王從才 胡鑫印 孫秋榮 張曉琴

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇省蘇州市，215337；3.徐州寶豐特鋼有限責(zé)任公司，江蘇省徐州市，221137)

當(dāng)前，我國煤炭資源開采利用形式日趨嚴(yán)峻，礦井生產(chǎn)安全問題日益突出。我國東部、中部地區(qū)煤炭資源開采深度逐漸增加，西部及西北部煤炭資源埋藏淺、基巖薄、儲量豐富，已逐漸成為開采的重點(diǎn)區(qū)域[1-2]。但是，由于西部地區(qū)地形地貌的多樣化和煤礦頂板巖性的復(fù)雜性，造成遺煤量大、巷道圍巖控制較差等問題。針對復(fù)雜頂板條件下以減少遺留煤柱、加強(qiáng)巷道控制為目的的切頂卸壓控制技術(shù)已成為值得探究的關(guān)鍵科學(xué)問題[3-4]。針對巷道切頂卸壓控制技術(shù)，研究學(xué)者開展了卓有成效的探索。何滿潮院士等[5-6]提出的無煤柱技術(shù)目前已在多個礦區(qū)成功應(yīng)用；宋立兵等[7]在神東礦區(qū)3 m以下綜采面應(yīng)用切頂卸壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了采煤面安全回采；顧有富等[8]針對采煤面垮落力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合支護(hù)及切頂機(jī)理，減小了巷內(nèi)及巷旁支護(hù)的阻力，提高了巷道穩(wěn)定性。筆者擬以西部南梁礦典型復(fù)合頂板回風(fēng)巷為背景，研究切頂卸壓條件下巷道圍巖的控制技術(shù)，以期為相似條件的礦井巷道控制提供參考。

1 工程背景

西部礦區(qū)南梁礦30104采煤面煤層埋藏淺、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層上方頂板存在多層軟弱夾層構(gòu)成復(fù)合頂板狀態(tài)。采煤面回風(fēng)巷用作下一采煤面的運(yùn)輸巷，巷道圍巖控制要求嚴(yán)格。30104回風(fēng)巷頂板上方包含0.2 m的偽頂，直接頂為1.0～5.0 m的頁巖、泥巖和細(xì)砂巖，水平層理發(fā)育，硬度中等偏下。礦井針對沿空掘巷、傳統(tǒng)沿空留巷和切頂卸壓沿空留巷3種技術(shù)方案進(jìn)行對比分析，沿空掘巷需要新掘巷道，經(jīng)濟(jì)成本高，不利于采煤面連續(xù)開采；傳統(tǒng)沿空留巷需要采用加強(qiáng)巷內(nèi)支護(hù)措施，但采空區(qū)及預(yù)留頂板結(jié)構(gòu)較危險[9,10]。因此，從經(jīng)濟(jì)可行性和開采安全性分析確定30104回風(fēng)巷采用切頂卸壓沿空留巷方式。

2 切頂卸壓成巷數(shù)值模擬分析

UDEC離散元軟件研究的物理介質(zhì)通常呈現(xiàn)不連續(xù)特征，表現(xiàn)為材料屬性的不連續(xù)、或空間構(gòu)造上的不連續(xù)。按照30104回風(fēng)巷開采實(shí)際，筆者采用UDEC建立開采數(shù)值模型，進(jìn)行不同切頂因素的影響分析，模型如圖1所示，模型長×寬為200 m×60 m，平均埋深115 m，回風(fēng)巷斷面長×寬為4.5 m×2.2 m。模型整體采用有限元數(shù)值模擬軟件內(nèi)置的 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬切頂開采圍巖應(yīng)力和位移變化，判別圍巖內(nèi)部剪切破壞和拉伸破壞，巖石性能及力學(xué)參數(shù)見表1。兩側(cè)限制水平位移，底部固定約束，上部自由界面施加1.5 MPa垂直載荷。分別對模型切頂高度和切頂角度進(jìn)行分析。

圖1 物理模型圖

表1 巖石性能及力學(xué)的參數(shù)

2.1 不同切頂高度

選取切頂高度為5.0 m、7.0 m、9.0 m進(jìn)行數(shù)值計算，切頂角度均為15°，方向偏向采空區(qū)，觀察圍巖形態(tài)和巷道變形量，計算結(jié)果如圖2所示。根據(jù)不同切頂高度的圍巖形態(tài)可知，切頂高度為5 m時，上覆巖層垮落高度低，垮落巖石量少，碎脹后巖石總體積并不能完全支撐采空區(qū)頂板，導(dǎo)致采空區(qū)上覆巖層持續(xù)下沉直至采空區(qū)完全壓實(shí)，采空區(qū)頂板下沉的增加會直接導(dǎo)致切頂巷道頂板下沉量的增加，頂板下沉量最大為580 mm。切頂高度為7 m時，上覆巖層垮落高度增加，采空區(qū)的填充度明顯增加，垮落矸石與上部基本頂巖層的未充空間明顯減少，巖石碎脹對切頂短臂結(jié)構(gòu)起到斜向支護(hù)作用，彎曲下沉量最大為220 mm。切頂高度為9 m時，雖然切頂高度的增加使得采空區(qū)充填密實(shí)，減小了巷道頂板向采空區(qū)方向的回轉(zhuǎn)下沉，但同樣增加了巷道頂板短臂梁自身的重量，短臂梁重量的過度增加同樣會導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大變形，此時頂板下沉量最大為300 mm。因此，綜合分析可知，切頂高度為7 m的方案對于巷道圍巖穩(wěn)定性保持較好，頂板下沉量最大為220 mm，相較于5 m和9 m切頂高度頂板下沉量大大降低，從而更好地保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 不同切頂高度圍巖形態(tài)

2.2 不同切頂角度

選取切頂角度為0°、15°、30°進(jìn)行數(shù)值計算，切頂高度均為7 m，圍巖形態(tài)及變形量如圖3所示。當(dāng)切頂角度為0°時，切縫線垂直于巷道頂板，巷道頂板的變形量是最大的，頂板最大下沉量可以達(dá)到1100 mm，原因在于切頂短臂梁結(jié)構(gòu)會受到采空區(qū)上部巖層很大的垂直作用力；當(dāng)切頂角度為15°時，采空區(qū)內(nèi)矸石充分碎脹對留巷頂板有支撐作用，導(dǎo)致巷道頂板變形較小，頂板最大下沉量為220 mm；當(dāng)切頂角度為30°時，留巷頂板變形有明顯增大，頂板最大下沉量達(dá)到510 mm，說明切頂角度也不是越大越好。隨著切頂角度的增大，切頂巷道短臂結(jié)構(gòu)的長度和重量與切頂角度呈現(xiàn)正相關(guān)，角度過大同樣會導(dǎo)致短臂結(jié)構(gòu)過重從而致使巷道出現(xiàn)大變形，不利于整體巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。因此從保證圍巖穩(wěn)定性方面來說，切頂角度15°是合理的。

圖3 不同切頂角度圍巖形態(tài)

3 切頂成巷支護(hù)技術(shù)研究

根據(jù)礦井原有支護(hù)材料和支護(hù)方式，結(jié)合切頂巷道圍巖受力狀態(tài)，初步確定的回風(fēng)巷支護(hù)方式如圖4所示：錨桿參數(shù)為直徑20 mm，長度2400 mm，間排距900 mm×900 mm，每根錨桿使用3卷型號K2335的樹脂藥卷，錨固力不低于50 kN。錨索參數(shù)為直徑21.8 mm，長度 8.0 m，間排距2000 mm×2400 mm，每根錨索使用3卷K2850型樹脂藥卷，預(yù)應(yīng)力不小于120 kN，走向布置W型鋼帶作為支撐，尺寸為5400 mm×245 mm。恒阻錨索可以作為補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，參數(shù)為直徑21.8 mm，長度8.0 m，預(yù)應(yīng)力不小于150 kN，恒阻值為35 t，恒阻器尺寸65 mm×500 mm，排距1800 mm。恒阻錨索處添加W型鋼帶作為支撐，尺寸為5400 mm×245 mm。為進(jìn)一步確定支護(hù)參數(shù)的效果，根據(jù)數(shù)值模擬的切頂角度和切頂高度，建立了支護(hù)方案數(shù)值模型，探究優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)的合理性，模型結(jié)果如圖5所示。從模擬分析結(jié)果可知，應(yīng)力集中出現(xiàn)在巷道煤壁幫，巷道切縫發(fā)育良好，阻斷了上覆頂板垮落對巷道的影響，巷道頂板下沉量為230 mm，可以實(shí)現(xiàn)成功留巷。

圖4 回風(fēng)巷支護(hù)方式圖

圖5 支護(hù)方式模擬結(jié)果

4 現(xiàn)場工程實(shí)測

在30104回風(fēng)巷成型期間，對優(yōu)化后的巷道支護(hù)方式圍巖控制效果進(jìn)行監(jiān)測分析，一方面監(jiān)測巷道圍巖表面變形情況，另一方面監(jiān)測支護(hù)采用的恒阻錨索的受力情況。監(jiān)測結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

根據(jù)巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果可知，工作面推進(jìn)以后巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平恳恢痹黾?，到滯后工作?00 m時，增加速度降低，當(dāng)滯后工作面140 m以后巷道變形趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)装逦灰屏烤S持在210 mm，巷幫位移維持在180 mm，說明前述支護(hù)技術(shù)措施可以有效地控制巷道的變形。根據(jù)恒阻錨索受力監(jiān)測可知，工作面滯后區(qū)恒阻錨索壓力明顯升高主要有2個區(qū)域，一是滯后采煤面30～50 m，二是滯后采煤面80～100 m左右。頂板變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滯后工作面約140 m頂板下降趨緩穩(wěn)定，錨索受力基本均達(dá)到恒阻值350 kN，現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證了錨索恒壓讓位支護(hù)的有效性。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測

圖7 恒阻錨索受力監(jiān)測

5 結(jié)論

(1)根據(jù)30104回風(fēng)巷復(fù)合頂板巷道的實(shí)際條件，確定采用切頂卸壓沿空成巷，通過不同切頂參數(shù)的數(shù)值模擬，確定最優(yōu)切頂高度為7 m，最優(yōu)切頂角度為15°。

(2)基于切頂參數(shù)模擬結(jié)果，在兼具經(jīng)濟(jì)可行性和施工安全性的基礎(chǔ)上，確定巷道支護(hù)方式為“錨桿索+恒阻錨索”支護(hù)形式，數(shù)值模擬顯示采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)后，巷道圍巖控制效果良好。

(3)經(jīng)過現(xiàn)場工程實(shí)踐可知，30104回風(fēng)巷頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在210 mm，巷幫位移穩(wěn)定在180 mm，恒阻錨索受力維持在35 kN，表明切頂卸壓沿空成巷方式能夠起到很好的控制作用。