大傾角厚層堅固頂板巷旁支護體合理寬度及讓壓尺度研究

李鵬，朱永建, ，王平, , ，任恒，張玉群，王希之，梅成成

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭，411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭，411201；3.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，411201)

沿空留巷作為無煤柱開采技術，是煤礦開采的一次重要變革[1-5]。我國自20世紀50年代開始研究和應用沿空留巷技術，在巷旁支護形式、結構、材料等方面取得了顯著進展，已在近水平及緩傾斜煤層礦井中成功應用。但隨著煤炭資源的枯竭，沿空留巷技術逐漸向施工難度較大的大傾角煤層甚至急傾斜煤層轉移[6-8]。近年來，國內外學者圍繞大傾角煤層開采礦壓顯現及頂板控制等方面展開了大量研究。張宇寧等[9]通過建立大傾角采場圍巖運動模型，揭示了大傾角礦壓顯現規律，提出了針對大傾角中厚煤層堅硬頂底板綜采開采條件下的柔性護巷支護系統方案；曹樹剛等[10-11]將上行式留機巷和下行式留風巷時頂板活動進行比較，得到了兩種情況下所需巷旁支護阻力；解盤石等[12-13]以大傾角大采高工作面為研究對象，采用數值模擬、物理相似模擬實驗及現場測試相結合的方法，深入分析了夾矸層數、厚度對煤矸互層頂板穩定性的影響；國林東等[14]結合大傾角煤層工作面開采特點，反演了不同傾角條件下不規則工作面的支承壓力動態演化規律；沈平等[15]基于大傾角煤層開采巖層移動“廠”型結構模型，提出了一種弓形柔性掩護支架系統。綜上可知，國內外學者在大傾角煤層開采礦壓顯現及頂板控制等方面取得了大量的研究成果，但針對大傾角煤層沿空留巷巷旁支護體設計的研究還鮮有報道。巷旁支護體作為沿空留巷時的主要承載結構之一，其設計的合理性直接關系著留巷的成功與否，尤其是在大傾角煤層的條件下，巷旁支護體在受到較高的豎向載荷的同時，還受到來自采空區冒落矸石的側向載荷，因此，開展大傾角煤層沿空留巷巷旁支護體合理參數設計是必要的。

本文作者在理論分析的基礎上，以四川柏林煤礦沿空巷道為背景，分析大傾角煤層沿空留巷頂板活動規律，建立大傾角煤層切頂留巷巷旁支護力學模型，計算巷旁支護體最小寬度及讓壓尺度。通過數值模擬方法分析不同巷旁支護體寬度及讓壓尺度下的沿空巷道變形特征，確定大傾角煤層沿空留巷巷旁支護體的合理寬度及讓壓尺度，最后進行現場驗證。

1 大傾角厚層堅固頂板覆巖運移規律

1.1 工程地質條件

四川柏林煤礦-2446(k26)南段綜采工作面位于-244采區南翼第三區段，工作面南北走向長473 m，平均傾斜長約194 m，開采煤層為26 煤，埋深H=520～690 m，平均620 m，賦存穩定，煤層厚度為0.60～1.88 m，平均1.44 m，煤層傾角為30°，屬大傾角煤層。直接頂為深灰色粉砂質泥巖，平均厚度為7.48 m，屬中等堅固頂板，不易垮落；老頂為粉砂質泥巖，平均厚度為7.38 m；直接底為砂質泥巖，厚度為1.96 m，含水平層理；老底為粉砂巖，厚度為3.99 m，灰色，致密堅硬。煤層及頂底板巖層柱狀圖見圖1，其中，厚度數據分子部分表示該巖層最小到最大厚度，分母部分表示該巖層平均厚度，數值建模時選用平均厚度進行建模。

圖1 煤層及頂底板巖層柱狀圖Fig.1 Columnar diagram of coal seam and roof and floor strata

1.2 大傾角厚層堅固頂板活動規律

大傾角煤層沿空留巷頂板活動過程如圖2 所示。工作面煤層開采后，采場上覆巖層發生大范圍移動，應力重新調整，形成采動應力場。采空區側巷位于采空區邊緣，其頂板必然受到采動應力場的影響[16-17]。研究表明[18]，沿空留巷頂板運動按時間可劃分為前期活動、過渡期活動和后期活動3個時期。

對厚層堅固頂板而言，頂板前期活動以回轉下沉為主，工作面煤層回采后，隨著支架的前移，后方巖層失去了支撐作用，在自重和巷旁支護體的切頂阻力作用下，采空區側直接頂部分垮落，垮落的矸石沿傾角向下滾落，堆積于巷旁支護體側并對未垮落頂板提供支撐作用，直接頂巖塊形成懸臂梁結構。此時，基本頂受直接頂垮落和來壓影響，首先在采空區上部開始出現斷裂(如圖2(a)所示)。

頂板過渡期活動以回轉變形為主，由于直接頂的不充分垮落，采空區上部矸石滑移堆積不密實，與基本頂斷口搭接存在一些空隙，基本頂持續回轉下沉且回轉速度較快，下沉量較大。這一過程中，基本頂覆巖的重量通過直接頂轉移到側向實體煤上，在煤體深部產生了應力集中，實體煤幫上方巖層產生二次破斷，基本頂巖塊形成穩定的砌體梁結構(如圖2(b)所示)。

圖2 大傾角煤層沿空留巷頂板活動過程Fig.2 Roof movement process of high-dip coal seam along goaf

頂板后期活動以平行下沉為主，基本頂板穩定砌體梁結構形成后，上位巖層逐漸破裂變形，留巷頂板產生平行下沉，巷旁支護體被壓縮甚至壓壞，實體煤幫鼓出甚至片幫(如圖2(c)所示)。

從整個采場覆巖的運移過程中可以看出，由于厚層堅固頂板的不充分垮落及采空區下部冒落矸石堆積密實，大傾角煤層沿空留巷頂板極易形成長懸臂梁的“大結構”，不利于沿空留巷的穩定，為確保沿空留巷成功，必須對頂板采取預裂切縫措施。

2 大傾角厚層堅固頂板巷旁支護力學分析

頂板預裂切縫后，直接頂在自重作用下沿切頂線被切落，形成短懸臂梁結構；基本頂在巷旁支護體承載后被切斷，與冒落矸石、巷幫實體煤和巷旁支護體的協同作用形成“砌體梁”平衡結構。大傾角厚層堅固頂板巷旁支護力學模型如圖3所示。其中，P0為巷幫實體煤對頂板的支護阻力集度；P1為巷旁支護體對頂板的支護阻力集度；P2為垮落矸石對基本頂1的支護阻力集度；P3為垮落矸石對基本頂2和直接頂的支護阻力集度；Pn為基本頂受上覆巖層作用力；x0為巷幫實體煤松動區有效寬度；Lk為巷道維護寬度；Lc為巷旁支護體有效寬度；α為煤層傾角。

圖3 大傾角厚層堅固頂板巷旁支護力學模型Fig.3 Mechanics model of roadside support with large inclination and thick solid roof

2.1 巷旁支護體支護阻力理論計算

巷旁支護體前期以讓壓為主，后期巷旁支護體要有足夠高的強度抵抗頂板的回轉下沉。因此，在計算巷旁支護阻力時，應以頂板運動后期為準。此時，采空區側頂板在切頂卸壓的作用下已經充分冒落，矸石對頂板具有支撐作用，建立力學平衡方程：

式中：Lx為基本頂1的懸頂長度；L3為矸石對基本頂2 和直接頂作用長度；γ1為基本頂1 巖層容重；m1為基本頂1巖層厚度；L1為巖塊B長度；γ2為直接頂與基本頂2 容重；m2為直接頂與基本頂2 厚度；L2為直接頂與基本頂2懸頂長度。

由于P0等于松動區煤體的殘余抗壓強度σc，考慮到應力集中系數K，此時，巷旁支護體的支護阻力P1為

式中：λ為側壓系數；m0為煤層厚度；φ0為煤層與頂底板交界面的內摩擦角；c0為煤層與頂底板交界面的黏聚力。

根據彈性地基理論可知：

2.2 巷旁支護體合理寬度理論計算

從受力角度分析，巷旁支護體主要受頂板上覆載荷、巷旁支護體與頂底板之間的摩擦力以及垮落矸石對巷旁支護體的側向壓力作用。如圖3所示，假設矸石之間不存在摩擦力，則垮落矸石對巷旁支護體的側向壓力F為

式中：Gw為采空區矸石的重力；u1為矸石與底板之間的摩擦因數；γw為矸石容重；hc為巷旁支護體高度；l為工作面長度。

巷旁支護體與頂底板之間的摩擦力f為

式中：u2為巷旁支護體與頂板之間的摩擦因數；γc為巷旁支護體容重；u3為巷旁支護體與底板之間的摩擦因數。

對于巷旁支護體，若要穩定，其所受摩擦力應滿足：

依據式(1)～(8)和現場調查可得相關參數為：K=2，x0=4.66 m，γ1=26.3 kN/m3，m1=5.1 m，L1=30 m，γ2=27.4 kN/m3，m2=7.48 m，L2=25 m，L3=5 m，σc=0.74 MPa，x0=4.66 m，λ=0.5，m0=1.7 m，H=620 m，c0=2 MPa，φ0=25°，將這些參數代入式(8)，可以得到巷旁支護體的最小寬度為0.98 m。

3 巷旁讓壓支護機制

為確保沿空巷道的正常使用，巷旁支護體設計應充分考慮采空區矸石壓縮流變特性，要求巷旁支護體與采空區矸石在頂板巖梁作用下產生的壓縮流變變形規律相互協調一致。在留巷前期，巷旁支護體需具有一定的讓壓性，允許頂板具有一定的回轉下沉量。在留巷穩定階段和二次采動階段，巷旁支護體必須擁有足夠高的強度來抵抗頂板進一步的回轉下沉，達到“前期讓壓，后期抗壓”的支護效果。“柔-剛”組合巷旁支護體結構如圖4所示。

圖4 “柔-剛”組合巷旁支護體結構示意圖Fig.4 Structure diagram of "flexible-rigid" combined roadside support

假設沿空留旁構筑后某一時刻t1，頂板巖梁觸矸及采空區矸石開始受壓，此時巷旁支護體與采空區矸石流變變形如圖5所示。

圖5 巷旁支護體與采空區矸石流變變形示意圖Fig.5 Schematic diagram of rheological deformation of roadside support and goaf gangue

頂板巖梁的下沉量主要與冒落區巖層碎脹性有關，隨著頂板巖梁的回轉下沉，采空區矸石壓縮量逐漸增大，等效碎脹系數逐漸減小。頂板巖梁的下沉量與碎脹系數關系為[20]

式中：Sw為頂板巖梁的下沉量；KA為冒落頂板巖層碎脹系數，一般取1.25～1.35；Ky為冒落帶矸石壓實后的碎脹系數，一般取1.05。

由于巷旁支護體與采空區矸石在頂板巖梁作用下產生的壓縮流變變形規律相互協調一致，則“柔-剛”組合巷旁支護體的壓縮量Sc可通過頂板巖梁的下沉量Sw計算得到：

若要發揮冒落矸石、巷幫實體煤和巷旁支護體的協同支護作用，應讓采空區矸石充分壓實，此時巷旁支護體的壓縮量為，則巷旁支護體讓壓量Sy及巷旁支護體柔性材料高度h1應滿足：

式中：ε為柔性材料彈性應變率，取0.15。

將各參數取值代入式(11)和(12)，得出巷旁支護體的最小讓壓量為94 mm，柔性材料最小高度為626 mm。

4 數值模擬

4.1 模型建立

為確定大傾角沿空巷道巷旁支護體合理寬度及讓壓尺度，以四川柏林煤礦-2446(k26)南段綜采工作面為背景，建立數值模型，如圖6所示。根據南段綜采工作面實際情況，模型長×寬×高為200 m×1 m×140 m，模型四周采用應力邊界，底部采用固定位移邊界，模型上部施加均布面力，水平和垂直位移不進行約束。巷旁充填體柔性材料部分采用應變硬化模型，其余部分均采用摩爾-庫侖模型。煤層頂底板巖層物理力學參數見表1。

表1 煤層頂底板巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal roof and floor rocks

圖6 數值模型與-2446(k26)南段綜采工作面空間位置分布Fig.6 Numerical model and spatial location distribution of -2446 (k26) south section fully mechanized coal face

4.2 模擬方案

模擬方案采用單因素分析法，根據上述理論分析可得巷旁支護體寬度應大于0.98 m，范圍設置為1.0～3.0 m；巷旁支護體讓壓尺度應大于94 mm，及柔性材料高度不小于626 mm，巷旁支護體總的高度為1.7 m，通過柔性材料與剛性材料在巷旁支護體中的高度占比來控制讓壓尺度，其范圍設置為1∶5～5∶5。模擬方案如表2所示，其中方案1～5為巷旁支護體合理寬度，方案6～10 為巷旁支護體讓壓尺度。

表2 巷旁支護體寬度與讓壓尺度組合方案Table 2 Roadway side supporting body widths and let pressure scales combination schemes

4.3 數值計算結果分析

分別對不同護巷旁支護體寬度及讓壓尺度沿空留巷模型中實體煤、巷道頂板和巷旁支護體變形量進行監測，結果分別如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出：實體煤幫變形和巷道頂板下沉隨著巷旁支護體寬度增加逐漸減小，巷旁支護體寬度由1.0 m 增加至3.0 m，實體煤幫變形量由154 mm 降低至127 mm，巷道頂板最大下沉量由235 mm降低至183 mm。而巷旁支護體寬度對其自身壓縮量的影響存在一個閾值，未達到閾值前，巷旁支護體壓縮量隨寬度增加而減小，寬度由1.0 m增加至2.0 m時，巷旁支護體壓縮量由126 mm降低至93 mm；達到閾值后，巷旁支護體壓縮量基本保持在93 mm左右。整體來說，巷旁支護體寬度對留巷穩定性影響顯著，巷旁支護體寬度越大，沿空留巷越穩定，但考慮到矸石墻壘筑工作強度較大，巷旁支護體寬度設置為2.0 m最合理。

圖7 不同護巷旁支護體寬度下實體煤、巷道頂板和巷旁支護體變形量曲線Fig.7 Curves of deformation of solid coal,roadway roof and roadway side supporting body under different widths

由圖8可以看出：巷旁支護體讓壓尺度對實體煤幫的變形量幾乎無影響，變形量保持為150 mm左右；對頂板下沉和巷旁支護體壓縮變形的影響主要取決于采空區矸石的壓實情況：當讓壓尺度為1:5 和2:5 時，巷旁支護體讓壓量不足以使得采空區矸石充分壓實，巷旁支護體被壓壞，導致頂板下沉量和巷旁支護體壓縮量較大；當讓壓尺度為3∶5～5∶5 時，巷旁支護體讓壓量足以使得采空區矸石充分壓實，頂板下沉量和巷旁支護體壓縮量基本穩定在220 mm 和100 mm左右，較方案6和7顯著降低。綜上可知，巷旁支護體讓壓尺度設置為3:5即可滿足采空區矸石充分壓實所需讓壓量。

圖8 不同讓壓尺度下實體煤、巷道頂板和巷旁支護體變形量曲線Fig.8 Curves of deformation of solid coal,roadway roof and side support under different let pressure scales

5 工程實踐

5.1 沿空留巷支護方案

1) 留巷巷道超前支護。巷內基本支護采用“錨桿(索)+錨網”聯合支護。巷道頂板上每排布置2 根螺紋鋼錨桿和3 根恒阻大變形錨索，錨桿(索)垂直打在巷道頂板上，巷道左右兩幫各布置2根螺紋鋼錨桿，沿頂板及巷幫鋪設鋼絲網，下順槽支護參數如圖9所示。

圖9 下順槽支護參數Fig.9 Supporting structure of lower trough

2) 沿空留巷臨時支護。沿空留巷時臨時支護如圖10 所示。工作面下端頭無架段采用單體支柱配HDJA-1 200 mm 鉸梁支護頂板，支柱柱距為0.8 m、排距為1.2 m。由于工作面刮板運輸機較寬，當刮板運輸機靠采空區一側邊沿與其后方排支柱之間的距離大于0.3 m時，在刮板運輸機靠采空區一側的邊沿摻打一排單體支柱。待移溜、移柱后要及時掛梁對新揭露出的頂板進行支護。根據工作面單循環進度，對工作面下端頭新揭露出的頂板可交替使用長短鉸梁進行支護，確保工作面下端頭無架段端面距在0.5 m范圍內。

圖10 沿空留巷臨時支護Fig.10 Temporary support of reserved lanes along goaf

3) 沿空留巷幫頂加強支護。根據柏林煤礦頂板來壓規律，確定工作面煤壁前20 m 為動壓影響范圍，工作面煤壁后120 m 為周期來壓影響范圍。動壓影響區20 m 段和周期來壓影響區120 m 段加強支護，均采用DZ35-250/100和DZ25-250/100型單體液壓支柱配合木挑板或鉸梁(頂板完整性較差時使用)進行支護，支柱的支護柱距為1 m。工作面煤壁后方120 m 以外，壓力趨于穩定，可對120 m以外的單體液壓支柱進行回撤。

5.2 應用效果

根據上述研究結果，在四川柏林煤礦-2446(k26)南段綜采工作面進行現場試驗，巷旁支護體寬度為2.0 m，讓壓尺度為3:5，其中，柔性材料采用高分子膨脹材料，剛性材料采用矸石、水泥、河沙以及外摻劑等組成的矸石混凝土充填材料。巷旁支護體臨采空區側噴一層厚約為10 mm 的泡沫材料，用于緩解垮落矸石對墻體的沖擊力，臨巷側架設護墻鋼筋網。

對巷道頂底板及巷幫變形量進行長達6個月的監測，變形監測曲線如圖11 所示。采空區矸石壓實至6 個月，巷道變形趨于平穩，監測結果表明，頂板最大下沉為103 mm，兩幫移近106 mm，底鼓為50 mm，能夠滿足巷道生產需要。

圖11 變形觀測曲線Fig.11 Deformation observation curve

6 結論

1) 按照時間將沿空留巷頂板運動劃分為前期活動、過渡期活動和后期活動，根據不同時期厚層堅固頂板覆巖垮落特征，指出了大傾角煤層沿空留巷時，頂板極易形成長懸臂梁的“大結構”的技術難題。

2) 建立了大傾角煤層切頂留巷巷旁支護力學模型，推導了巷旁支護體及采空區矸石對頂板巖梁的支護阻力方程；通過考慮垮落矸石對巷旁支護體的側向壓力作用，得到了巷旁支護體的最小寬度為0.98 m。

3) 分析了“柔-剛”巷旁支護體結構讓壓機制，即留巷前期柔性材料讓壓，后期剛性材料抗壓的巷旁支護原理，并根據巷旁支護體與采空區矸石壓縮流變變形的協調一致性，計算出巷旁支護體最小讓壓尺度為94 mm。

4) 通過數值模擬分析了不同護巷旁支護體寬度及讓壓尺度對沿空留巷穩定性的影響，確定了巷旁支護體最合理寬度為2.0 m，讓壓尺度為3∶5。工程實踐表明采用所確定的參數能有效保障礦井的安全生產。