億欣煤礦沿空切頂留巷圍巖變形特征及控制技術(shù)

王 輝 孔惠會(huì)

（1.晉城金成礦山建筑工程有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 048000；2.陜西神東天隆礦建工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

煤炭是目前我國(guó)能源供給體系中的主要能源，而煤炭資源的高效安全生產(chǎn)決定了我國(guó)能源穩(wěn)定與能源戰(zhàn)略的落實(shí)[1]。因此，采用新方法與新技術(shù)保障我國(guó)煤炭資源的高效供給是我國(guó)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

我國(guó)主要使用的采煤方法為長(zhǎng)壁采煤法，其中煤柱的留設(shè)方式直接決定了礦山壓力的顯現(xiàn)狀態(tài)與資源回收率。采用“大煤柱”留設(shè)方案時(shí)，礦山壓力的顯現(xiàn)程度較低，但煤炭回收率會(huì)大大下降[2-3]。采用“小煤柱”留設(shè)方案時(shí)，礦山壓力的顯現(xiàn)程度較高，但可以提高煤炭的回收率[4-6]。以上兩種方法均具備了完善的理論與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步改善采場(chǎng)的礦壓分布狀態(tài)并提升煤炭的回收率，何滿潮團(tuán)隊(duì)提出了無煤柱自成巷方法。無煤柱自成巷是通過預(yù)裂爆破技術(shù)將頂板進(jìn)行切落，利用切落頂板代替巷旁充填體的采煤護(hù)巷技術(shù)[7-10]，也稱為110工法，表示1 個(gè)回采工作面，僅需1 條巷道，煤柱個(gè)數(shù)為0。此外，還可以進(jìn)一步衍生為N00 工法，即N 個(gè)回采工作面，0 巷道掘進(jìn)，0 煤柱留設(shè)。此種新方法充分利用了頂板垮落充填的優(yōu)勢(shì)，利用碎脹矸石自動(dòng)形成巷幫，避免了煤柱的留設(shè)與圍巖應(yīng)力集中問題[11-14]。

眾多學(xué)者對(duì)無煤柱自成巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、工藝施工方式、覆巖運(yùn)移特性、圍巖變形特征進(jìn)行了研究，為實(shí)際應(yīng)用提供了大量的理論基礎(chǔ)[15-18]。為優(yōu)化億欣煤礦回采工作面的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度與煤炭回收率，擬采用礦井15 號(hào)煤層的XV1306 工作面結(jié)合運(yùn)用數(shù)值模擬方法與工程實(shí)測(cè)方法進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 工程地質(zhì)概況

沿空切頂留巷試驗(yàn)工作面位于山西省億欣煤礦，位于山西省沁水縣，年產(chǎn)量為300 萬t，主采煤層為2 號(hào)煤層與15 號(hào)煤層。煤層具有自燃傾向性，無煤塵爆炸危險(xiǎn)性。試驗(yàn)工作面為15 號(hào)煤層的XV1306 工作面，上覆巖層厚度為182～356 m。煤層走向長(zhǎng)度為200 m，煤層厚度為3 m，平均傾角為3°，留巷長(zhǎng)度為461 m，留巷尺寸為5.2 m×2.6 m。在實(shí)施切頂留巷技術(shù)前采用“錨索+錨桿+塑料網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方式。試驗(yàn)工作面上方為K2 灰?guī)r基本頂，厚度8.9 m，基本頂上方為1.7 m 的砂質(zhì)泥巖與0.4 m的14號(hào)煤層，工作面的直接底為1.8 m的泥巖。為探究?jī)|欣煤礦試驗(yàn)工作面對(duì)于無煤柱自成巷（“沿空留巷”的一種特殊形式）切頂技術(shù)的適用性，采用數(shù)值模擬方法與工程實(shí)測(cè)方法對(duì)圍巖變形特征與支護(hù)控制技術(shù)進(jìn)行具體分析，以期為沿空切頂留巷技術(shù)提供工程技術(shù)指導(dǎo)。

2 無煤柱自成巷數(shù)值模擬分析

為探究傳統(tǒng)回采條件下的未切頂采場(chǎng)開挖圍巖變形與采用無煤柱自成巷技術(shù)的切頂采場(chǎng)開挖圍巖變形的差異性特征，以億欣煤礦XV1306 工作面為例，使用Rocscience-phase2 有限元數(shù)值模擬軟件，建立采場(chǎng)開挖圍巖變形數(shù)值模擬模型，如圖1 所示。固定模型的左右邊界與底部邊界，對(duì)模型施加重力，并進(jìn)行工作面的開挖，模擬兩種不同開采方法下的采場(chǎng)應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布情況。數(shù)值模擬的巖性參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)表

圖1 采場(chǎng)開挖圍巖變形數(shù)值模擬模型

根據(jù)數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)未切頂開挖采場(chǎng)與切頂開挖采場(chǎng)的數(shù)值模擬云圖進(jìn)行分析。根據(jù)圖2（a）與圖2（b）所示，未切頂開挖采場(chǎng)的覆巖應(yīng)力表現(xiàn)出了對(duì)稱分布特征，在采空區(qū)的上方出現(xiàn)了典型的拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布形式，而巷道作為應(yīng)力拱的底部支撐腳，承受了極大的支承壓力，因此，應(yīng)力的集中程度非常明顯，此時(shí)巷道圍巖的穩(wěn)定性控制受覆巖運(yùn)移的影響較大。當(dāng)覆巖發(fā)生擾動(dòng)二次破斷，巷道圍巖將會(huì)產(chǎn)生大量的變形。切頂開挖采場(chǎng)的覆巖應(yīng)力由于切頂阻斷了應(yīng)力的連續(xù)傳遞性，在應(yīng)力場(chǎng)分布上表現(xiàn)出非對(duì)稱的特征，應(yīng)力拱的底部拱腳由留巷位置向采空區(qū)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，由此減輕了巷道圍巖所承受的支承壓力。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)部覆巖發(fā)生破斷與運(yùn)移對(duì)留巷段的影響較小，采空區(qū)下方的應(yīng)力影響范圍相較于未切頂開挖采場(chǎng)也明顯縮減。

圖2 未切頂開挖采場(chǎng)與切頂開挖采場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖2（c）與圖2（d）所示的覆巖位移矢量分布圖可知，未切頂開挖采場(chǎng)區(qū)域的位移移動(dòng)量與影響范圍極大，在煤層傾向上的影響范圍約為采空區(qū)長(zhǎng)度的1.5～1.8倍，由四周向采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生沉陷。切頂開挖采場(chǎng)的覆巖移動(dòng)主要影響區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)正上方的巖層，留巷段左側(cè)圍巖的位移矢量極小，在此條件下，巷道的圍巖變形特征將會(huì)得到有效的控制。

根據(jù)圖2（e）與圖2（f）所示，未切頂開挖采場(chǎng)的塑性損傷區(qū)主要由巷道位置向采空區(qū)內(nèi)部的覆巖方向發(fā)展，這與應(yīng)力拱的卸壓效果相同。采空區(qū)上方的地表下沉量較大，在沉陷處的低洼地區(qū)塑性損傷發(fā)育程度較高，將會(huì)對(duì)地表建筑設(shè)施、保護(hù)性設(shè)施以及地表水源產(chǎn)生危害性。相應(yīng)的，切頂開挖采場(chǎng)的采空區(qū)覆巖空間內(nèi)的塑性區(qū)發(fā)育形式較為相似，但發(fā)育程度較低，而地表區(qū)域的塑性區(qū)分布形式有明顯不同，受切頂作用的效果，地表下沉區(qū)的兩側(cè)出現(xiàn)塑性損傷區(qū)，沉陷處的低洼地區(qū)塑性損傷發(fā)育程度較低，更加有利于對(duì)地表構(gòu)筑物、建筑物以及水源的保護(hù)。

3 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)億欣煤礦頂板的巖性參數(shù)特征，設(shè)計(jì)應(yīng)用預(yù)裂爆破切縫參數(shù)與恒阻大變形錨索。預(yù)裂爆破分為兩級(jí)，第一級(jí)預(yù)裂爆破主要用于切落巷道側(cè)方頂板，根據(jù)煤層上方K2 灰?guī)r的厚度為8.9 m，設(shè)計(jì)恒阻大變形錨索的長(zhǎng)度為12.3 m，切頂高度為10 m，預(yù)裂爆破角度控制在75°。在部分石灰?guī)r頂板厚度較大的區(qū)域調(diào)整恒阻大變形錨索的高度為15.3 m，相應(yīng)的切頂高度為12 m，預(yù)裂爆破鉆孔角度控制在75°，施工效果如圖3 的（B-B）剖面所示。對(duì)于億欣煤礦頂板覆巖的堅(jiān)硬頂板，為加強(qiáng)采場(chǎng)的卸壓效果，對(duì)采空區(qū)，即液壓支架的上方實(shí)施二級(jí)預(yù)裂爆破，鉆孔的布置深度為3 m，鉆孔角度為85°±5°。切頂聚能預(yù)裂爆破的參數(shù)見表2。

表2 切頂預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 聚能預(yù)裂爆破施工設(shè)計(jì)圖（mm）

恒阻大變形錨索共施工三列，其中預(yù)裂爆破鉆孔側(cè)的錨索為第一列，距離幫部0.6 m，排距為1 m；巷道中間位置的錨索距離第一列的錨索1 m，排距為2 m，此為第二列錨索；第三列錨索靠近煤壁側(cè)，距離第二列錨索1.7 m，排距為2 m。施工方式均垂直于頂板，并配套厚層平托盤與鋼帶聯(lián)合支護(hù)。

4 巷道支護(hù)與擋矸支護(hù)

無煤柱自成巷切頂開采技術(shù)實(shí)施過程中，巷道支承壓力的時(shí)空分布在煤層走向上有顯著的差異性。工作面超前段受到較強(qiáng)的超前采動(dòng)應(yīng)力作用，在工作面擾動(dòng)應(yīng)力的作用下，采空區(qū)的頂板垮落與圍巖變形較為劇烈，因此，需要采取臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)措施以保證巷道圍巖變形量在可控范圍之內(nèi)。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離之后，巷道處于覆巖的卸壓區(qū)后再將臨時(shí)支護(hù)拆除。根據(jù)億欣煤礦的礦壓監(jiān)測(cè)規(guī)律，巷道支護(hù)可以分為三種。第一種：超前工作面的臨時(shí)支護(hù)區(qū)，一般為超前工作面30 m；第二種：工作面后頂板活動(dòng)區(qū)，一般為工作面后方200 m 以內(nèi)；第三種：工作面后頂板穩(wěn)定區(qū)，一般為工作面后方200 m 以外。

對(duì)于超前工作面30 m 范圍內(nèi)的巷道受到超前支承壓力的影響，采用單體液壓支柱進(jìn)行支護(hù)。液壓支柱共設(shè)計(jì)兩排，排距為1 m。在必要時(shí)可采用木垛配合支護(hù)。

工作面后方200 m 范圍內(nèi)，頂板的變形規(guī)律較為復(fù)雜，經(jīng)歷彎曲下沉、極限破斷、矸石壓實(shí)等過程，因此，對(duì)于巷道的支護(hù)要求更高，一般采用，“一梁四柱”的單體支柱配合U 型鋼以及擋矸聯(lián)合支護(hù)。

工作面后方200 m 范圍內(nèi)，矸石被完全壓實(shí)，采空區(qū)頂板已經(jīng)完全垮落并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此巷道內(nèi)無需臨時(shí)支護(hù)設(shè)施即可對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效管理。

根據(jù)億欣煤礦XV1306 工作面的現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，成功對(duì)15 號(hào)煤層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行了切頂以及護(hù)巷處理。為檢驗(yàn)巷道的切頂留巷穩(wěn)定性，對(duì)巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量與頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。布置位移計(jì)5 個(gè)，離層儀2 個(gè)，繪制位移隨工作面推進(jìn)距離的演化曲線如圖4 所示。頂?shù)装逡七M(jìn)量在工作面后方12 m發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，在50 m 之后運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)，切頂留巷的頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為324 mm，平均下沉量為245 mm。根據(jù)離層曲線，在工作面推進(jìn)80 m 后達(dá)到穩(wěn)定階段。

圖4 巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)語

1）切頂開挖采場(chǎng)的覆巖應(yīng)力由于切頂阻斷了應(yīng)力的連續(xù)傳遞性，在應(yīng)力場(chǎng)分布上表現(xiàn)出非對(duì)稱的特征，減輕了巷道圍巖所承受的支承壓力，切頂開挖采場(chǎng)的覆巖移動(dòng)主要影響區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)正上方的巖層。地表下沉區(qū)的兩側(cè)出現(xiàn)塑性損傷區(qū)，沉陷量較低。

2）根據(jù)億欣煤礦頂板的巖性參數(shù)特征，設(shè)計(jì)應(yīng)用2 種預(yù)裂爆破切縫參數(shù)與恒阻大變形錨索，同時(shí)對(duì)采空區(qū)后方實(shí)施二級(jí)預(yù)裂爆破。根據(jù)工作面推進(jìn)位置設(shè)計(jì)3 種支護(hù)形式，包括單體液壓支柱支護(hù)、木垛支護(hù)、擋矸支護(hù)。

3）對(duì)切頂后的巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量與頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為324 mm，平均下沉量為245 mm。巷幫無明顯碎脹與片幫，驗(yàn)證了無煤柱自成巷技術(shù)取得了較好的工程實(shí)踐效果。