韓長(zhǎng)路

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

近年來，隨著煤炭開采強(qiáng)度的逐漸增大，淺部易采煤炭?jī)?chǔ)量逐漸減少。大量礦山仍采用長(zhǎng)壁開采技術(shù)體系，不但造成了大量資源浪費(fèi)，還導(dǎo)致巷道大變形、沖擊地壓等礦山災(zāi)害，煤炭高效綠色開發(fā)形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。礦山安全高效開采的關(guān)鍵是保證巷道圍巖穩(wěn)定[1-2]。作為一項(xiàng)科學(xué)高效的采礦技術(shù)，沿空留巷在中國(guó)部分淺部礦山現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果很好[3-4]。但傳統(tǒng)沿空留巷的充填工藝較為復(fù)雜，成本也較以往大幅度增長(zhǎng)，嚴(yán)重制約礦山安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)同發(fā)展。

何滿潮院士團(tuán)隊(duì)[5-6]研發(fā)了以“切頂短臂梁”為基礎(chǔ)的沿空切頂成巷技術(shù)，并提出雙向聚能拉伸爆破技術(shù)體系，為復(fù)雜條件下高強(qiáng)度巖體高效低耗爆破提供新的研究思路。劉小強(qiáng)等[7]聚焦小河嘴煤礦煤柱護(hù)巷礦壓顯現(xiàn)劇烈問題，在該礦傾斜薄煤層工作面進(jìn)行切頂卸壓新方案，有效地減少巷道移近量，并使巷道區(qū)域壓力大幅降低。萬海鑫等[8]通過理論研究與數(shù)值計(jì)算揭示切頂卸壓沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律，提出“超前爆破-錨索補(bǔ)強(qiáng)-支柱鉸接頂梁-預(yù)筑混凝土砌塊墻體”支護(hù)技術(shù)，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題。

陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)公司瑞能煤礦地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，目前已經(jīng)到達(dá)回采末期，回采順槽巷多為半煤半巖巷道，掘進(jìn)進(jìn)尺較低且掘進(jìn)支護(hù)費(fèi)用較高。因此，研究并全面推廣“110工法”切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)的使用，對(duì)礦井資源回收率提高、降低巷道掘進(jìn)成本、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限具有重大的戰(zhàn)略意義。

1 工程背景

1.1 工程地質(zhì)條件

瑞能煤礦隸屬于陜煤黃陵礦業(yè)集團(tuán)，核定年生產(chǎn)能力60萬t。礦井采用斜井開拓方式，采煤方法為單一煤層長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。井田范圍內(nèi)僅2號(hào)煤層屬于可采煤層，全區(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)定可采。試驗(yàn)工作面為瑞能煤礦117綜采工作面，埋深120～260 m，平均煤厚為1.49 m，工作面最低采高1.6 m，超過1.6 m煤層一次采全高，平均煤層傾角為3°，工作面長(zhǎng)151 m，順槽長(zhǎng)度約1 026 m，工作面回采長(zhǎng)度為980 m。工作面布置如圖1所示，該工作面為采區(qū)首采面，采用“110工法”切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)所需自動(dòng)成巷的巷道為117工作面南側(cè)的117軌道巷。

圖1 117工作面布置示意Fig.1 Layout of 117 working face

1.2 切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)原理

瑞能煤礦可采資源儲(chǔ)量有限，且回采巷道多為半煤半巖巷道，掘進(jìn)較為困難、掘進(jìn)費(fèi)用較高。切頂卸壓沿空自成巷理論基礎(chǔ)為“切頂短臂梁”理論。通過對(duì)自動(dòng)成巷過程中采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)-支護(hù)-圍巖相互作用規(guī)律的分析，形成機(jī)理如圖2所示。

圖2 切頂短臂梁結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model of short arm beam with roof cutting

2 “110工法”頂板定向切縫技術(shù)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型構(gòu)建

針對(duì)試驗(yàn)工作面地質(zhì)情況，同時(shí)考慮到計(jì)算時(shí)間效應(yīng)，模擬切頂高度及切頂角度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力影響時(shí)，在縱向方向只取一個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算。模型長(zhǎng)度70 m，高度50 m，共劃分單元格5 670個(gè)、節(jié)點(diǎn)11 674個(gè)，如圖3所示。頂部施加垂直向下5.75 MPa的應(yīng)力，模擬上覆巖層重力荷載。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

圖3 模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Model and meshing

2.2 數(shù)值計(jì)算方案及結(jié)果分析

2.2.1 切頂位置確定

根據(jù)建立的物理模型，分別模擬不切頂、2 m垂直切頂、4 m垂直切頂、6 m垂直切頂、8 m垂直切頂和10 m垂直切頂?shù)那闆r。不同切頂高度以及不切頂時(shí)應(yīng)力場(chǎng)如圖4所示。

圖4 不同切頂高度應(yīng)力場(chǎng)Fig.4 Stress field at different cutting heights

由應(yīng)力場(chǎng)分布情況可以看出，不對(duì)頂板進(jìn)行切縫時(shí)，巷道圍巖存在較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值達(dá)到-35.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到5.47；當(dāng)頂板切縫深度為2 m或4 m時(shí)，應(yīng)力集中程度及應(yīng)力集中區(qū)域有所減小，但減小程度不明顯，應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到5.34和4.95；當(dāng)頂板切縫深度為6 m以上時(shí)，圍巖應(yīng)力峰值顯著減弱，且應(yīng)力集中區(qū)逐漸遠(yuǎn)離巷道幫部。由此可見，一定深度的頂板切縫，可以明顯削弱巷道圍巖應(yīng)力集中程度，減少巷道破壞。

通過繪制不同切頂高度巷道圍巖峰值應(yīng)力及巷道頂板最大下沉值曲線，如圖5所示，可明顯看出，對(duì)于試驗(yàn)工作面情況，頂板定向切縫深度以6 m左右為宜。

圖5 巷道圍巖峰值應(yīng)力、頂板最大下沉值曲線Fig.5 Peak stress of roadway surrounding rock and maximum subsidence of roof

2.2.2 切縫角度分析

根據(jù)上述分析，切頂高度為6 m時(shí)可以取得較好的切頂效果，為分析切縫角度對(duì)切頂效果的影響，分別建立切頂高度為6 m，切縫角度為10°、20°和30°的物理模型。6 m切頂高度、不同切縫角度情況下應(yīng)力場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 不同切縫角度應(yīng)力場(chǎng)Fig.6 Stress field at different cutting angles

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，切縫角度對(duì)巷道圍巖峰值應(yīng)力的影響不大，但當(dāng)切縫角度增大時(shí)巷道頂板最大下沉量顯著增大，分析其原因如下：頂板的彎曲下沉、斷裂和垮落是一個(gè)動(dòng)態(tài)的“時(shí)-空”演化過程，采空區(qū)頂板垮落過程存在一定時(shí)間效應(yīng)，當(dāng)切縫角度較大時(shí)，巷道頂板在采空區(qū)端的懸臂長(zhǎng)度相應(yīng)增大，致使此時(shí)巷道圍巖應(yīng)力暫時(shí)較大，因而巷道頂板的下沉變形也持續(xù)增大，但是，當(dāng)采空區(qū)矸石垮落完成，且巷道頂板在采空區(qū)端觸矸后，可將部分荷載由煤壁側(cè)轉(zhuǎn)移至采空區(qū)，因而可以大幅度減小巷道圍巖應(yīng)力集中，而巷道頂板的下沉變形是個(gè)累積的過程，即便圍巖應(yīng)力繼續(xù)減小，其下沉量仍在繼續(xù)增大，從而產(chǎn)生隨切縫角度的增大巷道圍巖應(yīng)力集中增加不明顯，但巷道頂板下沉增加顯著的現(xiàn)象。

因此，根據(jù)上述結(jié)果，當(dāng)切縫角度為10°，切頂高度為6 m時(shí)，能取得較好的切頂卸壓效果。

3 切頂卸壓自動(dòng)成巷效果評(píng)價(jià)

3.1 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.1.1 工作面支架壓力監(jiān)測(cè)站布置

117工作面傾向長(zhǎng)度151 m，工作面共布置120架ZY3600/10/24D液壓支架，其平面布置示意圖如圖7所示。為掌握117工作面切頂卸壓自動(dòng)成巷礦壓顯示特征，采用YHY60礦用本安型液壓支架測(cè)力儀在工作面共布置12個(gè)支架壓力監(jiān)測(cè)站，分別位于8#、18#、28#、38#、48#、58#、68#、78#、88#、98#、108#、118#支架。

圖7 117工作面液壓支架布置方式Fig.7 Layout of hydraulic support in 117 working face

3.1.2 工作面周期來壓特性

以58#支架為例，分析工作面周期來壓特性。根據(jù)挑選出的應(yīng)力峰值情況，分析各應(yīng)力峰值大小、峰值產(chǎn)生的時(shí)間及工作面進(jìn)尺，如圖8所示。由圖可以看出，位于工作面中部58#支架周期來壓平均強(qiáng)度約41.6 MPa，來壓步距平均約15.3 m。

圖8 頂?shù)装逡平侩S時(shí)間變化曲線Fig.8 Variation curve of roof to floor convergence with time

3.2 工作面頂板下沉規(guī)律

3.2.1 頂板下沉變形規(guī)律

工作面推過前后，對(duì)117工作面軌道巷的頂板下沉情況進(jìn)行分析，掌握巷道頂板下沉與回采距離的關(guān)系，距117工作面開切眼500 m范圍內(nèi)布置了12個(gè)頂板下沉監(jiān)測(cè)站，分別位于距開切眼25 m、40 m、55 m、80 m、95 m、160 m、165 m、195 m、215 m、240 m、270 m、285 m、305 m、330 m、350 m、370 m、390 m、420 m處切縫側(cè)，距離碎石巷幫約500 mm。

典型的頂板下沉曲線如圖9所示。117工作面軌道巷距開切眼165 m處巷道頂板在滯后工作面20 m范圍內(nèi)下沉速度最快，此后頂板下沉趨于緩和，當(dāng)工作面推過110 m后，頂板下沉曲線開始平穩(wěn)，處于暫時(shí)穩(wěn)定階段，但受后方巷內(nèi)回撤臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)工作面推采至330 m時(shí)，此時(shí)測(cè)站距離工作面約160 m，測(cè)站JCYJ7處巷道頂板略有下沉，下沉量約10 mm，此時(shí)巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)已回撤至155 m，表明巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的回撤對(duì)巷道圍巖有輕微影響，此后巷道處于最終穩(wěn)定階段。

圖9 測(cè)站JCYJ7巷道頂板下沉變形曲線Fig.9 Roof subsidence deformation curve of JCYJ7 station

受采空區(qū)頂板巖層影響，滯后工作面約40 m范圍內(nèi)的巷道頂板下沉最為劇烈。由此可知在此范圍內(nèi)的巷道受上覆巖層荷載影響最大，巷道頂板下沉劇烈。滯后工作面約130 m后，頂板下沉變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)工作面推采至570 m，根據(jù)設(shè)置的手工測(cè)點(diǎn)，得出117工作面軌道巷距開切眼0～500 m范圍內(nèi)巷道頂板總下沉情況。由圖10可看出，巷道的頂板在切縫側(cè)的下沉量明顯大于煤幫側(cè)，表現(xiàn)出傾斜下沉變形特性。0～500 m范圍內(nèi)的切縫側(cè)、煤幫側(cè)巷道頂板最大下沉量分別為383 mm、120 mm，平均下沉約216 mm、73 mm，滿足安全生產(chǎn)的使用要求。

圖10 117工作面軌道巷0～500 m巷道頂?shù)装蹇傁鲁亮縁ig.10 Roof to floor convergence of 0～500 m roadway in 117 working face

3.2.2 頂板恒阻錨索受力

線錨索測(cè)力儀得出的錨索受力變形與工作面位置關(guān)系曲線，如圖11所示。當(dāng)工作面推采至距離錨索約25 m時(shí)，錨索受力開始增大；與錨索位置相同時(shí)，且受力與變形迅速增大；推過錨索25 m時(shí)，其受力穩(wěn)定，約340 kN，錨索變形量約50 mm。隨著工作面持續(xù)回采，錨索受力一直處于恒阻值狀態(tài)，而其變形量仍在以較高速度繼續(xù)增大，工作面推過50 m后，其變形速度顯著減小，當(dāng)工作面推過約150 m后趨于穩(wěn)定。

圖11 135 m處錨索受力曲線Fig.11 Stress curve of anchor cable at 135 m

由圖11(b)所示，恒阻錨索受力穩(wěn)定后，基本保持不變，始終維持相對(duì)恒定的工作阻力。充分體現(xiàn)了恒阻錨索吸能讓壓的特性，不會(huì)使錨索發(fā)生斷裂、破壞。

由上述可得，25 m是恒阻錨索受力變形的起始點(diǎn)，當(dāng)工作面推過5～25 m后其受力開始達(dá)到恒阻值，基本處于恒阻工作狀態(tài)。工作面推過約150 m后，錨索受力與變形開始趨于穩(wěn)定。

3.3 效益評(píng)價(jià)

回收煤柱產(chǎn)生效益：每回采1 m的煤，多回收煤柱42 t，按煤炭售價(jià)430元/t計(jì)算，扣除160元/t的采煤成本，則工作面每回采1 m，煤柱可獲得收益為11 340元。累計(jì)可回收煤柱總量約41 850 t則回收煤柱產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1 111.32萬元。

節(jié)約掘巷產(chǎn)生效益：117工作面可節(jié)約掘進(jìn)一條回采巷道的成本，按礦井117工作面6 900元/m掘巷成本計(jì)算，可節(jié)約成本676.2萬元。

綜合效益：117工作面總長(zhǎng)980 m，需投入成本約694.82萬元，回收煤柱產(chǎn)生效益約1 111.32萬元，節(jié)約掘巷產(chǎn)生效益約676.2萬元，因此最終產(chǎn)生效益1 092.7萬元。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)瑞能煤礦薄煤層淺埋深復(fù)合頂板工程地質(zhì)特征，提出“110工法”切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)體系。通過數(shù)值計(jì)算得出頂板定向切縫深度為6 m左右，當(dāng)切縫角度為10°，切頂高度為6 m時(shí)，能取得較好的切頂卸壓效果。

(2)基于現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)、頂板下沉及產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益對(duì)117工作面切頂卸壓自動(dòng)成巷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，礦山壓力及頂板下沉量能較好的保證安全開采，且能產(chǎn)生1 092.7萬元經(jīng)濟(jì)效益，保障礦山安全高效開采與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)協(xié)同發(fā)展。