李化敏，王文強(qiáng)，王祖洸，孫 浩

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000)

大同礦區(qū)石炭系煤層厚度達(dá)10～25 m，在綜放大空間、高強(qiáng)度開(kāi)采條件下留設(shè)38～45 m區(qū)段煤柱，造成煤炭資源大量損失，煤柱應(yīng)力高度集中，臨空巷道嚴(yán)重變形，嚴(yán)重制約特厚煤層高回收率開(kāi)采。小煤柱沿空掘巷作為提高特厚煤層資源回收率的有效方法在我國(guó)有著廣泛的前景，我國(guó)學(xué)者針對(duì)特厚煤層端部結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布、小煤柱留設(shè)、沿空巷道變形破壞機(jī)理等開(kāi)展了一系列研究，李化敏[1，2]、匡鐵軍[3]、樊俊鵬[4]等提出特厚煤層綜放面端部覆巖存在三角滑移區(qū)，可在工作面端部形成穩(wěn)定的應(yīng)力降低區(qū)，有利于小煤柱沿空巷道的布置與維護(hù)。許永祥[5]、王鈺博[6]、張磊[7]、成云海[8]等研究了特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植技把莼?guī)律，確定了應(yīng)力降低區(qū)范圍，為小煤柱寬度確定提供依據(jù)。何富連[9]、張廣超[10]等認(rèn)為特厚煤層沿空巷道頂板中心線兩側(cè)應(yīng)力不均勻分布，進(jìn)而誘發(fā)頂板和兩幫不對(duì)稱(chēng)變形破壞。郭重托[11]等基于極限平衡理論探究了側(cè)壓系數(shù)、采高、埋深及煤柱支護(hù)阻力等因素對(duì)窄煤柱寬度的影響規(guī)律。孫玉福[12]認(rèn)為巷道變形失穩(wěn)是多次動(dòng)壓影響、軟弱煤體、窄煤柱、大斷面和巖層水平運(yùn)動(dòng)綜合作用的結(jié)果。

針對(duì)特厚煤層沿空巷道圍巖控制，康紅普[13-15]等提出了由原巖應(yīng)力場(chǎng)、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成的綜合應(yīng)力場(chǎng)概念，分析了錨桿支護(hù)組合構(gòu)件的力學(xué)性能與支護(hù)效果。王德超[16]等提出了強(qiáng)力讓壓耦合支護(hù)和關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)的圍巖控制技術(shù)。李磊[17]等應(yīng)用高強(qiáng)度高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、底角錨桿、二次支護(hù)、向采空區(qū)傾斜錨索維護(hù)圍巖穩(wěn)定。何富連[18]、岳帥帥[19]、于振子[20]等提出了頂板以高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿支護(hù)系統(tǒng)、梯級(jí)錨固的束錨索支護(hù)系統(tǒng)以及多錨索-鋼帶桁架支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)力聯(lián)合控制技術(shù)。此外，田錦州[21]等提出了采用強(qiáng)力墩柱支護(hù)技術(shù)，張智強(qiáng)[22]等提出了小煤柱加固及雙柔模墻留巷支護(hù)技術(shù)。

總體來(lái)看，特厚煤層小煤柱沿空掘巷技術(shù)在我國(guó)得到了成功應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者對(duì)沿空據(jù)巷圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了研究與應(yīng)用，并取得一定效果。但由于特厚煤層小煤柱沿空巷道頂板及兩幫均為煤體，圍巖自身強(qiáng)度較低，且錨桿、錨索均在煤層中錨固，錨固位置難以到達(dá)煤層上方穩(wěn)定巖層中，關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)確定方法的實(shí)用性不強(qiáng)，因此小煤柱沿空巷道錨桿、錨索的支護(hù)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。小煤柱沿空巷道布置于相鄰工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)內(nèi)，既要經(jīng)歷上區(qū)段工作面采動(dòng)破壞，又要受到掘進(jìn)二次擾動(dòng)影響，淺部圍巖處于全塑性狀態(tài)，強(qiáng)礦壓條件下大范圍塑性圍巖控制技術(shù)需進(jìn)一步研究?；诖?，筆者以塔山煤礦特厚煤層綜放開(kāi)采小煤柱沿空掘巷為工程背景，研究特厚煤層沿空巷道圍巖支卸協(xié)同控制理論與技術(shù)，以保證沿空巷道圍巖穩(wěn)定。

1 工程概況

塔山煤礦現(xiàn)主采石炭系太原組3～5號(hào)煤層，平均煤厚15.18 m，屬特厚煤層。8204-2工作面采用特厚煤層小煤柱沿空掘巷技術(shù)，工作面的平均埋藏深度為503.66 m，煤層厚度在11.88～22.26 m之間，平均為15.05 m，傾角范圍在1°～3°，為近水平煤層；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中含有夾矸2～9層，夾矸厚度不均勻，單層厚度在0.15～6.81 m之間，平均為2.65 m。工作面走向可采長(zhǎng)度為1600 m，傾向長(zhǎng)度為146 m(回采前期)和209 m(回采后期)。工作面采用單一走向后退式長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化低位放頂煤的采煤方法，采高為3.8 m，放煤高度11.2 m，采放比為1∶2.947。

8204-2工作面東北側(cè)與8202采空區(qū)相鄰，西南部為8204采空區(qū)，東南方向?yàn)槎P(pán)區(qū)大巷。2204-2巷布置在靠近8202采空區(qū)側(cè)，與8202采空區(qū)間留設(shè)8 m小煤柱，巷道斷面為矩形，高度為3600 mm，寬度為5500 mm。5204-2巷布置在靠近8204采空區(qū)側(cè)，掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)歷兩次煤柱連續(xù)變化區(qū)，煤柱寬度分別為6.5～55.4 m、6～69.7 m，巷道斷面為矩形，高度為3800 mm，寬度為5500 mm。8204-2工作面布置如圖1所示。

圖1 8204-2工作面布置Fig.1 8204-2 workface layout

8204-2工作面直接頂厚度為1.59～16.96 m，平均7.83 m，上部為灰色煌斑巖、灰色天然焦、灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰白色粗砂巖；下部為黃白色、灰色煌斑巖，深灰色炭質(zhì)泥巖、泥巖，灰黑色、黑色天然焦交替賦存，局部為灰黑色高嶺質(zhì)泥巖。老頂厚度為2.30～3.74 m，平均2.79 m，上部為灰色粗砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)；下部為灰白色中粒砂巖，含暗色及綠色礦物。直接底厚度為0.30～2.70 m，平均1.26 m，巖性為灰色、灰褐色高嶺巖，灰黑色炭質(zhì)泥巖。老底厚度為4.75～37.50 m，平均23.65 m，巖性上部為淺灰色高嶺巖、灰白色細(xì)粒砂巖，中部為灰色中砂巖塊狀構(gòu)造，下部為灰白色粗砂巖、砂礫巖。

2 沿空全煤塑性區(qū)巷道雙層連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)

2.1 錨桿支護(hù)機(jī)理分析

錨桿的支護(hù)對(duì)象為巷道淺部掘進(jìn)引起的二次松動(dòng)破碎區(qū)圍巖，單根錨桿施加預(yù)緊力后在其附近巖體中形成近似于橢球形的壓應(yīng)力分布區(qū)，如圖2所示，壓應(yīng)力向錨桿兩側(cè)擴(kuò)展，對(duì)圍巖產(chǎn)生主動(dòng)支護(hù)作用，壓應(yīng)力的作用范圍、作用強(qiáng)度決定了錨固結(jié)構(gòu)的整體性能。當(dāng)錨桿間排距合理時(shí)，單根錨桿在圍巖中產(chǎn)生的壓應(yīng)力區(qū)相互作用、相互疊加，形成連續(xù)的壓應(yīng)力區(qū)域。在巷道周邊施工足夠密度的錨桿，可以提高圍巖整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在淺部二次松動(dòng)破碎區(qū)圍巖中形成連續(xù)的承載結(jié)構(gòu)，抑制圍巖變形破壞和塑性區(qū)向深部擴(kuò)展，錨桿支護(hù)機(jī)理如圖2所示。

圖2 錨桿支護(hù)機(jī)理Fig.2 Anchor bolt support mechanism

2.2 錨索支護(hù)機(jī)理分析

特厚煤層沿空巷道由于頂煤厚度大，錨索難以錨固到煤層上方的穩(wěn)定巖層中，從圍巖整體性的角度錨索支護(hù)機(jī)理如圖3所示。

圖3 錨索支護(hù)機(jī)理Fig.3 Anchor cable support mechanism

1)錨索可施加較大的預(yù)緊力，能夠提高錨桿作用范圍內(nèi)壓應(yīng)力場(chǎng)的范圍和壓應(yīng)力值，進(jìn)一步提高淺部圍巖強(qiáng)度和承載能力。

2)錨索作用于深部處于三向受力狀態(tài)的彈塑性區(qū)煤體，通過(guò)錨索將淺部圍巖形成的連續(xù)承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定圍巖相互作用，提高淺部承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)在錨索錨固端下方和錨桿錨固端上方的圍巖中能夠形成壓應(yīng)力場(chǎng)，充分調(diào)動(dòng)深部圍巖承載能力，使深部與淺部圍巖共同承載、協(xié)同作用。

2.3 沿空巷道雙層連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)

針對(duì)特厚煤層沿空全煤塑性區(qū)巷道圍巖控制難題，采用錨桿加固巷道淺部二次破碎區(qū)，形成淺層連續(xù)承載結(jié)構(gòu)體；采用錨索將淺層錨固結(jié)構(gòu)與深部三向受力狀態(tài)的穩(wěn)定煤體錨固形成較大范圍的連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)體，從而形成雙層連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 雙層連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)Fig.4 Double layer continuous stable load-bearing structure

3 錨桿(索)有效長(zhǎng)度計(jì)算方法

3.1 錨桿有效長(zhǎng)度計(jì)算

為使錨桿具有良好的錨固性，能夠維持承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，錨桿應(yīng)錨固在二次松動(dòng)破壞區(qū)外具有一定承載能力的塑性區(qū)圍巖中，根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究結(jié)論，錨桿長(zhǎng)度l由式(1)確定：

l=l1+l2+l3

(1)

式中，l為錨桿長(zhǎng)度，m；l1為錨桿外露長(zhǎng)度，m；l2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；l3為錨桿錨固長(zhǎng)度，m。

l2按巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的二次松動(dòng)破壞區(qū)范圍取值，即：

l2=lp

(2)

式中，lp為二次松動(dòng)破壞區(qū)范圍，可采用鉆孔窺視、超聲波探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等方法實(shí)測(cè)獲得，m。

根據(jù)錨桿支護(hù)機(jī)理，錨桿長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

l=l1+lp+l3

(3)

特厚煤層小煤柱沿空巷道受多次采掘影響，圍巖松動(dòng)破壞區(qū)范圍可能大于錨桿長(zhǎng)度，若范圍大于2.5 m，可使用短錨索代替錨桿支護(hù)。

3.2 錨索有效長(zhǎng)度計(jì)算

在特厚煤層條件下錨索難以錨固在煤層上方的穩(wěn)定巖層中，其錨固端應(yīng)處于具有可錨性的穩(wěn)定煤體中，通過(guò)使用高強(qiáng)度錨索、施加高預(yù)緊力使錨桿支護(hù)形成的連續(xù)承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相互作用，共同保證圍巖穩(wěn)定，根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究結(jié)論，錨索長(zhǎng)度L由式(4)確定：

L=L1+L2+L3

(4)

式中，L為錨索長(zhǎng)度，m；L1為錨索外露長(zhǎng)度，m；L2為錨索有效長(zhǎng)度，m；L3為錨索錨固長(zhǎng)度，m。

根據(jù)巷道掘進(jìn)后產(chǎn)生的二次應(yīng)力曲線，確定錨索有效長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)使錨索錨固端位于應(yīng)力峰值60%～80%的峰前位置，該區(qū)域煤體處于三向受力的穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的穩(wěn)定性和承載能力，錨索長(zhǎng)度計(jì)算原理如圖5所示。結(jié)合理論分析和井下實(shí)測(cè)，該范圍為巷道跨度的1.05～1.25倍，當(dāng)煤體較硬時(shí)取小值，煤體較軟時(shí)取大值。

圖5 錨索長(zhǎng)度計(jì)算原理Fig.5 Principle of anchor cable length calculation

對(duì)于矩形巷道，頂錨索L2的計(jì)算方法為：

L2=KB

(5)

式中，B為巷道跨度，m；K為煤的硬度系數(shù)，一般取1.05～1.25。

實(shí)煤體幫錨索L2的計(jì)算方法為：

L2=Kh

(6)

式中，h為巷道高度，m。

小煤柱在上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力和沿空巷道掘進(jìn)期間引起的二次擾動(dòng)作用下破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，對(duì)于小煤柱沿空巷道煤柱幫錨索長(zhǎng)度應(yīng)由式(7)確定：

式中，L為煤柱幫錨索長(zhǎng)度，m；a為小煤柱寬度，m；Δ為富余長(zhǎng)度，取0.5～1 m。

4 特厚煤層沿空掘巷圍巖支卸協(xié)同控制技術(shù)

4.1 高預(yù)緊力、高強(qiáng)“錨-網(wǎng)-索”支護(hù)體系

錨桿、錨索預(yù)緊力的主要作用是在圍巖中形成壓應(yīng)力場(chǎng)，預(yù)緊力越大，在圍巖中形成的壓應(yīng)力場(chǎng)范圍越大、壓應(yīng)力值越高，對(duì)圍巖的控制效果越好。結(jié)合巷道圍巖特征和施工條件，錨桿預(yù)緊力較合理的取值范圍為桿體屈服力的30%～60%，錨索預(yù)緊力一般取破斷力的40%～70%，錨桿、錨索直徑越大、強(qiáng)度越高，其預(yù)緊力也應(yīng)越大。根據(jù)特厚煤層小煤柱沿空巷道的圍巖特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)高預(yù)應(yīng)力支護(hù)，錨桿預(yù)緊力取值為桿體屈服力的40%～50%，錨索預(yù)緊力取值為破斷力的50%～60%。2204-2巷、5204-2巷選用直徑為22 mm、屈服強(qiáng)度為500 MPa的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，預(yù)緊力90 kN；選用直徑21.8 mm的1×19結(jié)構(gòu)高強(qiáng)錨索，預(yù)緊力320 kN。

由式(1)—式(3)計(jì)算的頂幫錨桿長(zhǎng)度為2500 mm，由式(4)—式(7)計(jì)算的頂錨索長(zhǎng)度為8300 mm，實(shí)煤體幫錨索長(zhǎng)度為5300 mm，小煤柱幫錨索長(zhǎng)度為4300 mm。頂錨桿間排距為900 mm×1800 mm，配套使用規(guī)格為4800 mm×280 mm×3.75 mm的W鋼帶和150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)度拱形托盤(pán)；幫錨桿間排距為900 mm×900 mm，配套使用規(guī)格為450 mm×280 mm×4.75 mm的W鋼護(hù)板和150 mm×150 mm×10 mm的高強(qiáng)度拱形托盤(pán)。頂錨索間排距為900 mm×1800 mm，配套使用規(guī)格為5000 mm×330 mm×6 mm的JW鋼帶和200 mm×200 mm×12 mm異形托盤(pán)，頂板局部使用五眼組合錨索加強(qiáng)支護(hù)；幫錨索間排距900 mm×900 mm，呈鋸齒狀布置，替代相應(yīng)位置幫錨桿，配套使用規(guī)格為300 mm×300 mm×14 mm的高強(qiáng)度拱形托盤(pán)；肩角錨索長(zhǎng)度為5300 mm，排距為1800 mm，配套使用長(zhǎng)度為600 mm的11#工字鋼。

4.2 井下水力切頂卸壓

切頂卸壓就是在工作面前方回采巷道小煤柱側(cè)布置切頂鉆孔，采用磨料水射流切割的方法對(duì)頂板進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，使頂板沿預(yù)定方向產(chǎn)生切縫，切斷巷道頂板與小煤柱側(cè)堅(jiān)硬頂板之間的力學(xué)聯(lián)系，改變綜放面端部結(jié)構(gòu)，減小端部上覆堅(jiān)硬巖層懸頂面積。隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板沿切縫垮落，大幅減小頂板在采空區(qū)側(cè)的懸露面積，使側(cè)向支承壓力峰值降低并向煤體深部轉(zhuǎn)移，有效增加側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍，同時(shí)縮短綜放面端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)間，為沿空巷道掘進(jìn)創(chuàng)造良好的應(yīng)力和時(shí)間環(huán)境。沿空掘巷超前預(yù)裂切縫卸壓如圖6所示。

圖6 沿空掘巷超前預(yù)裂切縫卸壓Fig.6 Advance pre-cracking and slotting pressure relief in gob-side entry diving

在2204-2巷小煤柱側(cè)進(jìn)行切頂卸壓，超前預(yù)裂切縫高度要達(dá)到煤層基本頂上邊界，確保把巷道上方和煤柱上方的基本頂完全切斷，根據(jù)鉆孔柱狀圖確定鉆孔深度30 m，鉆孔間距1 m，沿巷道小煤柱側(cè)垂直頂板布置。

4.3 巷幫大直徑鉆孔卸壓和底板卸壓槽

4.3.1 巷幫大直徑鉆孔卸壓

采用履帶式鉆機(jī)在5204-2巷兩幫施工直徑為130 mm的卸壓鉆孔，鉆孔深度10 m/15 m，排間距為900 mm×500 mm，煤幫施工2～3排鉆孔，共計(jì)施工鉆孔2276個(gè)，使5204-2巷道周邊煤體圍巖塑性破壞，有效防止工作面回采期間強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 煤柱幫鉆孔參數(shù)Table 1 Coal pillar side drilling parameters

表2 采煤幫鉆孔參數(shù)Table 2 Coal mining side drilling parameters

4.3.2 底板卸壓槽

在2204-2巷底板開(kāi)挖卸壓槽，卸壓槽尺寸為500 mm(高)×500 mm(深)。施工卸壓槽后，卸壓槽在工作面前方100 m范圍明顯收縮，部分區(qū)域已閉合，有效緩解了2204-2巷的底鼓和兩幫變形，減弱巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)。

4.4 應(yīng)用效果分析

在2204-2巷采位800、860、920 m設(shè)置3個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)測(cè)站，編號(hào)為A1、A2、A3，在5204-2巷采位800、880、950 m設(shè)置3個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)測(cè)站，編號(hào)為B1、B2、B3，用于監(jiān)測(cè)小煤柱沿空巷道掘進(jìn)和回采期間巷道變形情況，各測(cè)站觀測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Monitoring results of roadway deformation

掘進(jìn)期間巷道變形不明顯，2204-2巷兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為18～24 mm、14～18 mm，掘進(jìn)后20 d左右變形趨于穩(wěn)定；5204-2巷兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為19～37 mm、16～25 mm，掘進(jìn)后25 d左右變形趨于穩(wěn)定。回采期間2204-2巷兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為229～330 mm、482～576 mm，5204-2巷兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為296～372 mm、559～685 mm，5204-2巷變形量整體大于2204-2巷，巷道頂?shù)装逡平枯^大，小煤柱沿空巷道維護(hù)狀態(tài)較好，可滿足使用要求。

5 結(jié) 論

1)特厚煤層小煤柱沿空巷道具有全煤巷、塑性區(qū)范圍大的特征，錨桿支護(hù)作用于淺部二次破碎區(qū)煤體，錨索作用于深部處于三向受力狀態(tài)的穩(wěn)定煤體，形成淺部與深部雙層連續(xù)穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，維護(hù)沿空巷道圍巖穩(wěn)定。

2)錨桿錨固位置為二次松動(dòng)破壞區(qū)外具有一定承載能力的塑性區(qū)煤體，錨索錨固位置為深部具有良好穩(wěn)定性和承載能力的煤體，基于錨桿、錨索的錨固特征優(yōu)化了錨桿、錨索有效長(zhǎng)度的實(shí)用計(jì)算方法。

3)以高預(yù)緊力、高強(qiáng)“錨-網(wǎng)-索”支護(hù)為基礎(chǔ)，堅(jiān)硬頂板井下磨料水射流切頂卸壓、巷幫大直徑鉆孔卸壓、底板卸壓槽卸壓為輔的“支卸協(xié)同”巷道圍巖控制技術(shù)體系，能夠有效控制小煤柱沿空巷道圍巖變形。