無煤柱自成巷采空區頂板碎脹系數測定方法

楊 軍，張家賓，2，周 帥，馬新根，2，王亞軍，侯世林，2

（1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學（北京） 力學與建筑工程學院，北京 100083；3.內蒙古伊泰寶山煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

切頂卸壓自動成巷是1 種新型的無煤柱開采工藝，通過超前工作面在巷道幫頂實施預裂切縫，利用巖石自重和礦山壓力，切落采空區頂板并形成矸石墻體，充填密實后形成穩定的巷旁支護結構。這種技術切斷了采空區頂板與巷道頂板之間的應力傳遞，促使巷道頂板形成“短臂梁”結構，同時，有利于采空區側頂板垮落，加速采空區垮落矸石接頂，從而達到了卸壓的目的[1-4]。由于該項技術利用自然垮落的矸石作為補充巷旁支護，矸石墻體不同于完整結構的圍巖體，巖石的碎脹特性嚴重影響該結構的穩定性。因此，研究巖石碎脹系數對于切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術的成敗具有重要的意義。

目前，國內外的研究學者對于巖石碎脹系數展開了大量的研究。廖協興[5]通過巖石松散-壓實試驗，對比分析了兗州礦區煤、砂巖、石灰巖的碎脹特性和壓實特性。張俊英[6]等通過對不同狀態下破碎巖石的壓實試驗，研究分析了碎脹系數、孔隙率、壓應變、割線模量等與軸壓的關系。余一松[7]通過室內物理實驗，研究分析了碎脹系數與深孔爆破補償空間的關系，為現場深孔爆破設計提供理論依據。汪北方[8]等通過相似材料模擬和巖石壓實試驗，研究分析了采空區垮落巖體應力與碎脹系數分布規律之間的關系，認為采空區垮落巖體應力與碎脹系數呈現負對數關系，為煤礦地下水庫儲水量和地表沉降量提供了理論依據。梁冰[9]等運用數學方法，根據采空區垮落巖體應力的分區特性將采空區劃分為松散堆積區、堆荷影響區和壓實穩定區，并建立了采空區垮落巖體碎脹系數與煤壁位置的數學模型，成功計算了采空區垮落巖體空隙儲水體積。

在采煤工作中，巖石的碎脹特性對采空區充填開采[10]、上覆頂板運移規律[11-12]工作面及巷道頂板管理[13]、瓦斯抽放[14]等方面的研究都有著重要的意義。特別的，在對工作面煤巷進行切頂卸壓自動成巷時，垮落矸石的碎脹特性是切頂參數的計算以及矸石墻體穩定性控制的關鍵。為此通過理論分析、現場實測研究方法，對碎石幫細粒砂巖碎脹特性進行研究，為切頂卸壓自動成巷圍巖穩定性控制提供基礎理論依據。

1 切頂卸壓無煤柱自成巷技術

1.1 留巷概況

試驗工作面為寶山煤礦6302 工作面，主采煤層為 6#煤層，煤層厚度 1.5～1.6 m,傾角 1°～3°，埋深53.5～73.7 m。工作面走向長度890 m，傾向長度200 m，采用一次采全高、長壁式綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板。相鄰工作面為6301 工作面和6303 工作面，目前6301 工作面已經全部開采，試驗巷道為6302 主運煤巷，工作面布置及留巷方式如圖1。根據工作面附近鉆孔實測，得到的試驗工作面巷道頂底板的巖性特征見表1。

圖1 寶山煤礦切頂卸壓自動成巷試驗巷道平面位置圖Fig.1 Plane position diagram of roadway for automatic roadway formation test of top cutting and pressure relief in Baoshan Coal Mine

表1 頂底板巖性Table 1 Top and bottom lithology

1.2 技術原理

切頂卸壓自動成巷不同于傳統長壁開采工藝，其通過超前工作面預裂切縫切斷巷道頂板與采空區頂板的應力傳遞路徑，頂板結構連接狀態發生改變，使巷道頂板在恒阻大變形錨索主動支護下形成更加穩定的短臂梁結構。而采空區頂板在礦山壓力和自重的作用下發生垮落，并碎脹形成矸石墻體與恒阻大變形錨索組成耦合支護體系。由于切頂后采空區頂板的圍巖應力得到一定程度的釋放，有效改善了巷道圍巖的應力環境，在耦合支護體系作用下回采巷道得到有效維護，供下一個工作面使用，從而減少了護巷煤柱，節省了煤炭資源。由上述原理可知，采空區矸石的碎脹特性不僅關系到采空區的充填效果，對巷道的穩定也有重要影響。切頂卸壓自動成巷技術原理如圖2。

2 巖石碎脹系數測量方法

2.1 碎脹系數的機理

圖2 切頂卸壓自動成巷技術原理Fig.2 Technical principle of automatic roadway formation for cutting top pressure relief

初（原）始碎脹系數K0是指發生垮落膨脹的矸石體積與垮落破碎前原巖體積之比；殘余（穩定）碎脹系數Ks是指采空區垮落充填密實后矸石剩余體積與原巖體積的比。

垮落矸石的初始碎脹系數是切頂高度計算和設計的關鍵參數，切頂高度Hq是指鉆孔底部到孔口的垂直距離，其與切縫鉆孔深度Hf的關系是Hq=Hfcosα（α 為切縫角度），為保證切落的矸石能形成穩定的支護結構，從而限制上覆巖層的回轉變形，切頂高度在設計過程中要大于頂板的垮落高度。由此得到預裂切縫鉆孔深度的設計公式：

式中：Hf為預裂切縫鉆孔深度，m；Hm為工作面采高，m；K0為初（原）始碎脹系數，α 為切縫角度，（°）。

由煤層采高、切縫高度、頂板下沉量、底鼓量、頂板離層的關系，得巖石殘余（穩定）碎脹系數Ks[15]：

式中：Hq為切縫孔高度，m；SL為基本頂巖梁旋轉下沉量，SL=Sd-Sl；Sd為頂板下沉量，m；Sl為頂板離層量，m；SG為底鼓量，m。

2.2 自然標定準線法

一般情況下，巖石碎脹系數K 是巖石破碎后的體積 V′與原巖體積 V 之比，即：K=V′/V，但是，在實際工程中，考慮到采空區垮落頂板的巖石體積V′、V難以精確測定，因此，按照簡單、準確、易操作的原則將其簡化為頂板垮落破碎后高度h′與破碎前高度h 之比，即：K＝h′/h。結合寶山煤礦實際工程地質條件，建立的碎脹系數測量模型如圖3。

圖3 自然標定準線法測定巖石碎脹系數的模型Fig.3 Model of rock fragmentation and expansion coefficient measured by natural calibration alignment method

根據上述測量模型，針對寶山煤礦110 工法留巷段頂板巖性分布情況，確定110 工法頂板碎脹系數現場測定方法具體為：

1）利用熒光漆進行測量點位孔洞標記，標出標準初始高度H0以及測量點位置。

2）移架后，待采空區初次垮落穩定，當頂板煤層垮落且露出成巷側，測量垮落粉砂巖初始高度H1。

3）每 2～4 h 測量測量垮落砂巖高度（H2，…，Hn），即熒光標記最高位置距離巷道底板最大垂直距離。

4）當連續48 h 測量垮落粉砂巖高度變化值小于10 mm，此高度為細砂巖穩定垮落高度Hs，計算實時碎脹系數Kn。

5）利用公式Kn=Hn/H0，計算實時碎脹系數Kn，并形成連續曲線。

6）計算可得該處巖石穩定碎脹系數Ks=Hs/H0（s=max｛1，…，n｝）。

3 工程應用

基于上述110 工法碎脹系數實測原理和測量方法，根據寶山煤礦6302 工作面的巖性分布情況，超前工作面利用切縫孔標記測量點位，在工作面回采完后，根據采空區矸石現場垮落情況對碎脹系數進行了實測。

3.1 碎脹系數規律

根據對各測點處巖石碎脹系數的實時監測與記錄，得出的巷道區段內測點的實測碎脹系數隨工作面推進以及隨時間變化的規律曲線如圖4。

圖4 巖石碎脹系數監測曲線Fig.4 Rock fragmentation and expansion coefficient monitoring curves

由圖4 分析可知：各測點的碎脹系數隨著時間的變化逐漸變小，初始碎脹系數從1.83～1.88 逐漸變小并穩定在1.35～1.39 之間，均值為1.37；巖石碎脹系數在 1～10 d 變化劇烈，10～20 d 變化減緩并逐漸趨于穩定，20 d 后基本穩定。

各測點的碎脹系數隨著工作面推進逐漸變小，初始碎脹系數從1.83～1.88 減小并穩定于1.34～1.39之間，均值為1.37；滯后工作面6～60 m 測點碎脹系數變化劇烈，滯后工作面60～120 m 垮落矸石的碎脹系數變化緩慢，滯后工作面距離大于120 m 后基本壓實穩定，此階段垮落矸石的碎脹系數基本不變。

由圖4 可知：6302 工作面頂板細粒砂巖垮落矸石在壓實過程中分為3 個階段：第1 階段為快速壓實階段，移架后0～10 d，滯后工作面距離6～60 m，碎脹系數由 1.83～1.88 變化至 1.37～1.42；第 2 階段為緩慢壓實階段，移架后10～20 d，滯后工作面距離60～120 m，碎脹系數由 1.37～1.42 變化至 1.35～1.39；第3 階段為壓實穩定階段，隨著工作面的持續推進，采空區碎脹矸石在上覆巖層的重力作用下逐漸充填密實，此時碎脹系數變化值≤0.01。

3.2 巷道圍巖變形規律

由于采空區矸石的碎脹特性對巷旁矸石墻體的穩定性和有效性具有顯著影響，進而影響與恒阻大變形錨索耦合支護作用下的巷道圍巖的穩定性。因此，在6302 工作面推進過程中，對巷道圍巖的變形情況進行了適時監測，得出的巷道表面位移曲線如圖5。

圖5 巷道圍巖變形規律Fig.5 Surrounding rock deformation law of roadway

由圖5 分析可知：受超前支撐壓力影響，在距工作面約30 m 時，巷道開始發生變形；滯后工作面約0～60 m 范圍內，巷道變形劇烈，為動壓影響區；60～120 m 范圍內，隨著采空區側頂板逐步垮落壓實，巷道變形趨于平緩動壓穩定區；滯后工作面120 m后，采空區矸石垮落密實，并對上覆巖層提供足夠的支撐反力，與恒阻大變形錨索形成耦合支護，巷道變形穩定，為變形穩定區。最終，無煤柱自成巷頂板移近量為296 mm，其中頂板下沉量為180 mm，底鼓量為116 mm；兩幫縮進量135 mm，其中副幫縮量27 mm，正幫縮量108 mm。

圖4、圖5 對比分析可知，巷道頂板的變形規律與采空區矸石的碎脹特性都存在3 個階段：

1）第1 階段。0～60 m，由于碎脹矸石未能密實充填采空區，耦合支護體系尚未形成，巷道頂板變形劇烈，碎脹矸石在上覆巖層的自重和沖擊作用下快速壓實。

2）第 2 階段。60～120 m，碎脹矸石已經密實充填采空區，并對巷道頂板產生一定的支護力，耦合支護體系開始形成，碎脹矸石逐步壓實，支護強度逐步增加，巷道圍巖變形趨緩。

3）第3 階段。120 m 以后，耦合支護體系構建形成，碎脹矸石基本壓實穩定，巷道圍巖變形穩定。因此，在滯后工作面0～120 m，由于采空區碎脹矸石尚不能形成穩定的支護結構，耦合支護體系未能形成，應及時在巷道內部進行臨時補強支護，以維護巷道圍巖的穩定。

4 結 語

1）目前對巖石碎脹系數的研究主要采用室內實驗和數值模擬方法，因為受到多重因素的影響，得到的巖石碎脹系數與實際存在較大誤差。忽略巖石的泊松效應，將巖石破碎前后的體積之比轉化為巖石原位狀態下的高度之比，簡化了測量難度的同時又保證了巖石碎脹系數測量值的精度。

2）傳統巖石碎脹系數的現場測量方法，對于直接頂厚度較大和難以顯著區分巖性分界線出的采空區矸石，難以得到精確的碎脹系數測量值，采用自然標定準線法，首先利用爆破孔預先標定初始高度，待工作面回采過后，測量采空區帶有明顯標記的碎脹矸石垮落高度，可以精準測量巖石的碎脹系數。

3）寶山煤礦6302 工作面采空區矸石從垮落到壓實經歷了3 個階段：快速垮落、緩慢壓實、穩定壓實3 個階段，碎脹系數隨著工作面的推進逐漸變小，最終穩定值介于1.35～1.39 之間，均值為1.37。

4）工作面巷道頂板從發生變形到最終穩定經歷了3 個區段：動壓影響區、動壓穩定區、變形穩定區，巷道圍巖隨著工作面推進逐漸穩定，最終巷道圍巖變形量為頂底板移近量296 mm, 兩幫移近量135 mm。工作面在切頂留巷過程中，巷內臨時支護體系和巷旁擋矸支護體系支護長度應≥120 m。