中厚煤層復(fù)合頂板切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用研究

何滿潮，馬新根,2，王 炯,2，劉雨興,2，李 釗

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京，100083；3.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西大同，037003)

0 引言

隨著國內(nèi)外地下采煤機(jī)械化程度的普遍提高，煤炭開采數(shù)量逐年增加，煤炭資源浪費(fèi)的現(xiàn)象越來越得到業(yè)內(nèi)重視[1]。留設(shè)煤柱的井工礦傳統(tǒng)開采方法具有浪費(fèi)煤炭資源、增加巷道掘進(jìn)作業(yè)量的缺點(diǎn)，而沿空留巷無煤柱開采技術(shù)可以有效解決以上兩個問題，同時，通過減少或取消巷道的掘進(jìn)作業(yè)，也可以避免一些該作業(yè)過程中存在的安全隱患[2-3]。因此，隨著當(dāng)前我國煤炭資源的日益緊張，以及煤炭開采深度的不斷增加，沿空留巷無煤柱開采技術(shù)成為一種井工煤礦優(yōu)先選擇的煤炭開采方式[4]。

傳統(tǒng)沿空留巷技術(shù)解決了煤柱資源浪費(fèi)的問題，即通過一定的技術(shù)手段保留工作面下順槽服務(wù)于下一工作面開采，基本實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，提高了煤炭資源的采出率，降低了采掘比，延長礦井服務(wù)年限，在通風(fēng)及瓦斯積聚等方面也有一定的優(yōu)勢[3-5]。但其施工工藝復(fù)雜、留巷成本較高、充填體大多為剛性材料，不具備大變形特性，受力較為集中，易被壓垮，造成沿空巷道失穩(wěn)[6]。目前國內(nèi)外關(guān)于沿空留巷充填支護(hù)體的穩(wěn)定性研究較多，康紅普等研究了深部留巷圍巖變形與應(yīng)力分布規(guī)律[7]；布鐵勇等選用袋裝ZKD型新型高水速凝材料構(gòu)筑巷旁充填體，研制了沿空留巷專用液壓支架對充填體兩側(cè)頂板進(jìn)行臨時加強(qiáng)支護(hù)，改善了留巷效果[8]；譚云亮等提出采用柔性材料和高強(qiáng)材料共同作用，實(shí)現(xiàn)了堅硬頂板條件下的沿空留巷[9]；陳勇等采用數(shù)值模擬分析了巷內(nèi)支護(hù)與圍巖變形、應(yīng)力分布的關(guān)系,揭示了沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)機(jī)理[10]。上述相關(guān)研究為我國沿空留巷技術(shù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但沿空留巷本質(zhì)性的問題依然沒有得到解決，究其原因，根本在于沿空巷道仍處于“傳統(tǒng)模式下的礦山壓力”作用下。

針對上述問題，何滿潮于2008年提出“切頂短臂梁理論”，并在白皎煤礦首次成功實(shí)現(xiàn)切頂卸壓自動成巷無煤柱開采[11]。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采是一種新型的更綠色科學(xué)的沿空留巷技術(shù)，通過對采空區(qū)側(cè)頂板超前預(yù)裂切縫，使切縫深度范圍內(nèi)的巖體沿切縫線垮落并利用其碎脹性充填采空區(qū)，形成新的巷幫，同時由于切縫結(jié)構(gòu)面的形成，切斷了采空區(qū)頂板上覆巖層和留巷頂板之間的應(yīng)力傳遞，使留巷圍巖受力集中狀態(tài)得以改善，真正意義上實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采[12]。該技術(shù)不僅避免了留設(shè)煤柱造成的資源浪費(fèi)，提高了資源回收率和礦井生產(chǎn)效率，減小了采掘比，還減小了巷道掘進(jìn)及返修工作量，降低了工人勞動強(qiáng)度，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；此外還消除了臨近工作面煤體上方應(yīng)力集中的問題，避免了瓦斯突出、沖擊地壓隱患，具有明顯的安全效益[13]。

經(jīng)過近幾年的試驗(yàn)推廣，切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)取得了大量研究成果，如郭志飚等通過建立力學(xué)模型和利用數(shù)值分析方法對薄煤層切頂卸壓自動成巷展開研究，確定預(yù)裂切頂關(guān)鍵參數(shù)，研究成果在嘉陽煤礦3118工作面成功應(yīng)用[14]；高玉兵等采用力學(xué)分析、數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，提出了動壓放沖、緩壓讓位和恒壓穩(wěn)控的多層次控制思路，解決了厚煤層切頂卸壓自動成巷碎石幫壓力控制的問題[15]；陳上元等在沿空留巷覆巖運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究了采空側(cè)頂板預(yù)裂卸壓機(jī)制，建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)—巷旁支護(hù)體”力學(xué)模型，得出了巷旁支護(hù)阻力的計算方法[16]。為進(jìn)一步完善切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)體系，探究不同地質(zhì)條件下的頂板切縫卸壓效應(yīng)，本文以塔山煤礦8304工作面中厚煤層復(fù)合頂板條件下的切頂卸壓自成巷實(shí)踐作為工程實(shí)例，對該典型條件下的留巷工藝及效果進(jìn)行總結(jié)，研究成果對切頂卸壓自成巷技術(shù)的進(jìn)一步推廣和優(yōu)化具有一定借鑒意義。

1 切頂成巷機(jī)理及工藝流程

1.1 切頂成巷機(jī)理

基于“切頂短壁梁理論”提出的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)，其原理是在對預(yù)留巷道頂板采用恒阻大變形錨索加強(qiáng)支護(hù)的前提下，沿采空區(qū)側(cè)頂板進(jìn)行超前預(yù)裂切縫，在采空區(qū)側(cè)頂板上覆一定范圍巖層與巷道頂板上覆巖層之間形成切縫結(jié)構(gòu)面，切斷兩者之間的應(yīng)力傳遞路徑，使留巷頂板受力結(jié)構(gòu)狀態(tài)由長臂梁轉(zhuǎn)變?yōu)槎瘫哿海诠ぷ髅婊夭珊螅煽諈^(qū)切縫高度范圍內(nèi)巖層在來壓作用下沿切縫面垮落形成巷幫，從而實(shí)現(xiàn)無煤柱自動成巷[11]。技術(shù)原理如圖1所示。

圖1切頂留巷技術(shù)原理

1.2 主要工藝流程

根據(jù)切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)原理，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可對其實(shí)施工藝流程進(jìn)行歸納總結(jié)，具體步驟如下：

（1）按設(shè)計支護(hù)參數(shù)施工恒阻大變形錨索對留巷順槽頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，如圖2（a）所示；（2）恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)完成后，超前工作面一定距離施工切縫孔，并進(jìn)行雙向聚能爆破，形成頂板切縫，如圖2（b）所示；（3）待工作面回采后，及時布置擋矸支護(hù)和架后臨時支護(hù)，其中架后臨時支護(hù)可采用切頂護(hù)幫支架或單體支柱支護(hù)，如圖2（c）；（4）隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板在自重及礦山壓力作用下，沿切縫面逐漸垮落壓實(shí)形成巷幫，待巷道穩(wěn)定后逐步回撤巷內(nèi)臨時支護(hù)，留巷完成，如圖2（d）。

圖2施工工藝流程

2 工程概況及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 工程概況

圖3同煤集團(tuán)塔山煤礦三盤區(qū)東翼8304工作面布置平面

試驗(yàn)工作面8304工作面為塔山煤礦三盤區(qū)東翼的首采面，工作面走向長度為670 m，傾斜長度為127 m，煤層總厚度為1.80 m～3.55 m，平均厚度約為3.1 m，工作面地面標(biāo)高為1 391.0 m～1 417.0 m，工作面標(biāo)高為1 006.0 m～1 024.0 m，工作面埋深約367 m～411 m，工作面內(nèi)煤層傾角在2°～6°之間，全工作面平均煤層傾角4°，直接頂和直接底均為泥巖，基本頂和基本底分別為細(xì)砂巖和粉砂巖，工作面基本參數(shù)見表1所示。8304工作面的切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采擬對切眼和順槽兩部分進(jìn)行爆破切縫，其中：順槽切縫可切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板的壓力傳遞，減弱留巷頂板及實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中；切眼切縫可減小工作面回采的初次來壓步距，以降低回采初期的來壓壓力。

表1 8304工作面基本參數(shù)

為進(jìn)一步對留巷順槽頂板巖性變化進(jìn)行詳查，本次試驗(yàn)分別于留巷順槽0 m、100 m、200 m、300 m、400 m、550 m進(jìn)尺處進(jìn)行頂板巖性勘探，根據(jù)勘探結(jié)果，繪制留巷順槽頂板巖性變化如圖4所示。

圖4留巷順槽頂板巖性變化斷面

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

以上述地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，主要包含切頂高度設(shè)計及切頂角度設(shè)計兩項。

2.2.1 預(yù)裂切縫高度設(shè)計

預(yù)裂切縫高度（H縫）臨界設(shè)計公式如下[13]：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；K：碎脹系數(shù)，1.3～1.5。根據(jù)頂板巖性可知，巷道直接頂為泥巖，碎脹系數(shù)為1.32，老頂為細(xì)砂巖，碎脹系數(shù)為1.47，本設(shè)計中K取二者層厚加權(quán)平均值為1.41。在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，取工作面采高為3.1 m，設(shè)計切縫深度為7.5 m。

2.2.2 預(yù)裂切縫角度設(shè)計

為減小頂板垮落時對留巷頂板的摩擦力作用，使得切縫后頂板更易垮落，設(shè)計切縫孔應(yīng)與鉛垂線成一定夾角。以7.5 m切縫深度為基礎(chǔ)，分別對0°、15°和30°三種不同切縫角度進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如下圖5所示：

圖5不同切縫角度數(shù)值模擬結(jié)果

由數(shù)值模擬結(jié)果得出，切縫角度為0°、15°時，實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距煤幫的距離比切縫角度30°時應(yīng)力集中區(qū)距煤幫的距離遠(yuǎn)，說明0°、15°切縫時增大了應(yīng)力集中區(qū)向?qū)嶓w煤深處轉(zhuǎn)移的距離，有利于巷道圍巖穩(wěn)定；對比切縫角度0°和15°可知，采用15°切縫在實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力集中峰值小于0°切縫，且采空區(qū)存在較大范圍的低應(yīng)力區(qū)，說明一定的切縫角度有利于采空區(qū)頂板垮落。故設(shè)計切縫角度選擇為15°。

2.2.3 預(yù)裂切縫區(qū)劃設(shè)計

以上述理論分析結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合8304工作面地質(zhì)條件及試驗(yàn)需求，得到留巷順槽頂板預(yù)裂切縫區(qū)劃圖如圖6所示：①Ⅰ區(qū)切眼段，切頂深度11 m，切頂角度0°；②Ⅱ區(qū)順槽進(jìn)尺0 m-150 m段，切頂深度11 m，切頂角度15°；③Ⅲ區(qū)順槽進(jìn)尺150 m-200 m段，切頂深度8 m，切頂角度15°；④Ⅳ區(qū)順槽進(jìn)尺200 m～670 m段，切頂深度8.5 m，切頂角度20°。

其中，Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)切縫深度設(shè)計主要為保證初次試驗(yàn)的成功率，因此在理論設(shè)計值上加深到11 m，以求切斷頂板中砂巖層，為方便切眼段施工，將Ⅰ區(qū)切頂角度設(shè)計為0°；Ⅲ區(qū)切縫深度設(shè)計為利用頂板的泥巖分層使得頂板更容易垮落，因此沿泥巖層位上界面進(jìn)行切縫；Ⅳ區(qū)理論切縫高度處為中砂巖層，為盡可能使得頂板能夠及時垮落，適當(dāng)增加切頂高度至8.5 m，同時為保護(hù)巷內(nèi)錨索支護(hù)，切頂角度相應(yīng)增加到20°。

圖6留巷順槽頂板預(yù)裂切縫區(qū)劃

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 成巷施工過程

根據(jù)上述工藝分析及切縫關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，現(xiàn)場實(shí)施切頂卸壓無煤柱自成巷試驗(yàn)。主要實(shí)施過程分為恒阻錨索支護(hù)、切縫預(yù)裂爆破、擋矸及臨時支護(hù)三部分。

3.1.1 恒阻錨索支護(hù)

在切頂留巷開采過程中，巷道頂板會受到巷道掘進(jìn)、預(yù)裂爆破切縫、工作面回采、初次來壓、周期來壓以及巷道復(fù)用回采等多方面動壓影響。因此，為保證成巷過程和二次復(fù)用期間頂板圍巖的穩(wěn)定性，需采用恒阻大變形錨索對留巷頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖7所示。當(dāng)圍巖受到擾動出現(xiàn)變形破壞且變形能超出錨索的恒阻力范圍，恒阻體在恒阻套管內(nèi)發(fā)生滑移，即恒阻大變形錨索隨著圍巖變形而發(fā)生徑向拉伸的變形，以此吸收變形能，可避免由于圍巖大變形而發(fā)生錨索斷裂、失效現(xiàn)象[17]。

圖7恒阻錨索結(jié)構(gòu)組成示意圖

恒阻錨索長度計算可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計算：

式中：L恒：恒阻錨索長度，m；H縫：切縫深度，m。即恒阻錨索長度通常比切縫高度長1.5 m～2.5 m，以理論計算切縫深度7.5 m為例，本試驗(yàn)中恒阻錨索長度取9.0 m。

此外，本試驗(yàn)中恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，在原支護(hù)基礎(chǔ)上共布設(shè)2列，第一列恒阻錨索設(shè)計距切縫側(cè)500 mm，排距1 500 mm；第二列恒阻錨索與第一列恒阻錨索間距1 600 mm，排距3 000 mm，恒阻錨索支護(hù)如圖8所示。

圖7恒阻錨索支護(hù)

考慮到切縫參數(shù)及巷道原設(shè)計支護(hù)方式，設(shè)計恒阻大變形錨索直徑取21.8 mm，長度取9 000 mm，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，最大允許變形量350 mm，恒阻值為30±2 t，預(yù)緊力不小于25 t。

3.1.2 切縫預(yù)裂爆破

雙向聚能張拉爆破技術(shù)是頂板預(yù)裂切縫的關(guān)鍵。該技術(shù)通過炸藥和聚能管的結(jié)合使用，爆破后可在兩個設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頂板巖體預(yù)裂，其原理如圖8所示[15]。

圖8雙向聚能爆破原理

頂板定向預(yù)裂爆破裝藥量及爆破孔間距主要與頂板巖性有關(guān)，根據(jù)頂板巖性不同，現(xiàn)場通過爆破試驗(yàn)確定最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)和爆破孔間距。參考以往切頂留巷試驗(yàn)，選取孔間距為500 mm。爆破采用1.5 m長、外徑42 mm、內(nèi)徑36.5 mm聚能管作為聚能裝置，使用炸藥規(guī)格為Φ32 mm×200 mm的三級乳化炸藥，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定不同分區(qū)的裝藥結(jié)構(gòu)如表2所示，典型預(yù)裂切縫效果如圖9所示。

表2各分區(qū)裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖9爆破孔窺視效果

3.1.3 擋矸及臨時支護(hù)

為使巷道復(fù)用期間滿足正常生產(chǎn)使用需求，必須保證留巷的寬度。采用切頂留巷技術(shù)切落采空區(qū)頂板后，部分矸石易躥入留設(shè)巷道，影響成巷效果，因此，沿采空區(qū)邊緣進(jìn)行必要的擋矸支護(hù)，防止采空區(qū)垮落矸石躥入留設(shè)巷道。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本次試驗(yàn)采用工字鋼配合鋼筋網(wǎng)作為擋矸支護(hù)，其中相鄰工字鋼間距按500 mm布置。擋矸支護(hù)側(cè)視圖如圖10所示[14]。

圖10擋矸支護(hù)側(cè)視

3.2 成巷效果分析

通過切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術(shù)的應(yīng)用，塔山煤礦8304工作面成功將本工作面輔運(yùn)順槽保留下來供相鄰8305工作面回采時復(fù)用，現(xiàn)場留巷效果如圖11所示。

圖11現(xiàn)場留巷效果

留巷過程中采用十字測點(diǎn)法對巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測，典型監(jiān)測結(jié)果如圖12所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出：（1）前期兩幫移近主要表現(xiàn)為擋矸側(cè)移近，后期兩幫移近主要表現(xiàn)為實(shí)體煤側(cè)移近。擋矸側(cè)最終變形移近量為63 mm，實(shí)體煤側(cè)最終變形移近量為127 mm，兩幫最終變形移近量為190 mm。（2）留巷底鼓最終變形量為88 mm，頂板下沉最終變形量為173 mm，最終頂?shù)装逡平繛?61 mm。

圖12留巷十字測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

（1）論文首先對切頂卸壓無煤柱自成巷技術(shù)機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上將該技術(shù)的主要工藝流程歸納為恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、頂板預(yù)裂切縫、擋矸支護(hù)及臨時支護(hù)、臨時支護(hù)回撤四步，為后續(xù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計及現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用提供基礎(chǔ)借鑒。

（2）以塔山煤礦8304工作面中厚煤層復(fù)合頂板條件作為工程實(shí)例，進(jìn)行切頂關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計。在掌握留巷順槽頂板具體巖性變化的基礎(chǔ)上，將切縫頂板分為四區(qū)，得到具體切縫參數(shù)如下：①Ⅰ區(qū)切眼段，切頂深度11 m，切頂角度0°；②Ⅱ區(qū)順槽進(jìn)尺0 m-150 m段，切頂深度11 m，切頂角度15°；③Ⅲ區(qū)順槽進(jìn)尺150 m-200 m段，切頂深度8 m，切頂角度15°；④Ⅳ區(qū)順槽進(jìn)尺200 m-670 m段，切頂深度8.5 m，切頂角度20°。

（3）以切頂關(guān)鍵參數(shù)為依據(jù)，現(xiàn)場試驗(yàn)依次進(jìn)行恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、頂板切縫預(yù)裂爆破、擋矸支護(hù)及臨時支護(hù)、臨時支護(hù)回撤等關(guān)鍵措施，最終成巷頂?shù)装逡平繛?61 mm，兩幫移近量為63 mm，留巷斷面可滿足8305工作面復(fù)采需求，該試驗(yàn)的成功可為切頂卸壓自動成巷技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供一定的借鑒。