佘永明

（國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315）

0 引言

近年來，為提高煤炭資源回收率、緩解采掘接續(xù)緊張局面、減少采空區(qū)遺煤損失，我國各大礦區(qū)在地質(zhì)開采條件適宜的礦井持續(xù)推行沿空留巷開采技術(shù)[1-2]。孫壘等[3]、羅明坤等[4]通過實驗室試驗，配比得出具有高強、讓壓承載性能的混凝土-高水材料組合充填墻體，在樟村煤礦大采高工作面成功應用；張智強等[5]針對12.6 m 厚煤層分層開采底分層沿空留巷瓦斯超限難題，設(shè)計兩幫雙柔模墻圍巖控制技術(shù)，有效控制了頂?shù)装遄冃魏兔褐咚節(jié)B漏；柏建彪等[6]、張自政等[7]、卞卡等[8]在高水材料充填沿空留巷理論研究和工程應用基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了留巷巷道受載變形特征，揭示了巷道的力源及圍巖控制關(guān)鍵區(qū)域；王東攀等[9]、陳金宇[10]針對高瓦斯厚煤層綜放開采條件，運用“支-卸”協(xié)同圍巖控制理念將水力壓裂卸壓與高強混凝土墻體巷旁支護聯(lián)合應用，改善了留巷應力環(huán)境，有效控制了圍巖變形。現(xiàn)有研究成果根據(jù)不同開采地質(zhì)條件、技術(shù)裝備水平針對性的提出了沿空留巷圍巖控制技術(shù)[11-13]，以高水材料、混凝土墻體為巷旁支護的沿空留巷技術(shù)應用較為廣泛，墻體留巷具有工序簡單、強度可靠、密閉性強等優(yōu)點[14-16]，但相應的充填材料用量較大，礦井輔助運輸壓力較高等問題制約了沿空留巷技術(shù)的應用泛度，如何在保障巷旁支護強度、有效控制圍巖變形的前提下減少充填材料用量成為沿空留巷技術(shù)推廣的重要難題。本文以某淺埋礦井50108 工作面為背景，結(jié)合理論分析、實驗室試驗及現(xiàn)場工業(yè)性試驗，確定沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制技術(shù)，研究成果可為類似地質(zhì)及開采條件礦井提供技術(shù)支持與借鑒。

1 工程概況

該礦為淺埋深、低瓦斯礦井，目前所采煤層為5-2煤層，按傳統(tǒng)“U+L”型巷道布置方式，工作面間留設(shè)15 m 區(qū)段煤柱，造成資源浪費，并且遺留煤柱產(chǎn)生的采空區(qū)自燃問題以及下部煤層產(chǎn)生的應力集中問題對礦井高效安全開采造成威脅。

50108 工作面傾向長度245 m，走向長度4 462 m，主采5-2煤層，煤層埋深180 m，平均厚度3.1 m，50108 工作面運輸順槽沿底掘進，巷道寬5.5 m，高3.1 m，巷道上方依次為平均厚度13.5 m、抗壓強度32.74 MPa 的粉砂巖直接頂，以及平均厚度4.5 m、抗壓強度33.20 MPa 的砂質(zhì)泥巖基本頂。留巷后寬度4.7 m，用作50107 工作面回風平巷，留巷工作面采用兩進一回Y 型通風方式（圖1）。

為提高礦井資源回收率、緩解采掘接替局面，實現(xiàn)快速、低成本留巷，在50108 工作面開展泵充混凝土支柱沿空留巷工業(yè)性試驗。試驗分兩階段：①初次留巷階段，在50108 工作面回采過程中，將工作面運輸平巷試驗段（共450 m）沿采空區(qū)保留下來；②巷道復用階段，在相鄰的50107 工作面回采過程中，回收試驗段巷間煤柱，通過礦壓監(jiān)測對留巷效果進行評估與驗證。

2 沿空巷道“支-卸”協(xié)同圍巖控制對策

根據(jù)“關(guān)鍵層”理論，自切眼開始，隨著50108 工作面向前推采，覆巖下方采出空間逐漸增大，頂板懸露面積隨之線性增加，在達到極限跨度后，基本頂發(fā)生“O-X”初次破斷。隨著工作面繼續(xù)推進，支架后方覆巖懸露長度不斷達到臨界值，周期性的發(fā)生破斷；而在工作面兩側(cè)回采巷道上方，基本頂一端在采空區(qū)邊緣彈塑性交界處發(fā)生破斷繼而形成弧形三角塊B，另一端以一定角度向50108 工作面采空區(qū)回轉(zhuǎn)并與相鄰巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)[17-18]，如圖2 所示。

圖2 50108 工作面沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Plan of overlying rock structure of gob-side entry retaining in 50108 working face

弧形三角塊在巷道圍巖上方形成懸頂結(jié)構(gòu)，對于50108 運輸平巷圍巖受載變形具有極強的控制作用，其破斷、回轉(zhuǎn)、滑移、變形等運移過程是造成巷道圍巖變形破壞和巷旁支護體失穩(wěn)破壞的主要原因。

對厚硬頂板的控制是沿空巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，基于50108 工作面開采地質(zhì)實際，確定高強度巷內(nèi)支護、強力巷旁支護可有效控制頂板離層、變形速率，以及超前水力卸壓弱化采空區(qū)懸臂梁覆巖偏載傳遞效能，改善巷道圍巖應力環(huán)境的“支-卸”協(xié)同圍巖控制對策。

3 沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制技術(shù)

3.1 巷內(nèi)支護優(yōu)化設(shè)計

50108 工作面運輸平巷錨桿初始頂板支護采用Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿配鋼筋梯梁支護，錨桿間排距1 100×1 200 mm，每排5 根，樹脂加長錨固，鋼筋梯梁由Φ12 mm 鋼筋焊接而成，寬80 mm，長4.5 m；回采幫采用Φ20 mm×1 600 mm 玻璃鋼錨桿支護，煤柱幫采用Φ18 mm×1 600 mm 螺紋鋼錨桿，兩幫支護體對稱布置，間排距750×1 200 mm，每排3 根。

根據(jù)巷道回采變形數(shù)據(jù)及沿空巷道圍巖變形特征[1-2]，重點對煤柱幫上部及采空側(cè)頂板進行補強（圖3），確定巷內(nèi)支護優(yōu)化方案為：①頂板錨索鋼帶補強，采用Φ17.8 mm×6 300 mm 鋼絞線錨索，每排2 根，排距 1 200 mm，分別距回采幫200 mm、2 200 mm，鋼帶規(guī)格為WX280/3，順巷道軸向與錨索搭配布置；②煤柱幫錨桿補強，規(guī)格為Φ18 mm×2 000 mm 螺紋鋼錨桿，每排2 根，排距1 200 mm，分別距巷道頂板300 mm、1 000 mm，布置在原幫部支護體兩排之間；回采幫無需補強支護。

圖3 50108 運輸平巷補強支護示意圖Fig.3 Schematic diagram of reinforcement and support for 50108 transportation roadway

3.2 超前水力壓裂卸壓

在沿空留巷巷道內(nèi)，沿走向方向的給定位置超前采取水力壓裂卸壓措施，將堅硬頂板拉裂成縫，一方面可以降低巷旁支護體的集中應力，減小支護體載荷，另一方面對留巷巷道的底臌和兩幫移近也有一定的緩和作用。同時，對于留巷工作面，頂板沿走向卸壓后，會引導老頂沿壓裂縫斷裂，有利于形成“短懸臂梁”結(jié)構(gòu)，減小巷旁支護體上覆巖層載荷，同時有利于垮落矸石盡快充滿采空區(qū)，提高柱間密封效果。

50108 工作面運輸平巷超前卸壓鉆孔布置如圖4 所示。在50108 運輸平巷靠工作面?zhèn)葞徒鞘┕う?6 mm 鉆孔，間隔10 m，對工作面上方堅硬巖層壓裂與弱化，鉆孔與水平線夾角45°，長40 m，其中，封孔長度12 m，壓裂長度28 m，壓裂間隔為3 m。

圖4 50108 工作面切頂卸壓鉆孔布置圖Fig.4 Layout diagram of top cutting and pressure relief drilling holes for 50108 working face

3.3 泵充混凝土支柱選型設(shè)計

相較于墻體留巷，支柱留巷在同等支護強度下充填材料用量可減少50%以上，大大節(jié)省了材料成本，緩解了輔助運輸壓力，為開發(fā)適用于沿空巷道的高強支柱，進行不同結(jié)構(gòu)、不同直徑支柱原型試驗，以確定可保障圍巖穩(wěn)定的合理支柱選型。

3.3.1 不同結(jié)構(gòu)支柱原型試驗

目前常用的支柱充填材料包括高水材料和混凝土兩種，相較于混凝土，高水材料具有速凝、早強、接頂效果好等優(yōu)點，然而，成本較高、強度略低、易劣化等特性也制約了高水材料在泵充支柱中的應用。為明確兩種材料填充的強力支柱力學特性方面的差異，通過1∶1 原型試驗試制了高水材料支柱和混凝土支柱，支柱外約束選取了金屬網(wǎng)、聚酯纖維網(wǎng)和波紋管三種，分別在支架性能試驗臺進行了抗壓測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)支柱承載能力對比表Table 1 Comparison table of bearing capacity of different structural pillars

對比不同內(nèi)外結(jié)構(gòu)支柱受載-變形曲線可知：①相同外約束條件下，混凝土支柱承載能力高于高水材料支柱，而變形小于高水材料支柱；②外約束對支柱整體強度有明顯提升，三種外約束對于支柱整體強度的提升由高到低分別為波紋管、聚酯纖維網(wǎng)、金屬網(wǎng)。

3.3.2 不同直徑支柱對比試驗

為探究支柱直徑對其承載能力的影響，以直徑800 mm、外約束為波紋管的混凝土支柱為基準，進行直徑1 000 mm 和1 200 mm，外約束為波紋管的混凝土支柱承載性能試驗。7#支柱、9#支柱實驗結(jié)果如圖5 所示，不同直徑支柱承載能力對比見表2。

表2 不同直徑支柱承載能力對比表Table 2 Comparison table of bearing capacity of pillars with different diameters

圖5 不同直徑原型支柱受載-變形曲線Fig.5 Load deformation curves of prototype pillars with different diameters

結(jié)合前文實驗數(shù)據(jù)，對比直徑800 mm、1 000 mm和1 200 mm 混凝土支柱的受載變形情況可知：①支柱直徑超過1 000 mm 以后，承載能力可以提高到15 000 kN 以上，由于此時支柱受載加上自重已接近實驗室壓力機的極限測試能力，故4 根支柱均未測試出極限承載能力，實驗過后支柱僅輕微破壞，無明顯變形破壞現(xiàn)象；②支柱直徑越大，剛度越大，同樣受載條件下下縮量越小。

3.3.3 泵充混凝土支柱選型計算

根據(jù)50108 運輸平巷工程地質(zhì)實際，充分考慮實體煤幫、巷旁支護體以及采空區(qū)矸石承載能力及沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征情況下，保障留巷圍巖穩(wěn)定所需的巷旁支護阻力可由式（1）計算[19-20]。

式中：[F3]為巷旁支護體承載能力要求，kN；L0為頂板巖梁長度，取工作面平均周期來壓步距，19.5 m；L1為頂板巖梁斷裂線距煤壁距離，取6.0 m；L2為留巷寬度，取4.7 m；L4為采空區(qū)矸石壓縮長度，取24 m；MZ、ME為直接頂厚度、基本頂厚度，分別取13.5 m、4.5 m；γZ、γE為直接頂容重和基本頂容重，取2.5×104N/m2；F1為實體煤對頂板的支撐力，計算見式（2）；F4為采空區(qū)矸石對頂板的支撐力，計算見式（3）。

式中：q1、q2分別為實體煤幫內(nèi)斷裂線處以及煤壁處的載荷強度，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果分別取295 kN/m、390 kN/m；q4為最大壓縮點采空區(qū)矸石載荷強度，根據(jù)采空區(qū)矸石室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果取340 kN/m；

將相應各參數(shù)取值相繼代入式（1）～式（3）計算可得，巷旁支護體延米支護阻力應不低于6 251.25 kN。考慮到巖層狀態(tài)起伏、覆巖穩(wěn)定過程中的動載沖擊以及支柱間距（取0.5 m）等影響，安全系數(shù)取1.3，故合理支柱支護能力應達到8 477.63 kN。結(jié)合不同結(jié)構(gòu)、不同直徑支柱原型試驗結(jié)果，綜合考慮試驗巷道各地段尺寸變化，最終確定巷旁支護選用Φ800 mm×3 200 mm、外約束為波紋管的混凝土支柱。

4 礦壓監(jiān)測與沿空留巷“支-卸”協(xié)同圍巖控制效果分析

為評估沿空留巷效果，在50108 工作面運輸平巷設(shè)置圍巖位移監(jiān)測站，對巷道留巷、復用期間圍巖變形情況進行監(jiān)測。留巷過程中巷道兩幫無明顯變形，巷道頂板自工作面推過測站后出現(xiàn)瞬時下沉，變形量為4 mm，滯后工作面20～50 m 范圍內(nèi)變形量增速最大，由4 mm 增至15 mm，滯后工作面50～160 m范圍內(nèi)頂板持續(xù)下沉，頂板下沉量達到35 mm，隨著工作面繼續(xù)推進，頂板趨于穩(wěn)定，采動影響不明顯，巷道最大下沉量為38 mm。

復用期間，巷道各區(qū)域圍巖變形曲線如圖6 所示。由圖6 可知，回采幫無明顯變形，支柱受覆巖頂板向采空區(qū)側(cè)向回轉(zhuǎn)變形影響，出現(xiàn)了向側(cè)向采空區(qū)傾斜現(xiàn)象，在距工作面30 m 范圍內(nèi)較為明顯。巷道頂板在距工作面120 m 處出現(xiàn)輕微變形，隨后保持平穩(wěn)，距工作面50 m 左右頂板出現(xiàn)持續(xù)下沉，下沉量為60 mm 左右，至工作面推過測站，頂板支護由超前支架更替為單體支柱后，由于超前架反復支撐破壞頂板支護體，端頭處頂板出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，在支架側(cè)方與采空區(qū)交界點下沉量達到最大。

圖6 50108 工作面沿空巷道復用期間圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curves of strata during the reuse of gob-side entry retaining in the 50108 working face

綜上，留巷期間，在水力壓裂超前卸壓，巷內(nèi)支護、巷旁支護協(xié)同控制下，巷道圍巖穩(wěn)定，頂板最大下沉量為38 mm；巷道復用期間，在巷旁強力支柱及六組超前架協(xié)同支護作用下，沿空巷道整體穩(wěn)定，除單體支柱支護的端頭區(qū)域外，未出現(xiàn)明顯變形，同時，工作面在巷道復用過程中成功回收試驗段巷間15 m煤柱，實現(xiàn)了煤柱資源高效回收（圖7）。

圖7 50108 工作面沿空巷道超前段圍巖控制效果圖Fig.7 Effect diagram of strata contral in the front section of the gob-side entry retaining of the 50108 working face

5 結(jié)論

1）基于厚硬頂板沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)分析，確定高強度巷內(nèi)支護、強力巷旁支護有效控制頂板離層、變形速率，以及超前水力卸壓弱化采空區(qū)懸臂梁覆巖偏載傳遞效能、改善巷道圍巖應力環(huán)境的“支-卸”協(xié)同圍巖控制對策。

2）結(jié)合實驗室原型試驗和理論分析，對不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的支柱承載能力以及巷旁支護極限強度進行研究，確定了合理支柱支護能力應達到8 477.63 kN，以保障沿空巷道頂板穩(wěn)定為目的，適用于50108 工作面的合理巷旁支護選型為直徑800 mm、外約束波紋管的混凝土支柱。

3）圍巖變形與留巷效果監(jiān)測表明，在水力壓裂超前卸壓，巷內(nèi)支護、巷旁支護協(xié)同控制下，留巷期間巷道整體穩(wěn)定，復用期間巷道除端頭區(qū)域外，無明顯變形現(xiàn)象，沿空巷道滿足工作面正常生產(chǎn)需求，實現(xiàn)了資源高效回收，試驗效果良好。