無煤柱切頂沿空留巷礦壓顯現規律

趙萌燁 黃慶享 黃克軍

摘 要：為了掌握無煤柱切頂留巷的礦壓顯現規律并檢驗巷道支護效果，以澄合礦區董東煤礦50107工作面為研究對象，采用現場監測的手段對無煤柱切頂沿空留巷受采動影響條件下的頂板下沉規律、幫部變形規律及單體支柱受力變化規律進行了實測，并同時對切頂效果、擋矸效果及巷道穩定性進行了分析與評價。結果表明，巷道礦壓隨工作面的臨近而逐漸增大，采動過程中靠近采空區側的巷道礦壓顯現程度更為劇烈，表現出明顯的非對稱性特征，巷道頂板的回轉運動是造成巷道非對稱礦壓顯現的主要原因。此外，無煤柱切頂沿空留巷階段性變化特征明顯，初始變化階段位于工作面后方0～35 m;快速變形階段位于工作面后方35～75 m;緩慢變形階段位于工作面后75 m以外，巷道變形及支柱受力均達到穩定狀態。巷道礦壓顯現的主要過程集中在快速變形階段，需加強對巷道圍巖的控制。實踐表明，無煤柱切頂沿空留巷采用錨網配合單體支柱的支護方式可行。

關鍵詞：無煤柱開采;切頂沿空留巷;礦壓顯現規律;巷道變形;巷道支護

中圖分類號：TD 823 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0406 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0597-06

Abstract：To explore the pressure behavior and to test the supporting effect of gob-side entry retaining with roof cutting and non-pillar mining， a variety of on-site monitoring techniques are used to test the law of roof subsidence， rib deformation and stress of the single prop with the working face 50107 from Dongdong coal mine in Chenghe mining area as the subject， a variety of analysis and an evaluation have been made of the effects of roof cutting and tamping as well as roadway stability in this paper. The research results show that the pressure of roadway gradually increases with the approaching of the working face. Meanwhile， the pressure in the roadway near the side of the goaf is more intense during the mining process with significant asymmetry demonstrated. The rotation of the roof is the main reason for the apparent mine pressure of the roadway. In addition， the changes are obvious in different stages of the pressure of the coal roadway. The initial change stage is located at 0～35 m behind the working face.Rapid deformation mainly occurs 35～75 m behind the working face; Slow deformation stage is located at 75 m behind the working surface， the roadway is rapidly reduced and tends to be stable. The main process of roadway pressure is concentrated at the stage of rapid deformation， and it is necessary to strengthen the control of surrounding rock of roadway. Practice has proved the feasibility of the anchor net and the support of the single props in the roof.

Key words：non pillar mining;roof cutting at gob side entry retaining;mine pressure behavior;roadway deformation;roadway support

0 引 言

無煤柱切頂沿空留巷是一項高效的采煤新技術[1-2]，能夠緩解開采效率低、生產成本高的問題。該技術一方面省去一條回采巷道，減少了巷道開拓量;另一方面，開采過程中取消了區段煤柱，采空區直接與巷道相連，減少了資源的浪費，提高了回采率;此外，無煤柱開采方式對解除了煤柱集中應力，有利于減小下部煤層開采過程中的應力集中程度。

無煤柱切頂沿空留巷礦壓顯現規律受切頂工藝影響[3]，巷道變形及受力表現出明顯的非對稱性、階段性及持續性。無煤柱切頂沿空留巷技術在傳統沿空留巷基礎上發展而來，劉聽成等最早研究了沿空留巷技術[4-5]，提出沿空留巷先后受上下2個工作面的采動影響，服務時間長，總變形量大。華心祝等[6-8]建立了沿空留巷力學模型和巷旁充填支護技術。柏建彪、侯朝炯等給出了沿空留巷充填體參數選擇依據，同時提出了沿空留巷圍巖控制方法[9-11]。何滿潮院士提出了“切頂短壁梁”理論[12]和切頂卸壓自動成巷技術[13-14]。目前，國內對切頂留巷的礦壓實測研究不多，掌握無煤柱切頂留巷的礦壓規律，對巷道支護研究具有重要的意義。

通過對巷道頂板下沉量、巷幫水平變形量及單體支柱受力進行實測，掌握澄合礦區董東煤礦50107工作面無煤柱切頂留巷礦壓規律，為無煤柱切頂沿空留巷支護設計提供了科學依據。

1 巷道基本條件

1.1 工作面條件

董東礦50107工作面煤層傾角3°～6°，工作面寬度117 m，走向長度為224 m.工作面開采5#煤層，采高3.4 m，直接頂厚度2 m左右，巖性為砂質泥巖和炭質泥巖。基本頂厚度約8 m，巖性為粉砂巖。

1.2 巷道支護方式

50107工作面回采巷道寬度4.6 m，高度3.4 m。巷道頂部采用長度2.8 m的無縱助左螺紋鋼錨桿，直徑為20 mm，間排距為700 mm×600 mm;錨索長度8.3 m，直徑為21.8 mm，間距600 mm.采煤側幫部采用直徑20 mm，長度2.4 m的左螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×600 mm.非采空側幫部，采用直徑22 mm，長度300 mm的右旋等強螺紋鋼，間排距700 mm×600 mm，錨桿托盤采用螺形托盤，尺寸為150 mm×150 mm.巷旁支護采用擋矸柱和單體柱聯合支護的方式，擋矸柱通過錨網相互連接，每隔600 mm設置一根，單體柱的間排距為300 mm×300 mm，如圖1所示。

1.3 切頂留巷參數

超前切頂的工藝及效果是無煤柱切頂沿空留巷成功與否的關鍵，董東煤礦50107工作面采用打孔定向爆破的方式進行超前切頂作業，垂直孔深7 400 mm，傾角20°，具體參數見表1.

2 巷道礦壓顯現規律

2.1 監測方案

巷道測站布置如圖2所示，測站斷面布置方式如圖3所示，AB為兩幫移近測線，CD和EF為頂底移近測線，①②③為巷旁單體支柱受力測點。

2.2 巷道變形規律

2.2.1 頂板下沉規律

實測切頂沿空留巷測站頂板下沉曲線，如圖4所示。有如下規律。

1）巷道頂板的非對稱下沉說明了巷道頂板的回轉現象[13-14]。采空區側巷道頂板下沉量平均在330 mm左右，巷道中部頂板下沉量平均為250 mm.采空區側巷道頂板下沉量比巷道中部位置大將近32%.董東煤礦未采用切頂巷道的頂板平均下沉量達400 mm;

2）工作面后方0～35 m，巷道頂板未發生明顯下沉;35～50 m巷道頂板下沉量最大，是下沉的主要區域;50～75 m頂板下沉量減小，工作面后方75 m，頂板趨于穩定。前期變形主要受老頂回轉運動的影響，大約為2～3個周期來壓步距（17 m）;后期變形主要是采空區破碎巖體壓實引起的頂板緩慢沉降[15];

3）無煤柱切頂巷道受采動影響存在“影響范圍大、穩定時間長”的變形特點。較傳統沿空留巷而言，切頂卸壓作用降低了頂板應力的傳遞，巷道變形存在一定的滯后。

2.2.2 巷幫變形規律

實測無煤柱切頂沿空留巷煤壁側幫如圖7（a）所示，采空區側人工幫變形曲線如圖5（b）所示。

煤壁側巷幫變形集中于巷幫中部，水平變形量平均350 mm.采空區側巷幫水平變形量（指支護網向巷道內的擠進量）平均672 mm.采空區側的幫部擠進量為煤壁側的水平變形量的1.9倍。幫部水平變形分為3個階段。

1）初始變形階段：位于工作面后方0～35 m，約2倍周期來壓步距內，處于工作面端頭弧三角板保護區，巷幫水平變形量較小;

2）快速變形階段：位于工作面后方35～50 m，約2～3倍周期來壓步距（平均17 m），處于頂板結構回轉運動區。本階段巷幫水平變形量占總變形量的70%以上。采空區頂板回轉運動，導致巷幫變形具有非對稱性;

3）緩慢變形階段：位于工作面后方50～75 m以外，大于3倍周期來壓步距，進入采空區頂板壓實區，巷幫水平變形緩慢變化，達到穩定狀態。

2.3 巷道支柱受力

單體支柱受力曲線如圖6所示，其中1號支柱緊靠近采空區一側，2號支柱居中，距離采空區1 m，3號支柱距離采空區1.8 m.

1）靠近采空區一側的1號支柱平均載荷24.3 MPa，比靠巷幫3號支柱載荷大20%.支柱的平均初始載荷7.1 MPa，穩定載荷22.1 MPa，平均變化量達到15 MPa;

2）單體支柱所受載荷經歷“增大-減小-穩定”的動態變化過程[16-17]，支柱受力增大的區域主要集中在工作面后方20 m范圍內;工作面后方20～30 m經歷明顯的卸壓過程，隨后受力繼續增大;工作面后方75 m單體支柱受力達到穩定，采空區一側單體穩定受力在25 MPa左右，巷道中部穩定受力在20 MPa.

3 無煤柱切頂沿空留效果

3.1 切頂效果

現場使用鉆孔窺視儀觀察切頂效果，如圖7所示，在孔口處可看出切頂孔之間的裂隙明顯發育。巷外切頂效果是留巷的關鍵，50107工作面巷切頂有效切斷了頂板的應力聯系，減小了沿空留巷的礦壓顯現程度。

3.2 巷道穩定性

根據現場觀測，已切頂但未受采動影響的超前巷道表現出較好的穩定性。巷道未進行超前支護，也未發生明顯變形，如圖8所示。

當巷道處于工作面后方時，由于巷道一側已采空，頂板發生向相鄰采空區一側的下沉，靠近采空區一側下沉量較大，但巷道整體變形量允許范圍之內，巷道穩定且可足以滿足生產要求，支護效果如圖8所示。

3.3 巷旁擋矸效果

切頂留巷下巷旁擋矸支護效果的關鍵是沿空一側巷旁支護體的材料和性能的選擇[18-20]。巷旁擋矸支護體設置后應能夠快速增阻，支護頂板保持頂板自承能力，在工作面后方周期來壓前達到切頂阻力切落采空區一定高度的頂板[21-22];上覆巖層劇烈活動穩定前有較大的變形能力，支護提還要具有足夠的可縮性，適應頂板回轉下沉;具有較高的后期強度，保持頂板結構的平衡[23-24]。實踐表明，無煤柱切頂留巷采用錨網配合單體支柱與曲線擋矸柱的支護方式可行，支護效果如圖9所示。

4 結 論

1）董東50107工作面切頂留巷，切頂作用有效切斷了巷道頂板應力傳遞，降低了巷道整體的礦壓顯現程度。實踐表明，切頂后頂板垮落效果良好，無煤柱切頂留巷采用錨網配合單體支柱的支護方式可行。

2）巷道礦壓顯現表現出一定的非對稱性。采空區一側頂板下沉量及單體支柱受力均大于巷道中部，頂板下沉量大出32%，單體支柱受力大近24%，體現了巷道頂板的回轉運動特征。受頂板壓力的作用，采空區一側錨網幫的變形量為煤壁側幫部1.9倍。

3）巷道變形及受力經歷初始變化、快速變化及持續變化階段。初始變化階段位于工作面至后方35 m內，巷道受弧三角懸頂保護，變形程度低，支柱受力小。快速變形階段位于工作面后方35～75 m，受頂板回轉運動影響，巷道變形及單體支柱受力均達到整體值的70%以上。緩慢變形階段位于工作面采動75 m后，處于垮落頂板壓實區，巷道變形緩慢并趨于穩定。

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