控制技術(shù)

該沿空留巷后期維護(hù)成本主要用于擴(kuò)幫作業(yè)，整個(gè)控制方案的核心是留巷時(shí)期適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，強(qiáng)化幫部控制，使煤幫應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，同時(shí)利用底板釋放，在軟底形成卸壓區(qū)，構(gòu)成圍巖分區(qū)協(xié)同控制系統(tǒng)。整個(gè)沿空留巷的控制方案如下：①在構(gòu)建柔模墻體的同時(shí)，補(bǔ)打煤幫短錨索形成桁架結(jié)構(gòu)，控制煤幫整體變形；②同時(shí)在實(shí)體煤側(cè)底板補(bǔ)打一根錨桿，防止出現(xiàn)嚴(yán)重底鼓；③在工作面推過(guò)留巷段前，開(kāi)始在煤幫進(jìn)行分段擴(kuò)孔卸壓，保證補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果的同時(shí)，將淺部圍巖應(yīng)力往深部轉(zhuǎn)移；④適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，實(shí)現(xiàn)巷道斷面尺寸的合理控制。

3.2 狹小空間快速挖底技術(shù)

為了達(dá)到卸壓效果，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的轉(zhuǎn)移與釋放，并未對(duì)軟弱底板煤層進(jìn)行有效控制，勢(shì)必會(huì)造成底鼓現(xiàn)象，這便形成了“讓底”的思路，通過(guò)底板的變形，進(jìn)一步為巷道兩幫與頂板創(chuàng)造低應(yīng)力環(huán)境。但S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷所處空間較為狹小，為充分保證底煤的短距離快速運(yùn)輸，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)一種快速挖底短距離運(yùn)輸裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)底煤的高效處理，如圖9所示。

圖9 快速挖底設(shè)備原理

該裝置通過(guò)在S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷超前段安裝單軌吊，通過(guò)承載小車加吊鏈與螺旋輸送機(jī)進(jìn)行連接，單軌吊通過(guò)制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)油缸、連接桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)螺旋輸送機(jī)，通過(guò)連接桿帶動(dòng)承載小車的移動(dòng)，從而使螺旋輸送機(jī)同步調(diào)前進(jìn)，底煤運(yùn)輸流程為：先人工處理底煤，將其鏟進(jìn)螺旋輸送機(jī)的進(jìn)料窗，將其輸送至工作面機(jī)尾處，經(jīng)過(guò)螺旋輸送機(jī)尾部放料窗，之后轉(zhuǎn)接至溜槽內(nèi)，將底煤送至工作面前刮板輸送機(jī)，最終送至地面。

4 工業(yè)性試驗(yàn)研究

4.1 支護(hù)方案與參數(shù)

S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷為本次實(shí)驗(yàn)巷道，在工作面推過(guò)之后留巷，沿煤層頂板布置，矩形巷道斷面尺寸為5200mm×3600mm，綜合數(shù)值模擬、理論分析、工程類比等方法確定圍巖分區(qū)協(xié)同控制的沿空留巷具體方案和參數(shù)如圖8所示。

1)留巷前支護(hù)。如圖10(a)黑色部分所示，頂板每排7根錨桿，間排距800mm×1000mm，實(shí)體煤側(cè)肩角錨桿垂直15°外斜布置，其余錨桿全部垂直頂板布置；幫部每排4根錨桿，間排距1000mm×1000mm，幫肩和幫腳錨桿斜15°布置其余錨桿全部水平布置。長(zhǎng)錨索間排距1600mm×1000mm，每排三根，均垂直打設(shè)。所有錨桿采用直徑22mm，長(zhǎng)度2400mm，長(zhǎng)錨索直徑22mm，長(zhǎng)度8300mm。

2)留巷后支護(hù)。在施工柔模墻體同時(shí)，頂板補(bǔ)強(qiáng)，在原有基本上補(bǔ)打兩根長(zhǎng)錨索，如圖10(a)所示；在實(shí)體煤幫補(bǔ)打短錨索，直徑22mm，長(zhǎng)度4300mm，間排距1000mm×1000mm，具體位置在兩根錨桿的中間高度上，分別距頂幫800mm，并用槽鋼連接，形成桁架結(jié)構(gòu)；在底板距離實(shí)體煤幫800mm位置，傾斜45°補(bǔ)打底板錨桿，錨桿規(guī)格與頂板相同，排距2000mm。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后進(jìn)行分段鉆孔卸壓，在實(shí)體煤幫中間位置鉆孔，淺部鉆孔長(zhǎng)度4m，直徑100mm，深部擴(kuò)大成直徑250mm，長(zhǎng)度16m，排距2000mm。

圖10 S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷留巷后支護(hù)方案(mm)

4.2 效果監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證圍巖分區(qū)協(xié)同控制方案的效果，需要對(duì)S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷后進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)。采用十字布點(diǎn)法在沿空留巷表面安設(shè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道斷面變形收斂情況。

1)S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷后圍巖位移曲線如圖11所示，沿空留巷斷面整體收斂較小，底鼓量在留巷七天后快速增加，但最大值小于200mm；在一個(gè)月的監(jiān)測(cè)中，頂板下沉量最大值小于160mm，實(shí)體煤幫最大變形量小于80mm，柔模墻體最大變形量小于60mm，說(shuō)明圍巖控制方案效果顯著。

圖11 位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線

2)從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，錨桿索支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，柔模墻體基本無(wú)傾斜，卸壓鉆孔全部坍塌，卸壓效果良好，大幅減少了擴(kuò)幫時(shí)間和成本，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了沿空留巷的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱高效開(kāi)采。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)S1303工作面每天進(jìn)尺3.2m，通過(guò)快速挖底裝置的使用，可將人工挖底的效率提升1倍，節(jié)省人力成本，提高工人操作的安全性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟弱煤層底板的快速高效處理。

5 結(jié) 論

1)綜放工作面軟底沿空留巷變形特征為：整體變形呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，實(shí)體煤幫鼓明顯、底鼓嚴(yán)重，實(shí)體煤側(cè)底鼓量大于柔模墻體側(cè)，且柔模墻體側(cè)頂板下沉量大于實(shí)體煤側(cè)。

2)通過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)沿空留巷圍巖破壞主要發(fā)生在實(shí)體煤幫，而非應(yīng)力集中程度更高的柔模墻體側(cè)，主要原因是實(shí)體煤承載能力遠(yuǎn)小于人工構(gòu)建的柔模墻體。

3)針對(duì)S1303輔助進(jìn)風(fēng)巷為軟底沿空留巷，圍巖條件較為復(fù)雜，且巷道變形嚴(yán)重的情況，提出以“控頂-限幫-讓底”為核心思路的圍巖分區(qū)協(xié)同控制方案。

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，沿空留巷底鼓量最大值小于200mm；頂板下沉量最大值小于160mm，實(shí)體煤幫最大變形量小于80mm，柔模墻體最大變形量小于60mm。斷面收斂小，證明圍巖分區(qū)協(xié)同控制方案可有效控制巷道圍巖變形。