堅硬頂板切頂巷道變形特征及其控制方法研究

李江龍

(山西潞安集團 余吾煤業有限責任公司，山西 長治 046100)

近年來，隨著采煤技術的不斷發展，無煤柱開采工藝在礦山得到了廣泛應用，該技術在緩解礦山采掘銜接緊張、高效回收煤炭資源方面做出了巨大貢獻[1-3]。對于無煤柱回采，工作面巷道往往采取沿空留巷方式，這就對巷道的穩定提出了更高的要求。隨回采工作面推進如何保障工作面巷道的穩定性，一直是采礦學者們研究的重點[4-6]。

在這方面研究中，李雁等[7]分析了沿空巷道變形破壞機理，提出高強高預緊力錨桿(索)+W寬鋼帶的大斷面沿空巷道圍巖強化支護技術；趙志研[8]研究了巷旁充填體參數對沿空留巷圍巖控制的影響，提出了沿空留巷錨桿不對稱支護方案；李春意等[9]構建了能夠反映沿空巷道受初次采動圍巖形變規律的回歸函數模型，探究了充填體上方頂板巖層的應力傳遞規律；張永杰[10]對郭莊煤礦3308工作面巷旁支護、待澆筑空間圍護以及沿空留巷臨時支護進行了研究，通過現場實踐，支護方案穩定性符合要求。

綜合文獻分析，對于沿空巷道穩定的研究主要集中在普通頂板條件巷道支護技術及圍巖變形規律，對于堅硬頂板條件下切頂巷道變形特征及其控制方法有待進一步研究。為此，本文以山西某礦堅硬頂板條件沿空巷道為工程背景，對巷道變形特征及其控制方法進行了系統分析，研究成果可為類似工程條件的礦山巷道變形控制提供工程指導與借鑒。

1 工程概況

某煤礦主采3號煤層，煤層傾角2～7°，平均傾角4°，煤層厚度為2.7～3.8 m，平均厚3.3 m，煤層中還有1～2層夾矸，煤層埋深355～403 m，采用綜合機械化采煤技術，全部垮落法管理頂板，年產量1 200萬t.煤層直接頂為泥巖，基本頂為細砂巖，基本頂上方主要為中砂巖，屬于典型的堅硬頂板條件；煤層直接底為泥巖，基本底為粉砂巖，煤巖體綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀

目前3號煤層主要回采3104工作面，工作面傾向長135 m，走向長650 m，工作面回風巷道為寬×高=5.0 m×3.3 m的矩形斷面，采取錨桿+金屬網進行支護。回采過程中，對回風巷進行沿空留巷。由于煤層頂板堅硬，隨回采工作面推進，其后方采空區不能及時垮落，致使支架后方存在大范圍的懸頂情況；同時，在采動應力影響下，導致巷道底板及兩幫變形嚴重，對工作面安全回采造成一定程度的威脅。為解決工作面回采過程中存在懸頂及巷道變形難題，計劃實施切頂卸壓方法，這就需要研究堅硬頂板切頂巷道變形特征，據此提出可靠的巷道變形控制方法。

2 切頂對巷道變形影響分析

2.1 切頂對巷道頂板變形影響

對沿空巷道實施切頂后，位于切頂側頂板巖體會形成短臂梁結構，切頂巷道頂板的變形主要受控于塊體B的變形程度，由此構建巷道頂板下沉分析模型，如圖2所示。

圖2 切頂巷道頂板結構

在懸臂梁作用下，巷道頂板沉降量最大位置位于切縫側，此時切頂后方頂板最大沉降量表達式如下[11]：

(1)

式中：u1為塊體B沉降穩定后，切頂端部下沉量，m；l1為近巷道側煤體內部應力極限平衡寬度，m；l2為巷道寬度，m；L1為塊體B破斷長度，m.

其中：

u1=h1-h2(kc-1)

(2)

式中：h1為煤層厚度，m；h2為切頂高度，m；kc為采空區矸石碎脹系數。

近巷道側煤體內部應力極限平衡寬度表達式如下：

(3)

式中：λ為側壓力系數；k為應力集中系數；γ為覆巖容重，kN/m3；H為煤層埋藏深度，m；c為煤體內聚力，MPa；φ為煤體內摩擦角，(°)；P為煤體支護強度，MPa.

塊體B破斷長度表達式如下：

(4)

式中：L為頂板周期來壓步距，m；L0為工作面長度，m.

切頂前周期來壓步距表達式如下：

(5)

式中：h3為關鍵層厚度，m；Q為關鍵層抗拉強度，MPa；q為未切頂時關鍵層對下部覆巖層施加載荷，MPa.

切頂后周期來壓步距表達式如下：

(6)

式中：q1為切頂后采空區矸石對覆巖施加載荷，MPa.

通過公式(4)～(6)可以看出，切頂后周期來壓步距要比切頂前小，塊體B的破斷長度隨之減小，即切頂卸壓有利于減小懸頂長度，縮短周期來壓步距。當煤巖體力學參數及切頂高度一定時，結合公式(1)～(3)，頂板塊體B破斷長度減小后，切頂后方頂板最大下沉量隨之增加，有利于切頂后方頂板充分垮落，減小懸頂高度，保障沿空巷道的穩定性。

2.2 切頂對巷道煤幫變形影響

受工作面回采應力擾動影響，切頂巷道煤幫側一定深度位置的煤層達到應力極限平衡，此時巷道煤幫側變形量表達式如下[12]：

(7)

式中：ks為煤與頂板界面切向剛度系數；E為煤體彈性模量，GPa.

通過公式(7)可以看出，煤幫側的變形量受多種因素的影響，當巷道埋深與采高一定時，此時巷道煤幫側變形主要受煤體彈性模量影響。對巷道實施切頂卸壓后，可以部分切斷采空區頂板對巷道煤幫的應力傳導路徑，提高煤幫側煤體的彈性模量及應力承載能力，由此限制巷道煤幫變形的發展。

3 切頂卸壓數值模擬分析

為進一步研究堅硬頂板切頂巷道應力及位移變化特征，以該礦3104工作面回采為工程背景，采用FLAC3D數值分析軟件對工作面巷道切頂前后應力及位移變化情況進行數值模擬分析。構建的數值模型尺寸為長×寬×高=200 m×100 m×60 m，模擬巷道斷面為5.0 m×3.3 m，模型采用摩爾庫倫準則，對模型四周及底面進行位移約束，模型頂部施加載荷等效于上覆巖層容重，數值模擬用煤巖體力學參數，見表1.

表1 巖體力學參數

巷道切頂前后垂直應力變化情況如圖3所示。切頂前巷道煤幫側垂直應力集中顯現強烈，在煤幫側距巷道約3 m深度的煤體內部垂直應力最高可達12.5 MPa，不利于煤幫的穩定；同時，工作面上方頂板在13.5 m深度位置垂直應力最高可達6.6 MPa，不利于頂板穩定。切頂后巷道煤幫側垂直應力集中顯現范圍明顯減小，在煤幫側距巷道約5 m深度的煤體內部垂直應力最高為10 MPa，可以一定程度上提高巷道煤幫側煤體的穩定性；同時，在切頂范圍內的頂板巖層卸壓區域延伸至20 m，垂直應力達2.5 MPa，切頂卸壓效果顯著。

圖3 切頂前后垂直應力云圖

巷道切頂前后垂直位移變化情況如圖4所示。切頂前巷道頂板垂直位移最高達620 mm，工作面后方頂板垂直位移最高達1 750 mm；切頂后巷道頂板垂直位移最高達75 mm，工作面后方頂板垂直位移最高達240 mm；與切頂前相比，巷道及工作面后方頂板垂直位移分別降低87.9%與86.3%.對巷道實施切頂可有效減小頂板下沉量。

圖4 切頂前后垂直位移云圖

巷道切頂前后水平位移變化情況如圖5所示。切頂前巷道煤幫側水平位移最高達150 mm；切頂后巷道煤幫側水平位移最高達30 mm，同時切頂巷道上部頂板巖層以水平變形為主，最大水平位移為35 mm；與切頂前相比，巷道煤幫側水平位移下降80%，對巷道實施切頂可有效減巷道煤幫側位移量。

圖5 切頂前后水平位移云圖

綜合分析，對巷道實施切頂卸壓后，可有效降低煤幫側煤體內部應力集中程度，增大巷道及工作面頂板卸壓范圍，減小巷道頂板下沉量與煤幫位移量，有效保障巷道的穩定性。

4 切頂巷道變形控制方法

4.1 巷道頂板變形控制方法

通過前面分析，提出采取切頂卸壓方法對巷道變形進行治理，切頂高度為7.5 m，切頂角度為70°，由于頂板堅硬，在對頂板進行預裂爆破時，受工作面回采與爆破擾動影響，可能造成巷道頂板變形嚴重，而恒阻大變形錨索廣泛應用于切頂巷道的支護，該錨索可以在一定程度上吸收頂板的部分變形勢能，減緩頂板的變形程度。為此針對切頂巷道的支護，在巷道原有支護的基礎上，提出在巷道切縫側與頂板中心位置每排補加2根恒阻大變形錨索，恒阻錨索間距為1.65 m，錨索直徑為21.8 mm，長度為8.5 m.在近煤幫側巷道頂板補打1根鋼絞線錨索，錨索直徑為21.8 mm，長度為8.5 m，巷道頂板支護方法如圖6所示。

圖6 切頂巷道頂板支護(mm)

4.2 巷道兩幫變形控制方法

為有效控制巷道煤幫側變形發展，提出采用無縱筋螺紋鋼錨桿對煤幫側進行加強支護，采用的錨桿參數為D22 mm×1 500 mm，每排布置3根錨桿，其中,中間錨桿沿巷道煤幫中心垂直壁面布置，上下兩根錨桿與巷道水平線夾角為15°，錨桿間排距為1 000 mm×1 200 mm，巷道煤幫側支護方式如圖7所示。

圖7 切頂巷道煤幫側支護(mm)

對于巷道矸石幫，實施切頂卸壓后，采空區垮落矸石會對巷道矸石幫形成一定程度的沖擊影響，同時由于頂板巖層堅硬，在采動應力擾動下可能導致巷道切頂側頂板下沉嚴重。為此，對于巷道矸石側的支護，提出采取“單體支柱+工字鋼+金屬網”交錯支護方法，相鄰工字鋼與單體支柱間距均為450 mm，單體支柱布置2排，工字鋼布置1排。工字鋼的作用在于支撐垮冒矸石的沖擊力，單體支柱的作用在于控制頂板的穩定性，巷道矸石側現場支護情況如圖8所示。

圖8 巷道矸石側現場支護

5 現場實踐效果分析

為了進一步驗證所提出的堅硬頂板切頂巷道控制方法的可靠性，對切頂巷道加強支護后位移變化情況進行現場監測，監測結果如圖9所示。可以看出，巷道實施加強支護后，隨著回采工作面推進，巷道變形表現為“S”形變化特征，巷道整體變形在滯后工作面170 m后趨于穩定。其中頂板最大沉降量為193 mm，煤幫側最大移近量為86 mm，矸石幫側最大移近量為105 mm，巷道整體穩定性良好，保障了工作面安全高效回采。

圖9 切頂巷道變形監測結果

6 結 語

1) 通過理論分析，切頂后周期來壓步距要小于切頂前，頂板破斷長度減小，對巷道實施切頂卸壓后，可以切斷采空區頂板對巷道煤幫的應力傳導路徑，提高煤幫側煤體的彈性模量及應力承載能力，可有效限制巷道的變形發展。

2) 通過數值模擬分析，對巷道實施切頂卸壓后，可有效降低煤幫側煤體內部應力集中程度，增大巷道及工作面頂板卸壓范圍，減小巷道頂板下沉量與煤幫位移量，以保障巷道的穩定性。

3) 針對切頂巷道變形控制，研究提出巷道頂板采用恒組大變形錨索、巷道煤幫側采用無縱筋螺紋鋼錨桿，以及巷道矸石側采用“單體支柱+工字鋼+金屬網”交錯布置加強支護方法。通過現場實踐，切頂巷道頂板及兩幫的最大位移量分別為193 mm、86 mm與105 mm，巷道整體穩定性良好，保障了工作面安全高效回采。