李小鵬，申駿超，姜彥軍，于 濤

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.鄭州煤炭工業(yè)集團(tuán) 新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451100)

沿空留巷是煤礦常用的無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)之一，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有很大的優(yōu)越性，如減少區(qū)段保護(hù)煤柱，提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進(jìn)工作量，緩解采掘接替緊張局面，改善工作面通風(fēng)條件等[1]，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。到目前為止，我國(guó)在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面進(jìn)行了大量的研究工作，在條件較好的薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及煤幫加固技術(shù)已趨成熟，但在條件困難的中厚煤層或厚煤層大斷面巷道中采用沿空留巷技術(shù)仍存在著一些技術(shù)難題[2-5]。巷旁支護(hù)是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)[6，7]，目前我國(guó)巷旁支護(hù)主要為充填體護(hù)巷。根據(jù)充填材料不同，大致分4種充填技術(shù)：高水速凝材料、膏體材料、柔模泵注和快硬混凝土[8，9]。這些充填技術(shù)具有凝固速度快、早期強(qiáng)度高、采空區(qū)密閉效果好、機(jī)械化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，使我國(guó)沿空留巷技術(shù)水平得到大幅度提高。在支護(hù)理論方面，何滿潮[10]研究了采空區(qū)側(cè)頂板預(yù)裂卸壓機(jī)制，建立了不同頂板位態(tài)下“圍巖結(jié)構(gòu)-巷旁支護(hù)體”力學(xué)模型，推導(dǎo)得出了巷旁支護(hù)阻力的計(jì)算方法。陳勇、柏建彪等[11]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析充填體寬度與留巷圍巖應(yīng)力和變形的關(guān)系，確定了合理的巷旁充填體寬度。譚云亮等[12]提出充填體需要有載荷適用性和變形適應(yīng)性，并得出了巷旁充填體強(qiáng)度公式。張東升等[13]通過(guò)沿空留巷物理和數(shù)值模擬，推導(dǎo)出充填體強(qiáng)度、縱向應(yīng)變及充填側(cè)頂板下沉量等估算公式。沿空留巷成功的前提是對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效支護(hù)，使得圍巖達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)，避免產(chǎn)生過(guò)大的變形與破壞，充填體的穩(wěn)定是沿空留巷成功的關(guān)鍵。

趙家寨煤礦12209工作面為典型的三軟厚煤層綜采工作面，由于巷道托頂煤厚度不同(1～4m)，巷道頂板松軟破碎，且直接頂厚度較小，其上部為比較堅(jiān)硬的老頂，雖然回采后直接頂隨之垮落，但因厚度不大，不能填滿采空區(qū)，老頂置于懸露狀態(tài)，當(dāng)工作面推進(jìn)一段距離后老頂才開(kāi)始垮落，此時(shí)因采空區(qū)落差較大[14]，致使工作面呈現(xiàn)周期來(lái)壓狀態(tài)，回采巷道變形特別嚴(yán)重。因此針對(duì)趙家寨煤礦12209工作面留巷困難的現(xiàn)狀，提出超前切頂、巷內(nèi)充填的留巷方案并在現(xiàn)場(chǎng)選取典型試驗(yàn)巷道進(jìn)行試驗(yàn)。

1 工程概況

趙家寨煤礦12209工作面主采山西組二1煤，煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度較低，層理不清，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層平均厚度6.5m，平均傾角4°。巷道沿底板掘進(jìn)，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.29m，基本頂為大占砂巖，平均厚度19.52m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度8.86m。工作面頂?shù)装鍘r層柱狀如圖1所示。

圖1 12209工作面地層綜合柱狀

12209工作面巷道掘進(jìn)期間采用全錨網(wǎng)支護(hù)，擴(kuò)巷后進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。原巷道為矩形斷面，寬5.4m，高3.5m，凈斷面18.9m2，擴(kuò)巷3.5m，擴(kuò)巷后凈寬8.9m，總斷面31.15m2。原巷道支護(hù)參數(shù)如下：

頂板支護(hù)使用螺紋鋼錨桿，規(guī)格?20mm×2400mm，單排7根布置，間距800mm，排距800mm；使用鋼絞線錨索，規(guī)格?17.8mm×8200mm，呈“3-2-3”布置，錨索間距1200mm，排距1600mm。幫部支護(hù)運(yùn)輸巷兩幫采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，間距800mm，排距800mm。擴(kuò)巷后采用“冷拔絲編織網(wǎng)+鋼筋焊接網(wǎng)+H型鋼帶(橫向)+頂錨索+頂W鋼帶(縱向)+錨桿”進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。斷面采用規(guī)格為?20mm×2400mm螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為幫部800mm×600mm，頂部為600mm×600mm。錨索按“3-2-3”布置，錨索為?17.8mm×8200mm鋼絞線錨索，排距600mm。擴(kuò)巷后支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 回采巷道支護(hù)斷面(mm)

擴(kuò)巷后在巷道工作面?zhèn)冗M(jìn)行超前爆破切頂，爆破使用煤礦3級(jí)許用水膠炸藥，采用雙抗D型聚能管作為炸藥的載體，為保證定向切頂，在裝藥時(shí)使各爆破孔聚能管兩側(cè)凹槽連線始終與巷道走向平行。在進(jìn)行切頂時(shí)，切頂角度越大，切頂效果越好，但由于頂板巖層較軟，巷道跨度較大，為避免切頂后巷道頂板發(fā)生垮塌，所以需要保留一定的角度進(jìn)行切頂，使得切頂后煤壁側(cè)實(shí)體煤對(duì)頂板施加一個(gè)側(cè)向的支撐力，避免巷道頂板發(fā)生垮塌。另外考慮到趙家寨礦頂板鉆孔施工問(wèn)題，垂直頂板進(jìn)行鉆孔施工難度較大，將鉆孔向工作面?zhèn)葍A斜一定角度，以保證鉆孔施工順利。綜合考慮后確定切頂角度為垂直巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。

根據(jù)以往爆破經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)條件，確定切頂高度為工作面基本頂2/3的界面高度時(shí)，切頂部分直接垮落，剩余基本頂在自重及上覆巖層載荷的影響下完全垮落。根據(jù)圖1中巖層分布可知，工作面基本頂界面高度為25.3m，因此，爆破孔深度為：

式中，Hf為切頂高度，取18.8m；α為爆破孔沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)角度，取10°；β為爆破孔與工作面運(yùn)輸巷走向方向所成夾角，取90°。

計(jì)算可得爆破孔深度H為19.2m。考慮到巖層厚度的變化以及保證厚硬頂板在礦山壓力作用下順利垮落，現(xiàn)場(chǎng)爆破孔采用20m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，爆破孔深20m時(shí)基本頂完全垮落，垮落后的頂板能夠有效支撐上覆巖層。

綜合考慮，確定爆破孔深20m，孔徑為50mm，傾角為沿巷道走向方向偏工作面回采側(cè)10°。切頂結(jié)束后工作面開(kāi)始回采，并在工作面后方巷道內(nèi)，以泵送C30型號(hào)混凝土作為充填材料，模箱澆筑方式構(gòu)筑巷旁充填墻體。切頂及巷內(nèi)充填體留設(shè)位置如圖3所示。

圖3 切頂及巷內(nèi)充填方案

2 不同條件下的充填墻力學(xué)特征及尺寸優(yōu)化

充填墻在支護(hù)受力過(guò)程中，主要以受壓為主，墻體破壞也多為受壓破壞，因此對(duì)充填墻受壓強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)[15]。

2.1 未超前切頂時(shí)充填墻力學(xué)特征分析

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)的直接頂在巖體的自重影響以及充填墻體的切頂阻力作用下，直接頂沿充填墻體破斷、垮(冒)落。而采空區(qū)的基本頂由于巖層較厚且?guī)r性較硬，當(dāng)基本頂折斷垮落后會(huì)在巷道上方形成倒臺(tái)階鉸接梁[16]。充填體受力模型如圖4所示。

圖4 未超前切頂充填體后期受力模型

充填墻受力按照式(2)[17]計(jì)算：

(2)

式中，h5、h3、h4分別為頂煤、直接頂、基本頂?shù)暮穸?，m；γ2、γ3、γ4分別為煤體、直接頂、基本頂單位長(zhǎng)度的自重，kN/m3；L1為老頂超前斷裂步距，m；L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長(zhǎng)度，m；L3為關(guān)鍵塊體長(zhǎng)度，m。

關(guān)鍵塊體長(zhǎng)度按式(3)[18]計(jì)算；

式中，l為基本頂來(lái)壓步距，m；Lm為工作面長(zhǎng)度，m。

qn為上覆巖層載荷，按照式(4)[19]計(jì)算；

式中，x0為應(yīng)力極限平衡區(qū)的寬度，按照式(5)[20]計(jì)算(或通過(guò)礦井生產(chǎn)探測(cè)鉆孔確定)：

式中，λ為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層與頂?shù)装褰唤缑娴膬?nèi)摩擦角，(°)；k為實(shí)煤體幫側(cè)向支承應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；c0為煤層與頂?shù)装宓酿ぞ哿?，MPa；Px為煤幫支護(hù)阻力，MPa。

σy為應(yīng)力極限平衡區(qū)的支承應(yīng)力，按照式(6)[21]計(jì)算；

式中，h2為煤層厚度，m。

在充填墻留設(shè)期間，為保證充填墻不發(fā)生破壞性變形，充填墻的受力σ2應(yīng)小于充填墻強(qiáng)度σc，即σ2≤σc[22]。所以未超前切頂時(shí)巷旁充填墻寬度a1應(yīng)滿足式(7)：

(7)

2.2 超前切頂時(shí)充填墻力學(xué)特征分析

巷道在完成擴(kuò)巷并進(jìn)行爆破切頂后留設(shè)充填墻，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)上方的基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，由于基本頂在采空區(qū)懸露長(zhǎng)度較短，產(chǎn)生彎矩較小，基本頂在實(shí)體煤側(cè)基本不發(fā)生回轉(zhuǎn)。充填墻與煤壁共同承擔(dān)頂板和基本頂上覆巖層的重量。充填墻受力模型如圖5所示。

圖5 超前切頂充填墻后期受力模型

此時(shí)充填墻受力按照式(8)計(jì)算：

(8)

式中，L3為基本頂從切頂線到應(yīng)力極限平衡區(qū)投影長(zhǎng)度，m；L2為關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長(zhǎng)度，m。

關(guān)鍵塊體采空區(qū)懸露長(zhǎng)度按照式(9)計(jì)算：

超前切頂時(shí)巷旁充填墻寬度a2應(yīng)滿足式(10)：

(10)

計(jì)算巷內(nèi)充填墻寬度范圍的參數(shù)如下：λ=1.25，Lm=195m，l=21m，m=3.1m，c0=0.5MPa，k=1.5，φ0=35°，Px=0.1kN/m，H=300m，γ2=19.7kN/m3，γ3=22.5kN/m3，γ4=25kN/m3，h1=8.8m，h2=6.5m，h3=2.3m，h4=19.5m。不切頂時(shí)L1=15m，L2=10m，L3=25.0m；切頂時(shí)L1=15m，L2=2.83m，L3=17.83m；經(jīng)過(guò)計(jì)算，上覆巖層載荷qn=3.13MN/m；根據(jù)地質(zhì)資料顯示，在工作面推進(jìn)10d左右出現(xiàn)初次來(lái)壓，巷旁充填體10d左右應(yīng)達(dá)到切頂阻力，由試驗(yàn)可知充填體10d的強(qiáng)度可以達(dá)到27.5MPa。

將以上數(shù)據(jù)代入公式，由式(7)和式(10)可得未超前切頂與切頂時(shí)的最小充填墻留設(shè)寬度(a1，a2)為(3.5，2.2m)。由理論計(jì)算結(jié)果可知，超前切頂與不切頂相比，巷道巷道穩(wěn)定時(shí)所需留設(shè)充填墻寬度明顯減小。

3 沿空巷道超前切頂充填墻尺寸優(yōu)化數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

以趙家寨煤礦12209工作面回風(fēng)巷實(shí)際地質(zhì)條件為依據(jù)，建立數(shù)值模型，數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=450m×50m×50m。數(shù)值模型兩側(cè)、底部和前后界面進(jìn)行位移和應(yīng)力邊界約束，12209工作面平均埋深300m，在模型頂部施加初始垂直載荷σz=7.5MPa，在兩側(cè)施加初始水平載荷σx=σy=9.375MPa，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)準(zhǔn)則。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不切頂與切頂時(shí)的沿空巷道進(jìn)行對(duì)比，并確定合理的充填墻留設(shè)寬度。模型各分層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 切頂卸壓與不切頂卸壓對(duì)比分析

對(duì)切頂卸壓與不切頂卸壓兩種情況進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比，應(yīng)力云圖與位移分布如圖6、圖7所示。

圖6 切頂與不切頂應(yīng)力對(duì)比

圖7 切頂與不切頂位移對(duì)比

由圖6、圖7可知，超前切頂時(shí)，巷道煤壁側(cè)集中應(yīng)力為13.0MPa，切頂時(shí)巷道頂板最大下沉量約為0.35m；不超前切頂時(shí)，巷道煤壁側(cè)集中應(yīng)力為22.6MPa，巷道頂板最大下沉量約為0.80m。二者相比，超前切頂時(shí)，回采巷道煤壁側(cè)集中應(yīng)力與巷道上方基本頂所受應(yīng)力明顯減小，頂板最大下沉量明顯減小。超前切頂能夠切斷采空區(qū)與回采巷道頂板的應(yīng)力傳遞，有效降低回采巷道所受應(yīng)力，減少巷道圍巖變形。

由理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，對(duì)回采巷道進(jìn)行切頂，可以有效改善回采巷道圍巖應(yīng)力分布，降低充填體所受載荷。對(duì)切頂后的回采巷道進(jìn)行模擬計(jì)算，確定合理的充填體留設(shè)寬度。

3.3 切頂卸壓條件下充填墻留設(shè)模擬結(jié)果分析

3.3.1 回采巷道及充填墻垂直應(yīng)力分析

切頂時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，基本頂沿切頂線發(fā)生破斷垮落，充填墻及實(shí)體煤壁共同支撐回采巷道頂板。不同寬度充填墻時(shí)回采巷道垂直應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 不同寬度充填墻時(shí)垂直應(yīng)力分布

不同寬度充填墻時(shí)充填墻內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線如圖9所示，由圖9可知，充填墻內(nèi)部垂直應(yīng)力較小，在兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中，采空區(qū)側(cè)受力最為顯著。隨著充填墻寬度的增加，垂直應(yīng)力峰值及應(yīng)力變化速率都出現(xiàn)減小。當(dāng)充填墻寬度為1.4m或1.8m時(shí)，充填墻內(nèi)部垂直應(yīng)力劇烈變化且垂直應(yīng)力峰值較大。當(dāng)寬度增加到2.2m后充填墻所受壓力出現(xiàn)較大幅度減小且峰值較小，墻體內(nèi)部垂直應(yīng)力分布比較平穩(wěn)。這表明當(dāng)寬度為2.2m時(shí)充填墻內(nèi)部應(yīng)力分布比較均勻，充填墻承載能力得到較大提升且破壞變形較小。

圖9 不同寬度充填墻時(shí)充填墻中垂直應(yīng)力

不同寬度充填墻時(shí)實(shí)體煤幫中垂直應(yīng)力分布曲線如圖10所示，當(dāng)充填墻寬度為1.4m時(shí)，煤體中的垂直應(yīng)力最大；當(dāng)巷內(nèi)充填墻寬度達(dá)到2.2m時(shí)，實(shí)體煤幫中的垂直應(yīng)力出現(xiàn)較大減小；當(dāng)充填墻寬度繼續(xù)增加，實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力變化較小。這表明當(dāng)充填墻寬度為2.2m時(shí)，充填墻能夠?qū)敯逄峁┹^大的支撐阻力，有效支撐頂板，使得回采巷道上方頂板受力較為均勻，從而減輕了頂板下沉在煤幫中形成的應(yīng)力集中程度。

圖10 不同寬度充填墻時(shí)實(shí)體煤幫中垂直應(yīng)力

3.3.2 回采巷道頂板位移分析

不同寬度充填墻時(shí)頂板位移分布曲線如圖11所示，由圖11可知，隨著充填墻寬度的增加，充填墻對(duì)巷道頂板的支護(hù)作用不斷增強(qiáng)，頂板垂直位移不斷減小。當(dāng)充填墻寬度為1.4m時(shí)，頂板最大下沉量為0.49m；寬度為1.8m時(shí)，頂板最大下沉量為0.44m；寬度為2.2m時(shí)，頂板最大下沉量為0.35m；寬度為2.6m時(shí)，頂板最大下沉量為0.33m；寬度為3.0m時(shí)，頂板最大下沉量為0.29m。當(dāng)充填墻寬度增加到2.2m時(shí)，頂板垂直位移出現(xiàn)明顯減小，這表明充填墻寬度達(dá)到2.2m時(shí)充填墻對(duì)頂板有較強(qiáng)的支撐力，對(duì)頂板的支撐效果較好，頂板未發(fā)生較大變形。

圖11 不同寬度充填墻時(shí)巷道頂板垂直位移

3.3.3 回采巷道及充填墻塑性區(qū)分析

不同寬度充填墻時(shí)回采巷道及充填墻塑性區(qū)分布情況如圖12所示，隨著充填墻留設(shè)寬度的增加，充填墻及圍巖的塑性破壞區(qū)逐漸減小。在充填墻寬度從1.4m增加到2.2m時(shí)，充填墻塑性破壞區(qū)大范圍減??；當(dāng)留設(shè)寬度從2.2m增加到3.0m時(shí)，充填墻塑性破壞區(qū)范圍變化較小。在充填墻寬度為2.2m時(shí)，充填墻體塑性區(qū)較小，墻體大部分完好，破壞較小，這表明在當(dāng)充填墻寬度為2.2m時(shí)，充填墻的的抗壓能力較強(qiáng)，在頂板壓力作用下充填體未發(fā)生較大破壞，充填墻比較完整。

圖12 不同寬度充填墻時(shí)回采巷道及充填墻塑性區(qū)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果監(jiān)測(cè)

根據(jù)研究成果，在趙家寨礦12209工作面回風(fēng)巷選取一段試驗(yàn)巷道進(jìn)行施工，采用頂板離層儀和幫部位移計(jì)進(jìn)行巷道穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，超前切頂并留設(shè)充填墻后巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果圖13所示。

圖13 巷道變形監(jiān)測(cè)

由圖13可知，隨著工作面的推進(jìn)，在充填墻留設(shè)10d左右，巷道初次來(lái)壓，巷道頂?shù)装遄冃嗡俾试龃?，頂?shù)装遄畲笠平考s為15cm，充填墻整體完好；在充填墻留設(shè)90d左右，巷道頂板趨于穩(wěn)定，頂板最大移近量約為35cm，巷道整體穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 論

1)理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果表明，切頂卸壓能夠有效減小維持巷道穩(wěn)定所需的充填墻留設(shè)寬度，切頂卸壓條件下充填墻的合理留設(shè)寬度為2.2m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)充填墻寬度為2.2m時(shí)，充填墻體具有足夠承載能力且巷道圍巖整體變形較小，圍巖破壞范圍較小。綜合考慮，確定12209工作面充填墻合理留設(shè)尺寸為寬×高=2.2m×3.4m。

2)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，12209工作面沿空留巷時(shí)對(duì)回采巷道進(jìn)行超前切頂卸壓并留設(shè)寬度為2.2m充填墻能夠有效維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定，保證留巷的成功進(jìn)行。