切頂卸壓自成巷巷內支護及其穩定性控制

計慶輝，王昊昊

（1.皖北煤電集團公司 恒源煤礦，安徽 淮北 235100；2.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京 100083）

關于巷旁充填沿空留巷技術，從充填體強度與基本頂巖層斷裂關系的角度出發，采礦學者很早便提出了巷旁充填體支護強度的設計準則：即支護體對頂板的支護力應能夠切落足夠高度的頂板巖層并適應基本頂二次斷裂后的偏轉下沉[1]。在這種思想的指導下，研究者們在沿空留巷充填體材料強度[2-3]和巷旁充填體寬度[4-5]上進行了大量的研究，發展出了矸石砌墻、混凝土墻和高水材料充填等沿空留巷方式[6]，并在充填體沿空留巷工程應用等領域積累了大量的經驗[7-8]。然而，采用在巷道靠近采空區一側構筑充填體的方式進行沿空留巷，屬于被動承載，即利用充填體的支護阻力來切斷巷道和采空區頂板，這種留巷方法在巷道埋深不大、頂板條件較好時可以達到不錯的留巷效果，但隨著開采深度的增加或頂底板條件變差，留巷后往往出現充填體嚴重變形甚至壓垮失效，巷道嚴重底鼓等大變形現象[9-10]。鑒于此種情況，考慮采用人工干預的手段主動切斷巷道頂板，提前改變頂板結構的留巷方法逐漸受到重視，比較常用是水力切割、深孔爆破等切頂手段[11-13]。但是由于巷旁墻體的充填施工與工作面開采屬于平行作業，不可避免的對生產造成影響，同時由于水力切割、深孔爆破等存在著施工工序復雜、工程量大等問題，巷旁充填沿空留巷的應用范圍主要為薄煤層或淺埋深工作面。鑒于傳統沿空留巷存在的種種問題，何滿潮院士提出了切頂卸壓自成巷方法，通過雙向聚能張拉爆破提前切斷巷道頂板，變巷旁充填體支撐巷道上覆巖層為利用采空區碎脹矸石支撐上覆巖層，同時采用恒阻大變形錨索對頂板補強加固，實現了切落頂板和適應基本頂偏轉下沉的目標[14-15]。

目前，切頂卸壓自成巷技術已經在薄煤層、中厚煤層及厚煤層中成功應用[16-18]，但應用在礦井大埋深的不多。為此以大埋深復合頂板為研究背景，研究切頂卸壓的適用性，并對復合破碎頂板條件下的巷內支護強度和穩定性控制對策等進行深入分析，通過建立懸臂梁＋鉸接巖梁的結構模型，進行大埋深復合頂板巷內支護設計，最終實現成功留巷。

1 復合頂板切頂卸壓覆巖結構

1.1 工程概況

恒源煤礦位于淮北礦區西部，主采煤層為6#煤，平均煤厚 2.8 m，平均傾角 9.1°。選定 2632 工作面為切頂卸壓留巷試驗面，2632工作面位于Ⅱ63采區上部，為263采區的首采工作面，埋深為600～836.5 m，工作面傾斜長度為185 m，走向長度為1 725 m。2632工作面上煤巷為回風巷，下煤巷為機軌合一巷，下煤巷前1 200多m不進行留巷，頂板自然垮落，最后500 m進行切頂留巷。

1.2 圍巖特征及結構

2632機巷沿6#煤頂板掘進，直接頂為泥巖或砂巖，平均厚度3.1 m，其間常常發育煤線，基本頂為細砂巖，平均厚度3.6 m。為進一步摸清巷道頂板巖性分布情況，在切頂留巷前通過在試驗段巷道內施工頂板探查孔，對頂板巖性進行素描，2632機巷留巷段頂板素面圖如圖1。

由圖1可知，試驗段巷道頂板中普遍發育2～3條煤線，局部煤線距6#煤層頂板較近，可能形成偽頂，表現為巷道部分區域頂板破碎、下沉變形；試驗巷道前半段的直接頂以泥巖和煤線的復合頂板為主，后半段是泥巖、煤線和砂巖復合的頂板，切頂時要根據具體的巖性設計對應的裝藥結構。

1.3 切頂卸壓頂板結構模型

圖1 2632機巷留巷段頂板素面圖

預裂爆破的作用在于提前切斷直接頂或者部分的基本頂，形成的切縫線即為巖層中的人為弱面，工作面開采后直接頂或軟弱的下位基本頂沿切縫線垮落，巷道頂板受到的垮落沖擊影響較小，直接頂垮落后基本頂巖層在自重及上覆巖層壓力的作用下逐漸偏轉下沉，當基本頂巖層受到的拉應力大于巖層抗拉強度時即產生破斷，破斷后的基本頂巖塊相互擠壓，形成巖塊間的鉸接結構，懸臂梁＋鉸接巖梁頂板結構模型如圖2。

圖2 懸臂梁+鉸接巖梁頂板結構模型

直接頂（切頂后垮落的下位基本頂也認為是直接頂的一部分）被切斷后不會觸矸，形成了力學上的懸臂結構，懸臂長度即為巷道寬度。

切頂后基本頂巖層的破斷規律仍符合鉸接巖梁的相關理論，巖塊破斷后相互鉸接，巖塊間仍能傳遞水平擠壓力，同時直接頂巖層形成懸臂結構，這樣切頂卸壓后就形成了“懸臂梁＋鉸接巖梁”的頂板巖層結構模型。

2 自成巷巷內支護強度的計算

2.1 小煤柱護巷巷內支護強度

直接頂垮落后，基本頂巖梁斷裂前，基本頂載荷主要由巷道和護巷煤柱上方的直接頂承擔，并傳遞到巷道及其周圍巖體。為保證巷道圍巖穩定，巷內支護和護巷煤柱必須能夠抵抗基本頂變形及載荷，為此，建立了留煤柱護巷下的巷道圍巖結構力學模型（圖3），分析基本頂巖梁的受力特征及其穩定性。

圖3 留煤柱護巷時圍巖結構力學模型

圖3中，Mo為基本頂巖梁在O點處所受彎矩，N·m；Fo為基本頂巖梁在 O 點處所受剪力，N；q1為基本頂巖梁自身及上覆巖層載荷集度，N/m；q2為直接頂對基本頂巖梁偏轉下沉擠壓的作用反力集度，N/m；σm為巷內支護強度，N/m；σn為煤柱支撐強度，N/m；a為煤巷寬度，m；b為護巷煤柱寬度，m；c為直接頂垮落后相對于煤柱的最大懸臂長度，m；d為基本頂側向斷裂后的跨度，m；α為基本頂巖梁的偏轉下沉角度，（°）；△H為基本頂巖梁在直接頂懸臂處的偏轉下沉量，mm。

基本頂巖梁偏轉下沉擠壓直接頂變形，直接頂最大壓縮變形量為△H，考慮到此時基本頂巖梁尚未斷裂，偏轉下沉量不大，可以近似認為直接頂的壓縮變形為彈性變形，則直接頂對基本頂的反作用力q2可以表示為：

式中：E為直接頂巖梁的彈性模量。

將q2代入到基本頂受力平衡關系中，可得留煤柱護巷下巷內支護強度的計算公式：

2.2 切頂卸壓下巷內支護強度

采用預裂爆破技術，開采前提前切斷巷道和工作面之間的頂板，待工作面開采后，采空區頂板沿切縫面垮落，借助巖石碎脹效應，垮落矸石充填滿采空區，進而限制采空區基本頂的偏轉下沉變形。

覆巖運動過程中，基本頂巖梁載荷逐漸向巷道一側實體煤深處和采空區矸石轉移，這樣留巷巷道便處于低應力區，有利于巷道的穩定，為分析切頂卸壓自成巷巷內支護強度對留巷穩定性的影響，建立了返修方案數值模擬位移模型（圖4）。

圖4 返修方案數值模擬位移模型

圖4中，q3為采空區矸石對基本頂巖梁偏轉下沉擠壓的作用反力集度，N/m；e為切縫線在水平方向的長度，m；f為基本頂懸露長度，m；g為基本頂巖梁偏轉觸矸長度，m；△H為基本頂巖梁在直接頂切縫位置的偏轉下沉量，mm。

認為基本頂偏轉下沉對直接頂的壓縮變形為彈性變形，則直接頂對基本頂的反作用力q2可表示為：

切頂卸壓自成巷時巷內支護強度的計算公式：

式中：ξ為強度系數；k為碎脹系數。

然后，令：

式中：ξ1定義為留煤柱護巷下的巷內支護強度系數；ξ2為切頂卸壓自成巷的巷內強度系數。

化簡后比較可得：ξ1＜ξ2，所以，切頂卸壓后的巷內支護強度要小于小煤柱護巷。

3 留巷穩定性的數值模擬分析

3.1 切頂高度對留巷穩定性的影響

為了研究切頂高度對留巷礦壓顯現規律的影響，利用有限差分軟件FLAC3D建立了恒源煤礦切頂卸壓計算模型，選擇了3組不同的切頂高度：5、7、9 m，通過切頂高度的變化模擬圍巖應力、位移分布特征，進而得到切頂高度對留巷穩定性的影響規律，模擬結果如圖5～圖8。

圖5 切縫高度對留巷圍巖應力顯現規律的影響

圖6 切縫高度對留巷圍巖位移顯現規律的影響

切頂高度越大，巷道頂板卸壓區范圍越大，說明切頂卸壓對巷道頂板應力的影響范圍與切頂高度成正相關。

切頂高度為5、7、9 m時，巷道頂板垂直位移最大值分別為460、320、240 mm，表明切頂高度越大，巷道頂板垂直位移越小，證明切頂卸壓能夠有效控制頂板圍巖變形，保證巷道穩定。

圖7 切縫角度對留巷圍巖應力顯現規律的影響

圖8 切縫角度對留巷圍巖位移顯現規律的影響

3.2 切頂角度對留巷穩定性的影響

同樣的，建立FLAC3D數值計算模型，選擇3組不同的切頂角度進行模擬：0°、15°和 25°，通過模擬切頂角度的變化進而得到切頂角度對圍巖應力、位移分布特征及留巷穩定性的影響。

切縫角度為0°時，采空區頂板垮落不徹底，采空區范圍內垂直應力仍然較高；切頂角度為15°、25°時，采空區頂板垂直位移較大，采空區存在較大范圍的低應力區，表明一定的切縫角度有利于采空區頂板垮落，從而達到利用垮落巖體充填采空區、支承上部巖層的目的。

切頂角度為 0°、15°、25°時，巷道頂板垂直位移最大值分別為230、330、470 mm，表明切縫角度越大，巷道頂板垂直位移越大，這是由于增大切頂角度同時也增大了巷道頂板懸臂梁的長度，容易使頂板變形量增大。

綜上所述，切縫前應做好恒阻錨索頂板加固工作，并合理確定切縫角度和切縫高度，保證切斷足夠高度的頂板并減小頂板懸露長度，最終選取的切縫高度為7 m，切縫角度為15°。

4 工程應用

4.1 工程地質條件

2632工作面為Ⅱ63采區首采工作面，Ⅱ632機巷為工作面的進風巷，Ⅱ632風巷為工作面的回風巷，選取機巷的最后500 m巷道進行切頂卸壓自成巷試驗，Ⅱ632工作面巷道布置圖如圖9。

圖9 Ⅱ632工作面巷道布置圖

Ⅱ632機巷設計斷面為異矩形，巷道凈斷面巷高2.8 m，巷寬5.2 m，巷道頂板采用錨網索支護，巷道補強支護設計斷面圖如圖10。煤層平均傾角約9.1°。留巷段工作面埋深為 627～815 m。

4.2 留巷設計方案

為確保留巷期間巷道穩定，留巷前，采用3列φ21.8 mm×9 500 mm恒阻大變形錨索對巷道頂板進行補強加固，錨索恒阻值為（330±20）kN，允許變形量為350 mm。其中，補強恒阻錨索沿頂板鉛垂方向布置，與原錨索間隔布置，恒阻錨索布置情況如圖10，施工時要求恒阻錨索預緊力不小于280 kN。

巷道頂板補強加固后，采用聚能爆破的方式預裂頂板，預裂切縫孔深度為7 000 mm，間距500 mm，在巷道回采幫肩窩處施工。為保證頂板預裂切縫效果，考慮到2632機巷留巷段頂板巖性的不連續發育特征，在實際爆破施工過程中，當頂板巖性發生較大變化是，需要根據頂板實際巖性再次進行爆破參數試驗，及時對爆破參數進行調整，預裂爆破鉆孔的設計裝藥結構圖如圖11。

圖10 巷道補強支護設計斷面圖

圖11 預裂爆破鉆孔的設計裝藥結構圖

4.3 應用效果

采用預裂切縫爆破技術切斷了巷道頂板，施工恒阻大變形錨索提前對巷道頂板進行補強加固，工作面開采后，采空區頂板垮落自動形成了巷道新的一幫，現場試驗后留巷效果總體良好，切頂留巷試驗的成功緩解了恒源煤礦接續緊張的壓力，取消區段煤柱的同時少掘一條巷道，帶來了可觀的經濟效益，該項新技術的成果應用，為淮北乃至安徽地區類似條件礦井開展自成巷實踐提供了借鑒。

5 結論

1）基于恒源煤礦大埋深、復合破碎頂板的條件，建立了切頂卸壓下的“懸臂梁＋鉸接巖梁”頂板結構模型。

2）通過計算2種留巷模式下的巷內支護強度，發現切頂卸壓自成巷的巷內支護強度要明顯小于留煤柱護巷，切頂對圍巖的卸壓作用明顯。

3）經過數值模擬計算發現，切縫高度為7 m，切縫角度為15°時圍巖的卸壓作用最好，留巷后巷道變形量小

4）現場工程應用表明，切頂卸壓自成巷能夠適應大埋深、復合破碎的條件，可為類似條件下的自成巷應用提供借鑒。