三軟厚煤層超前切頂沿空留巷充填墻 穩(wěn)定性與尺寸優(yōu)化研究

李小鵬，申駿超，姜彥軍，于 濤

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.鄭州煤炭工業(yè)集團 新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451100)

沿空留巷是煤礦常用的無煤柱護巷技術之一，在技術和經濟上有很大的優(yōu)越性，如減少區(qū)段保護煤柱，提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進工作量，緩解采掘接替緊張局面，改善工作面通風條件等[1]，其技術優(yōu)勢和經濟效益顯著。到目前為止，我國在沿空留巷理論與技術研究方面進行了大量的研究工作，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術已日趨完善，巷旁支護、巷內支護、加強支護及煤幫加固技術已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層大斷面巷道中采用沿空留巷技術仍存在著一些技術難題[2-5]。巷旁支護是沿空留巷的關鍵技術[6，7]，目前我國巷旁支護主要為充填體護巷。根據充填材料不同，大致分4種充填技術：高水速凝材料、膏體材料、柔模泵注和快硬混凝土[8，9]。這些充填技術具有凝固速度快、早期強度高、采空區(qū)密閉效果好、機械化程度高、勞動強度低等特點，使我國沿空留巷技術水平得到大幅度提高。在支護理論方面，何滿潮[10]研究了采空區(qū)側頂板預裂卸壓機制，建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結構-巷旁支護體”力學模型，推導得出了巷旁支護阻力的計算方法。陳勇、柏建彪等[11]通過數值模擬和現場試驗，分析充填體寬度與留巷圍巖應力和變形的關系，確定了合理的巷旁充填體寬度。譚云亮等[12]提出充填體需要有載荷適用性和變形適應性，并得出了巷旁充填體強度公式。張東升等[13]通過沿空留巷物理和數值模擬，推導出充填體強度、縱向應變及充填側頂板下沉量等估算公式。沿空留巷成功的前提是對巷道圍巖進行有效支護，使得圍巖達到自穩(wěn)狀態(tài)，避免產生過大的變形與破壞，充填體的穩(wěn)定是沿空留巷成功的關鍵。

趙家寨煤礦12209工作面為典型的三軟厚煤層綜采工作面，由于巷道托頂煤厚度不同(1～4m)，巷道頂板松軟破碎，且直接頂厚度較小，其上部為比較堅硬的老頂，雖然回采后直接頂隨之垮落，但因厚度不大，不能填滿采空區(qū)，老頂置于懸露狀態(tài)，當工作面推進一段距離后老頂才開始垮落，此時因采空區(qū)落差較大[14]，致使工作面呈現周期來壓狀態(tài)，回采巷道變形特別嚴重。因此針對趙家寨煤礦12209工作面留巷困難的現狀，提出超前切頂、巷內充填的留巷方案并在現場選取典型試驗巷道進行試驗。

1 工程概況

趙家寨煤礦12209工作面主采山西組二1煤，煤質松軟，強度較低，層理不清，煤層結構簡單。煤層平均厚度6.5m，平均傾角4°。巷道沿底板掘進，直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.29m，基本頂為大占砂巖，平均厚度19.52m，直接底為砂質泥巖，平均厚度8.86m。工作面頂底板巖層柱狀如圖1所示。

圖1 12209工作面地層綜合柱狀

12209工作面巷道掘進期間采用全錨網支護，擴巷后進行補強加固。原巷道為矩形斷面，寬5.4m，高3.5m，凈斷面18.9m2，擴巷3.5m，擴巷后凈寬8.9m，總斷面31.15m2。原巷道支護參數如下：

頂板支護使用螺紋鋼錨桿，規(guī)格?20mm×2400mm，單排7根布置，間距800mm，排距800mm；使用鋼絞線錨索，規(guī)格?17.8mm×8200mm，呈“3-2-3”布置，錨索間距1200mm，排距1600mm。幫部支護運輸巷兩幫采用錨網支護，錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，間距800mm，排距800mm。擴巷后采用“冷拔絲編織網+鋼筋焊接網+H型鋼帶(橫向)+頂錨索+頂W鋼帶(縱向)+錨桿”進行補強支護。斷面采用規(guī)格為?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為幫部800mm×600mm，頂部為600mm×600mm。錨索按“3-2-3”布置，錨索為?17.8mm×8200mm鋼絞線錨索，排距600mm。擴巷后支護參數如圖2所示。

圖2 回采巷道支護斷面(mm)

擴巷后在巷道工作面?zhèn)冗M行超前爆破切頂，爆破使用煤礦3級許用水膠炸藥，采用雙抗D型聚能管作為炸藥的載體，為保證定向切頂，在裝藥時使各爆破孔聚能管兩側凹槽連線始終與巷道走向平行。在進行切頂時，切頂角度越大，切頂效果越好，但由于頂板巖層較軟，巷道跨度較大，為避免切頂后巷道頂板發(fā)生垮塌，所以需要保留一定的角度進行切頂，使得切頂后煤壁側實體煤對頂板施加一個側向的支撐力，避免巷道頂板發(fā)生垮塌。另外考慮到趙家寨礦頂板鉆孔施工問題，垂直頂板進行鉆孔施工難度較大，將鉆孔向工作面?zhèn)葍A斜一定角度，以保證鉆孔施工順利。綜合考慮后確定切頂角度為垂直巷道走向方向偏工作面回采側10°。

根據以往爆破經驗，結合礦井實際地質條件，確定切頂高度為工作面基本頂2/3的界面高度時，切頂部分直接垮落，剩余基本頂在自重及上覆巖層載荷的影響下完全垮落。根據圖1中巖層分布可知，工作面基本頂界面高度為25.3m，因此，爆破孔深度為：

式中，Hf為切頂高度，取18.8m；α為爆破孔沿巷道走向方向偏工作面回采側角度，取10°；β為爆破孔與工作面運輸巷走向方向所成夾角，取90°。

計算可得爆破孔深度H為19.2m。考慮到巖層厚度的變化以及保證厚硬頂板在礦山壓力作用下順利垮落，現場爆破孔采用20m。經過現場試驗確定，爆破孔深20m時基本頂完全垮落，垮落后的頂板能夠有效支撐上覆巖層。

綜合考慮，確定爆破孔深20m，孔徑為50mm，傾角為沿巷道走向方向偏工作面回采側10°。切頂結束后工作面開始回采，并在工作面后方巷道內，以泵送C30型號混凝土作為充填材料，模箱澆筑方式構筑巷旁充填墻體。切頂及巷內充填體留設位置如圖3所示。

圖3 切頂及巷內充填方案

2 不同條件下的充填墻力學特征及尺寸優(yōu)化

充填墻在支護受力過程中，主要以受壓為主，墻體破壞也多為受壓破壞，因此對充填墻受壓強度進行設計[15]。

2.1 未超前切頂時充填墻力學特征分析

隨著工作面推進，采空區(qū)的直接頂在巖體的自重影響以及充填墻體的切頂阻力作用下，直接頂沿充填墻體破斷、垮(冒)落。而采空區(qū)的基本頂由于巖層較厚且?guī)r性較硬，當基本頂折斷垮落后會在巷道上方形成倒臺階鉸接梁[16]。充填體受力模型如圖4所示。

圖4 未超前切頂充填體后期受力模型

充填墻受力按照式(2)[17]計算：

(2)

式中，h5、h3、h4分別為頂煤、直接頂、基本頂的厚度，m；γ2、γ3、γ4分別為煤體、直接頂、基本頂單位長度的自重，kN/m3；L1為老頂超前斷裂步距，m；L2為關鍵塊體采空區(qū)懸露長度，m；L3為關鍵塊體長度，m。

關鍵塊體長度按式(3)[18]計算；

式中，l為基本頂來壓步距，m；Lm為工作面長度，m。

qn為上覆巖層載荷，按照式(4)[19]計算；

式中，x0為應力極限平衡區(qū)的寬度，按照式(5)[20]計算(或通過礦井生產探測鉆孔確定)：

式中，λ為側壓系數；φ0為煤層與頂底板交界面的內摩擦角，(°)；k為實煤體幫側向支承應力集中系數；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；c0為煤層與頂底板的黏聚力，MPa；Px為煤幫支護阻力，MPa。

σy為應力極限平衡區(qū)的支承應力，按照式(6)[21]計算；

式中，h2為煤層厚度，m。

在充填墻留設期間，為保證充填墻不發(fā)生破壞性變形，充填墻的受力σ2應小于充填墻強度σc，即σ2≤σc[22]。所以未超前切頂時巷旁充填墻寬度a1應滿足式(7)：

(7)

2.2 超前切頂時充填墻力學特征分析

巷道在完成擴巷并進行爆破切頂后留設充填墻，隨著工作面推進，采空區(qū)上方的基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，由于基本頂在采空區(qū)懸露長度較短，產生彎矩較小，基本頂在實體煤側基本不發(fā)生回轉。充填墻與煤壁共同承擔頂板和基本頂上覆巖層的重量。充填墻受力模型如圖5所示。

圖5 超前切頂充填墻后期受力模型

此時充填墻受力按照式(8)計算：

(8)

式中，L3為基本頂從切頂線到應力極限平衡區(qū)投影長度，m；L2為關鍵塊體采空區(qū)懸露長度，m。

關鍵塊體采空區(qū)懸露長度按照式(9)計算：

超前切頂時巷旁充填墻寬度a2應滿足式(10)：

(10)

計算巷內充填墻寬度范圍的參數如下：λ=1.25，Lm=195m，l=21m，m=3.1m，c0=0.5MPa，k=1.5，φ0=35°，Px=0.1kN/m，H=300m，γ2=19.7kN/m3，γ3=22.5kN/m3，γ4=25kN/m3，h1=8.8m，h2=6.5m，h3=2.3m，h4=19.5m。不切頂時L1=15m，L2=10m，L3=25.0m；切頂時L1=15m，L2=2.83m，L3=17.83m；經過計算，上覆巖層載荷qn=3.13MN/m；根據地質資料顯示，在工作面推進10d左右出現初次來壓，巷旁充填體10d左右應達到切頂阻力，由試驗可知充填體10d的強度可以達到27.5MPa。

將以上數據代入公式，由式(7)和式(10)可得未超前切頂與切頂時的最小充填墻留設寬度(a1，a2)為(3.5，2.2m)。由理論計算結果可知，超前切頂與不切頂相比，巷道巷道穩(wěn)定時所需留設充填墻寬度明顯減小。

3 沿空巷道超前切頂充填墻尺寸優(yōu)化數值分析

3.1 數值模型建立

以趙家寨煤礦12209工作面回風巷實際地質條件為依據，建立數值模型，數值模型長×寬×高=450m×50m×50m。數值模型兩側、底部和前后界面進行位移和應力邊界約束，12209工作面平均埋深300m，在模型頂部施加初始垂直載荷σz=7.5MPa，在兩側施加初始水平載荷σx=σy=9.375MPa，采用摩爾-庫侖本構準則。通過數值模擬對不切頂與切頂時的沿空巷道進行對比，并確定合理的充填墻留設寬度。模型各分層物理力學性質見表1。

表1 煤層頂底板巖層物理力學參數

3.2 切頂卸壓與不切頂卸壓對比分析

對切頂卸壓與不切頂卸壓兩種情況進行數值模擬對比，應力云圖與位移分布如圖6、圖7所示。

圖6 切頂與不切頂應力對比

圖7 切頂與不切頂位移對比

由圖6、圖7可知，超前切頂時，巷道煤壁側集中應力為13.0MPa，切頂時巷道頂板最大下沉量約為0.35m；不超前切頂時，巷道煤壁側集中應力為22.6MPa，巷道頂板最大下沉量約為0.80m。二者相比，超前切頂時，回采巷道煤壁側集中應力與巷道上方基本頂所受應力明顯減小，頂板最大下沉量明顯減小。超前切頂能夠切斷采空區(qū)與回采巷道頂板的應力傳遞，有效降低回采巷道所受應力，減少巷道圍巖變形。

由理論計算和數值模擬結果可以得出，對回采巷道進行切頂，可以有效改善回采巷道圍巖應力分布，降低充填體所受載荷。對切頂后的回采巷道進行模擬計算，確定合理的充填體留設寬度。

3.3 切頂卸壓條件下充填墻留設模擬結果分析

3.3.1 回采巷道及充填墻垂直應力分析

切頂時，隨著工作面推進，基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，充填墻及實體煤壁共同支撐回采巷道頂板。不同寬度充填墻時回采巷道垂直應力分布如圖8所示。

圖8 不同寬度充填墻時垂直應力分布

不同寬度充填墻時充填墻內部垂直應力分布曲線如圖9所示，由圖9可知，充填墻內部垂直應力較小，在兩側出現應力集中，采空區(qū)側受力最為顯著。隨著充填墻寬度的增加，垂直應力峰值及應力變化速率都出現減小。當充填墻寬度為1.4m或1.8m時，充填墻內部垂直應力劇烈變化且垂直應力峰值較大。當寬度增加到2.2m后充填墻所受壓力出現較大幅度減小且峰值較小，墻體內部垂直應力分布比較平穩(wěn)。這表明當寬度為2.2m時充填墻內部應力分布比較均勻，充填墻承載能力得到較大提升且破壞變形較小。

圖9 不同寬度充填墻時充填墻中垂直應力

不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力分布曲線如圖10所示，當充填墻寬度為1.4m時，煤體中的垂直應力最大；當巷內充填墻寬度達到2.2m時，實體煤幫中的垂直應力出現較大減小；當充填墻寬度繼續(xù)增加，實體煤幫垂直應力變化較小。這表明當充填墻寬度為2.2m時，充填墻能夠對頂板提供較大的支撐阻力，有效支撐頂板，使得回采巷道上方頂板受力較為均勻，從而減輕了頂板下沉在煤幫中形成的應力集中程度。

圖10 不同寬度充填墻時實體煤幫中垂直應力

3.3.2 回采巷道頂板位移分析

不同寬度充填墻時頂板位移分布曲線如圖11所示，由圖11可知，隨著充填墻寬度的增加，充填墻對巷道頂板的支護作用不斷增強，頂板垂直位移不斷減小。當充填墻寬度為1.4m時，頂板最大下沉量為0.49m；寬度為1.8m時，頂板最大下沉量為0.44m；寬度為2.2m時，頂板最大下沉量為0.35m；寬度為2.6m時，頂板最大下沉量為0.33m；寬度為3.0m時，頂板最大下沉量為0.29m。當充填墻寬度增加到2.2m時，頂板垂直位移出現明顯減小，這表明充填墻寬度達到2.2m時充填墻對頂板有較強的支撐力，對頂板的支撐效果較好，頂板未發(fā)生較大變形。

圖11 不同寬度充填墻時巷道頂板垂直位移

3.3.3 回采巷道及充填墻塑性區(qū)分析

不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)分布情況如圖12所示，隨著充填墻留設寬度的增加，充填墻及圍巖的塑性破壞區(qū)逐漸減小。在充填墻寬度從1.4m增加到2.2m時，充填墻塑性破壞區(qū)大范圍減小；當留設寬度從2.2m增加到3.0m時，充填墻塑性破壞區(qū)范圍變化較小。在充填墻寬度為2.2m時，充填墻體塑性區(qū)較小，墻體大部分完好，破壞較小，這表明在當充填墻寬度為2.2m時，充填墻的的抗壓能力較強，在頂板壓力作用下充填體未發(fā)生較大破壞，充填墻比較完整。

圖12 不同寬度充填墻時回采巷道及充填墻塑性區(qū)

4 現場應用效果監(jiān)測

根據研究成果，在趙家寨礦12209工作面回風巷選取一段試驗巷道進行施工，采用頂板離層儀和幫部位移計進行巷道穩(wěn)定性監(jiān)測，超前切頂并留設充填墻后巷道變形監(jiān)測結果圖13所示。

圖13 巷道變形監(jiān)測

由圖13可知，隨著工作面的推進，在充填墻留設10d左右，巷道初次來壓，巷道頂底板變形速率增大，頂底板最大移近量約為15cm，充填墻整體完好；在充填墻留設90d左右，巷道頂板趨于穩(wěn)定，頂板最大移近量約為35cm，巷道整體穩(wěn)定性較好。

5 結 論

1)理論分析及數值模擬結果表明，切頂卸壓能夠有效減小維持巷道穩(wěn)定所需的充填墻留設寬度，切頂卸壓條件下充填墻的合理留設寬度為2.2m。數值模擬結果表明，當充填墻寬度為2.2m時，充填墻體具有足夠承載能力且巷道圍巖整體變形較小，圍巖破壞范圍較小。綜合考慮，確定12209工作面充填墻合理留設尺寸為寬×高=2.2m×3.4m。

2)現場監(jiān)測表明，12209工作面沿空留巷時對回采巷道進行超前切頂卸壓并留設寬度為2.2m充填墻能夠有效維護回采巷道的穩(wěn)定，保證留巷的成功進行。