挖金灣礦無煤柱自成巷技術關鍵參數研究與應用

谷偉強

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037042）

1 概況

挖金灣煤業公司山4#層一盤區8106 工作面煤層厚度平均1.8 m，為兩巷布置的“U”型工作面，2106 皮帶順槽、5106 輔助運輸順槽均沿山4#煤層頂底板掘進，煤層頂底板巖性特征詳見表1 所示。8106 工作面采用后退長壁開采法，全部垮落法管理采空區。本次留巷設計為5106 輔助運輸順槽，供下一8108 工作面使用。

表1 工作面頂、底板巖性特征表

2 切頂成巷關鍵參數模擬分析

2.1 切頂高度對礦壓顯現影響

為了分析沿空巷道切頂后其頂板巖層垮落特征，采用UDEC 軟件進行模擬研究[1-4]。與傳統的有限元和有限差分方法相比，UDEC 具有更好的表征巖體幾何不連續特征和模擬節理張開、塊體滑動、崩塌等大位移的優點。考慮到巖體的抗拉強度遠小于抗壓強度，因此選用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型來構件煤巖層。該模型能夠考慮抗拉強度，當塊體承受的拉應力超過其抗拉強度時，塊體將會發生拉伸破壞。此外，該模型還采用了面接觸庫侖滑移模型，因此非常適合地下工程巖體的開挖模擬。應用UDEC 軟件建立計算模型，煤層厚度在1.6～2.0 m 之間，平均厚度1.8 m，切頂留巷設計為山4#煤層8106 工作面輔助運輸順槽。該煤層直接頂為均厚1.64 m 的灰色粉砂巖，其下為均厚3.39 m 的黑灰色中厚層狀粉砂質泥巖和2.39 m 的灰白色中厚層狀長石砂巖。切頂高度模擬過程中其他參數保持不變，切頂高度分別取5.5 m、7.0 m、8.5 m，模擬得到圍巖結構形態如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度圍巖結構形態及變形規律

通過分析不同切頂高度下覆巖運移結構形態和垂直位移分布云圖，可以得出以下結論：預裂切縫有效地切斷了巷道頂板與采空區頂板巖層之間的連續結構，使得采空區頂板在切縫最高處發生垮落和折斷，從而降低了沿空巷道的維護難度。在不同切頂方案下，巷道頂板都形成了切頂短臂結構，而采空區內則由底部垮落的巖層和上位較為完整的基本頂組成。采空區上位和沿空巷道上方基本頂出現輕微程度的錯位變形，仍然是一個整體結構。1）當切頂高度為5.5 m 時，垮落的巖層滾落至沿空巷道采空側并形成碎石幫。垮落堆積的碎石與上部輕微下沉的完整基本頂巖層之間存在較大空隙，這表明切頂高度過小，垮落的巖層碎脹堆積后未能與上位頂板接觸形成良好支承結構，導致上位巖層在自重及覆巖載荷的作用下逐漸下沉。在采空區上位頂板下沉期間，首先會導致巷道短臂結構回轉下沉，并且會導致懸臂巖梁與上部巖層之間出現明顯的離層，均會增大沿空巷道圍巖控制難度。在此方案條件下，留巷頂板下沉量較大，最大可達725 mm，采空區頂板與下位垮落堆積巖層之間的離層可達2315 mm，沿空巷道圍巖穩定性較差，變形量較大。2）當切頂高度為7.0 m 時，采空區內垮落巖層的厚度更大，在碎脹效應下垮落堆積的巖層與上部基本頂間的空隙很小，這表明切頂高度增大后有利于采空區空間的充填。上位基本頂巖層僅需輕微的下沉即可接觸下部堆積巖石，堆積巖石壓實后重新對上位巖層起到支承作用，快速形成新的穩定平衡結構。在此方案條件下，沿空巷道頂板巖層的下沉量整體較小，最大約為214 mm，與切頂高度為5.5 m 條件下相比減小70%，沿空巷道圍巖穩定性顯著提高，巷道圍巖控制難度較小。3）當切頂高度為8.5 m 時，切落的巖層在碎脹效應下基本能充填采空區，可消除與上位基本頂間的離層。但是沿空巷道頂板形成的切頂短臂厚度較大，其自身的重量加大，在自重作用下回轉下沉運動會更強烈，因此可能引起沿空巷道頂板更大的下沉，因此相較于切頂高度7.0 m條件下，對于沿空巷道穩定性的提升效果非常微弱，并且會增加施工成本和難度。綜上所述，切頂高度為7.0 m 是最合理的選擇。

2.2 切頂角度對礦壓顯現影響

為提高采空區垮落堆積碎石對沿空巷道切頂懸臂的支承效果[5-7]，切縫通常會向采空區偏斜一定角度。為確定最佳的偏斜角度，借助數值軟件進行不同切頂角度條件下留巷圍巖垮落形態的研究分析。設計切縫向采空區偏斜角度為0°、15°、30°三種方案，模擬結果如圖2 所示。

圖2 不同切縫角度圍巖結構形態及變形規律

根據圖2 模擬分析結果，可得出以下結論：采用豎直切縫時，巷道頂板下沉量為745 mm，頂板下沉變形較嚴重，說明該切縫角度對巷道圍巖的穩定性不利。當切縫線偏向采空區方向15°，頂板最大變形僅為214 mm，巷道頂板變形量明顯減小，說明碎脹矸石不僅能夠對上位基本頂起到一定支承作用，而且對沿空巷道上部的短臂巖梁結構起到一定的斜撐作用，大大提高了沿空巷道的穩定性。繼續增大偏斜角度至30°，頂板下沉量非但沒有繼續減小反而增大，最大變形可達到531 mm。這表明，切縫角度過大時，沿空巷道頂板的短臂巖梁結構體積和重量會增大，其下沉趨勢和下沉量會更大，致使沿空巷道頂板下沉量也更大，不利于巷道頂板的穩定。因此，切頂角度設計為15°最合理。

3 恒阻大變形錨索支護分析

傳統的錨索支護方法只能承受圍巖的一次變形，并且需在較小范圍內。但是，當工作面采用無煤柱切頂卸壓開采技術時，巷道支護結構至少需要承受圍巖的三次受力和變形：1）頂板進行爆破預裂切頂時產生的應力波沖擊；2）本工作面開采期間超前支承壓力及采動的影響；3）下個工作面回采期間超前支承壓力及采動的影響。為解決這個問題，何滿潮院士團隊設計了一種新型錨索—NPR 恒阻錨索[8-11]。這種錨索不僅支撐阻力大、結構變形允許量大，并且能夠持續提供相對穩定的支撐阻力，可適應圍巖的緩慢大變形及多次變形，吸收巖體的變形能量，減少頂板垮塌等安全隱患。因此，在巷道支護設計中，為適應頂板巖層反復變形的要求，采用恒阻大變形錨索。5106 輔運順槽圍巖變形的關鍵部位為切縫側，在靠近切割縫一側安裝恒阻大變形錨索，垂直于頂板方向設置，共補強布設2 列恒阻錨索和1 列普通錨索。恒阻錨索直徑取為21.8 mm，恒阻器長 450 mm，直徑79 mm，恒阻值為（33±2） t。靠近實體煤幫側補強普通錨索，由于該位置錨索距切縫側較遠，第三列普通錨索排距4000 mm，長度8300 mm。頂板補強錨索支護如圖3 所示。W 鋼帶長2600 mm，寬250 mm，第一列切縫側錨索的槽鋼擴3 個孔，托盤規格 300 mm×300 mm×20 mm，中間擴孔直徑（100±1 ）mm。

圖3 恒阻錨索補強支護示意圖（mm）

4 無煤柱自成巷碎石幫控制及封堵技術

根據切頂卸壓自動成巷方案，在工作面端頭架移架后，切縫線外的頂板（采空區）隨即垮落，需要及時掛網、擋矸支護。在機頭架后位置，作業人員不能進入空頂作業。因此，在留巷側端頭架尾梁后部軟連接擋矸鋼板，起到對頂板落矸的阻擋和抗沖擊作用，給工作人員留出空間進行掛網、擋矸支護施工。沿空巷道圍巖壓力隨著其埋深的增大而逐漸增大，擋矸支護的難度也逐漸增加，支護體的變形往往不能與留巷圍巖在剛度和強度上達到耦合狀態，導致支護體發生彎曲變形，無法保障沿空巷道圍巖的穩定。參考某礦山最初采用工字鋼梁進行擋矸支護的情況，在實際使用過程中發現，工字鋼梁對頂板變形的適應能力較差，經常造成彎曲變形，支護效果較差。何滿潮院士提出了“可伸縮U 型鋼”切頂自動成巷留巷采空區側擋矸支護技術[5-7]，該技術通過自身的收縮來適應圍巖的變形，避免了頂板垂直壓力引起的支護結構彎曲變形，提供了足夠的頂板支承能力，形成了形態良好的采空區側巷幫。U 型鋼是冷彎型鋼，具有較高的支撐強度和經濟性，整體抗彎能力強，抗阻礙能力強。兩個U 型鋼夾緊在一起，具有拉伸和壓縮的力學性能，能適應留巷初期的大變形，充分發揮圍巖的自支撐能力。29U型鋼棚埋入底板以下不少于 300 mm，插入頂板不少于150 mm。

為了減少采空區漏風，碎石幫穩定后需對其進行封堵。除采用表面噴漿技術外，高分子密封材料也被廣泛應用于采空區封堵。KA-GK 系列煤礦用快速密封噴涂材料是一種雙組分、多用途、汽膠基復合材料，其技術指標符合當前煤礦安全要求，操作簡便，降低成本，采用阻燃、無毒、無味的無機復合材料配制而成，使用過程中不釋放甲醛等有毒氣體。它不使用酸作為催化劑，不被強酸腐蝕，反應時間短、速度快，膨脹系數高達10～30 倍。該反應物附著力好，固化后具有良好的氣密性、韌性、彈性，不開裂、不剝落、不粉化，能承受一定的地質變化，能有效防水、防潮、防止氣體泄漏。

5 應用效果綜合分析

根據圖4 所示的圍巖變形曲線可以看出：沿空巷道采空側頂底板移近量最大為54.1 mm，實體煤幫側33.6 mm，圍巖變形量較小，留巷圍巖穩定性良好。根據分析，留巷的測點基本穩定在滯后工作面200～250 m 左右，切縫側與煤柱側頂底板移近量趨于穩定，保留巷道完全滿足安全和使用要求。回收煤柱產生效益：每采1 m 煤多回收：1.8 m（煤柱煤厚）×20 m（煤柱寬度）×1.27 t/m3（煤炭密度）=45.72 t。按煤炭售價 655 元/t 計算，則工作面每回采1 m 煤柱可多獲得效益為：45.72 t×655 元/t=29 946.6 元。8106 工作面實施110 工法后，可多回收煤柱資源約 4.25 萬t（煤柱長930 m），回收煤柱產生的經濟效益達2781 萬元。

圖4 巷道頂底板移近量監測結果

6 結論

以挖金灣礦8106 工作面為背景，借助理論分析、數值模擬及現場監測等多種手段，進行厚層砂巖頂板條件下無煤柱自成巷關鍵技術研究，利用UDEC軟件模擬研究不同切頂參數條件下沿空巷道圍巖垮落和變形規律，確定合理的切頂深度為7.0 m、角度為15°（向采空區側偏斜），結合沿空巷道原有支護方式的基礎上設計恒阻大變形錨索補強支護方案，并設計采空區側擋矸支護及封堵措施。應用階段進行礦壓監測，本次研究確定方案保證了留巷圍巖穩定，取得理想的圍巖控制效果，可以實現無煤柱開采，可多回收煤柱資源約4.25 萬t，取得了良好的經濟效益，可為相似條件下無煤柱開采技術的應用提供參考。