鄭立軍，王文，張廣杰

(1.河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué) 河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作 454000)

0 引 言

近年來，煤炭行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整期，礦井開采已向深部轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的預(yù)留煤柱開采不但造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，而且煤柱上方應(yīng)力集中現(xiàn)象時有發(fā)生，不利于巷道圍巖控制和瓦斯治理，也不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如何增加煤炭采出率是當(dāng)前煤炭開采中亟待解決的問題[1-4]，而無煤柱沿空留巷開采技術(shù)是解決這一問題的主要途徑[5-6]。

學(xué)者們在煤礦沿空留巷開采方面作了大量研究，以往沿空留巷多采用將膏體、柔?；炷恋忍厥獠牧弦韵锱猿涮畹姆绞綄?shí)現(xiàn)[3]:張農(nóng)等[7-8]、陳勇等[9-10]、馮國瑞等[11]基于沿空留巷充填體的結(jié)構(gòu)承載性、穩(wěn)定性等力學(xué)特性及其控制機(jī)理進(jìn)行了研究；康紅普等[12]、謝生榮等[13-14]深入研究了大埋深背景下充填式沿空留巷巷道圍巖控制機(jī)理；張自政等[15-16]對沿空留巷充填區(qū)錨索錨固區(qū)內(nèi)外頂板離層力學(xué)特性進(jìn)行分析，提出了沿空留巷充填區(qū)直接頂分段加固的控制對策；曹樹剛等[17]對多個典型沿空留巷工程實(shí)例進(jìn)行總結(jié)，并列出不同充填材料和支護(hù)技術(shù)的適用性；黃萬朋等[18]、陳東[19]對鋼管混凝土柱沿空留巷進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)的巷旁充填沿空留巷巷道圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，充填體仍會受到較大壓力而出現(xiàn)安全問題，因此，在沿空留巷時必須提升充填體強(qiáng)度，否則后期增加留巷返修工作量，進(jìn)而導(dǎo)致留巷維修成本變高，這些都嚴(yán)重制約著該技術(shù)的推廣應(yīng)用。何滿潮院士團(tuán)隊(duì)[20-23]在切頂短臂梁理論的基礎(chǔ)上，提出切頂卸壓無煤柱沿空留巷開采新技術(shù)，該技術(shù)解決了傳統(tǒng)沿空留巷充填體易發(fā)生應(yīng)力集中的問題；朱珍等[24]在此基礎(chǔ)上提出“側(cè)向動靜結(jié)合、縱向伸縮讓壓”的采空區(qū)幫控制思想，并形成控制體系；王炯等[25]、孫曉明等[26]、蔡峰等[27]研究了薄及中厚煤層條件下切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵參數(shù)問題。

以上對巷旁充填沿空留巷、切頂卸壓沿空留巷、切頂關(guān)鍵參數(shù)確定等研究已較為成熟，然而，對煤層大埋深、高應(yīng)力、堅(jiān)硬頂板等條件下的切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)研究不多，因此，本文以河南焦煤能源有限公司古漢山礦1604綜放工作面為工程背景，充分考慮該礦特殊地質(zhì)條件，對切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工作面概況

1604工作面位于古漢山礦二水平16采區(qū)西翼，北為16021工作面采空區(qū)，南為1606工作面。煤層厚4.8～6.25 m，平均5.3 m，傾角12°～15°，平均14°，層理、節(jié)理中等發(fā)育。地面標(biāo)高95.5～97.8 m，井下標(biāo)高-564～-427 m，平均埋藏深度602 m。煤巖層綜合柱狀圖見圖1。該工作面走向長886 m，傾向長173 m，采用走向長壁后退式綜采放頂煤開采。為了解決該礦煤炭采出率低、巷道掘進(jìn)工程量大和采掘接替緊張等問題，利用切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)將1604工作面運(yùn)輸巷保留下來，作為1606工作面回風(fēng)巷，工作面平面布置見圖2。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

圖2 1604工作面平面布置示意

1604工作面運(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，頂板采用“錨網(wǎng)索帶”支護(hù)，每根錨桿采用1支K2360和1支Z2360樹脂錨固藥卷，每根錨索采用1支K2360和3支Z2360樹脂錨固藥卷，采用φ16 mm鋼筋梯將錨桿連成整體。兩幫采用“錨網(wǎng)帶”支護(hù)，網(wǎng)片采用φ6 mm，網(wǎng)孔70 mm×70 mm的鋼筋網(wǎng)。

2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析和沿空留巷技術(shù)

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

工作面初次來壓是采空區(qū)頂板在煤層采出后第一次發(fā)生“O-X”型破斷產(chǎn)生的壓力，而周期來壓則是由于采空區(qū)頂板周期性“O-X”型破斷引起的壓力[28]。巷道未受采動影響時，其頂板為固支梁結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。巷道基本頂受采動應(yīng)力和覆巖重力疊加影響時，彎矩將變大，造成覆巖旋轉(zhuǎn)下沉，煤柱內(nèi)側(cè)彎矩達(dá)到最大，頂板出現(xiàn)“O”型破斷，出現(xiàn)關(guān)鍵塊A，如圖3(b)所示。采空區(qū)上覆基本巖層受采動影響范圍擴(kuò)大時，因無支撐而發(fā)生較大下沉，但煤柱側(cè)頂板有支撐而下沉較小，關(guān)鍵塊A兩端受力不均從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形和“X”型破斷，出現(xiàn)關(guān)鍵塊B，如圖3(c)所示。由于巷道上方關(guān)鍵塊B不穩(wěn)定，所以易出現(xiàn)巷道頂?shù)装濉蓭褪湛s等問題，不利于礦井安全生產(chǎn)。采空區(qū)附近的圍巖結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定后，巷道將會發(fā)生較大破壞，甚至導(dǎo)致礦井完全不能生產(chǎn)。

圖3 頂板結(jié)構(gòu)破壞特征

2.2 沿空留巷技術(shù)原理及工藝

由巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征分析可知，沿空留巷能否成功的關(guān)鍵因素是關(guān)鍵塊B是否切斷，能否在巷道上方形成短壁梁結(jié)構(gòu)。因此，切頂卸壓沿空留巷原理和主要技術(shù)環(huán)節(jié)為：

(1)工作面開采前，在前方靠近回采側(cè)的巷道頂板施工爆破孔，炸藥引爆后將在頂板內(nèi)部產(chǎn)生定向裂縫，巷道和采空區(qū)上方的下位關(guān)鍵巖層中的力學(xué)聯(lián)系將被減弱，避免出現(xiàn)“O-X”破斷，工作面回采后巷道上方將會出現(xiàn)短壁梁結(jié)構(gòu)，此時應(yīng)采取加強(qiáng)措施提高該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載能力；(2)爆破結(jié)束后，對附近的巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，起到強(qiáng)幫固頂作用；(3)工作面開采后，沿切縫處安裝可伸縮工字鋼、金屬網(wǎng)、擋風(fēng)布等擋矸設(shè)備，留巷段采用單體柱抬棚或垛式支架臨時支護(hù)頂板，采空區(qū)上方巖層及時垮落并形成采空區(qū)幫，防止采空區(qū)矸石進(jìn)入留巷內(nèi)；(4)采空區(qū)矸石垮落活動結(jié)束且被壓實(shí)后，留巷段圍巖結(jié)構(gòu)將逐步穩(wěn)定，此時可逐步取消臨時支護(hù)，為阻斷留巷與采空區(qū)間的空氣流通，對采空區(qū)幫進(jìn)行噴漿處理，完成沿空留巷，工藝流程見圖4。

圖4 沿空留巷工藝流程圖

2.3 高應(yīng)力下沿空留巷巷道變形特征分析

對古漢山礦地應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場測試，最大水平主應(yīng)力為31 MPa，垂直應(yīng)力為18 MPa，原巖應(yīng)力較大。1604工作面埋深已達(dá)600 m，根據(jù)初期沿空留巷情況，該礦沿空留巷具有如下特征：

(1)受高垂直應(yīng)力影響，若留巷未作任何加固處理，頂?shù)装遄冃螘艽蟆２煽諈^(qū)頂板充分垮落后，采空區(qū)處于應(yīng)力降低區(qū)或穩(wěn)壓區(qū)。相鄰采空區(qū)10 m內(nèi)處于應(yīng)力增高區(qū)，而沿空留巷巷道則處于應(yīng)力降低區(qū)。

(2)受高應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加影響，沿空留巷巷道4.7 m厚的砂質(zhì)泥巖頂板巖層節(jié)理裂隙不斷擴(kuò)張[29]，距煤幫約5 m區(qū)域內(nèi)較為酥軟，圍巖自身承載能力下降。

(3)沿空留巷巷道因高應(yīng)力、構(gòu)造復(fù)雜和采動應(yīng)力作用，其變形速率較快，主要呈現(xiàn)為頂板下沉、幫鼓和底鼓。受高應(yīng)力影響，沿空留巷巷道碎石幫擋矸柱易受采空區(qū)垮落矸石的劇烈沖擊出現(xiàn)剪切破壞，擋矸體系容易失效。

由上述可知，高應(yīng)力下沿空留巷巷道與采動應(yīng)力影響范圍、采空區(qū)頂板是否垮落充分、頂板巖性和支護(hù)體系強(qiáng)度密切相關(guān)，因此，實(shí)施沿空留巷時必須充分考慮這些因素。

3 定向預(yù)裂爆破技術(shù)及關(guān)鍵參數(shù)

與傳統(tǒng)的充填式沿空留巷相比，切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵是如何進(jìn)行定向爆破，對巷道上方巖層進(jìn)行預(yù)定方向的爆破切縫，及時將巷道與采空區(qū)上覆基本巖層中的應(yīng)力聯(lián)系路徑切斷，確保工作面采后上方巖層及時垮落并填實(shí)采空區(qū)，在擋矸系統(tǒng)作用下自動成巷幫。因此，定向爆破方式和準(zhǔn)確切頂深度是切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵。

3.1 定向預(yù)裂爆破技術(shù)

定向預(yù)裂爆破技術(shù)是利用特殊材質(zhì)加工的聚能管改變炮孔內(nèi)的裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥爆炸沖擊波在預(yù)設(shè)方向上形成聚能流，并使張拉應(yīng)力集中，加速下位關(guān)鍵層在預(yù)設(shè)方向上發(fā)生斷裂并出現(xiàn)預(yù)裂弱面，待工作面回采后及時垮落，以取得較好的爆破切頂效果[20,29]，如圖5所示。

圖5 定向預(yù)裂爆破孔內(nèi)裝藥斷面及預(yù)裂擴(kuò)展示意

炸藥在爆炸時將受到聚能管抑制，爆炸沖擊波沿著聚能槽向外傳播且作用在聚能槽A，B端部，見圖5(a)，此時聚能槽上的作用力記為P1，其他方向的沖擊波因聚能管的阻尼作用而發(fā)生位移變形，吸收部分能量，此時孔壁上的作用力記為P2。P2=P1-nδ，其中,n為能量衰減系數(shù),δ為聚能管厚度。據(jù)研究，聚能槽A，B端的壓力是其他方向上的3.6倍[30]，由于聚能槽處的壓力突然發(fā)生變化，導(dǎo)致徑向裂縫在預(yù)定區(qū)域的擴(kuò)展優(yōu)先于其他區(qū)域，形成初始導(dǎo)向裂紋。相鄰爆破孔在軸線方向上一致時，在炮孔間連線方向上的破壞系數(shù)要比其他方向大得多；在破壞系數(shù)最大處，巖石優(yōu)先斷裂，隨即抑制其他方向裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)巖石的定向斷裂[31]。

巷道頂板定向預(yù)裂爆破應(yīng)在工作面前方一定距離實(shí)施，工作面回采后采空區(qū)上方巖層將沿切頂線及時垮落并形成采空區(qū)幫，巷道上方巖層的短臂梁結(jié)構(gòu)面積進(jìn)而縮小，改變了頂板的圍巖結(jié)構(gòu)，留巷段圍巖應(yīng)力環(huán)境因此得到改善，確保留巷穩(wěn)定。

3.2 預(yù)裂切頂卸壓高度

切頂卸壓高度是否合理將直接決定沿空留巷效果，合理的切頂卸壓高度可以把巷道與采空區(qū)上覆關(guān)鍵巖層中的應(yīng)力聯(lián)系切斷，確保在工作面采后基本頂及時垮落，對上覆關(guān)鍵巖層起到支撐作用，使懸臂梁的區(qū)域面積變小，減弱了礦山壓力顯現(xiàn)，使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，達(dá)到切頂卸壓的目的。

研究表明，理想狀態(tài)下切頂卸壓高度H0的經(jīng)驗(yàn)公式為

H0=(H′-ΔH1-ΔH2)/(k′-1)，

式中：H0為預(yù)裂爆破深度，m；H′為開采高度，m；ΔH1為巷道頂板下沉量，m；ΔH2為巷道底板底鼓量，m；k′為巖石的碎脹系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果可知，二1煤層碎脹系數(shù)k′=1.45，不考慮頂?shù)滓平?，H′=5.3 m時，經(jīng)理論計(jì)算，H0=11.8 m。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對古漢山礦1604工作面不切頂及切頂高度5 m(直接頂砂質(zhì)泥巖)、12 m(基本頂細(xì)粒砂巖)、18 m(煤層上方第三層砂質(zhì)泥巖)等條件下的巷道圍巖應(yīng)力、位移和側(cè)向支承壓力分布特征進(jìn)行模擬分析。模型長400 m、高200 m，分為8層，共劃分為33 200個單元，模型頂部的垂直應(yīng)力為16.9 MPa。在巷道回采側(cè)頂板位置建立較小網(wǎng)格，模擬切頂卸壓時對該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行開挖，以模擬不同高度的預(yù)裂切縫。模擬時，首先使模型運(yùn)算至初始平衡，之后對不同切頂卸壓高度條件下對1604工作面進(jìn)行回采，待工作面回采至穩(wěn)定后，監(jiān)測不同切頂卸壓高度下的工作面?zhèn)认蛑С袎毫脱乜樟粝锵锏雷冃翁卣?。煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2.1 沿空留巷巷道圍巖應(yīng)力分布特征

切頂卸壓高度不一致時，沿空留巷巷道圍圍巖垂直應(yīng)力分布特征如圖6所示。

圖6 沿空留巷巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

模擬結(jié)果顯示，巷道圍巖應(yīng)力均隨切頂卸壓高度的增加而減小。其頂板煤柱側(cè)除小部分垂直應(yīng)力向上外其余均向下，最大值分別為23.3,21.6,18.3,18.2 MPa，位于頂板煤柱幫肩角處，底板垂直應(yīng)力均向下，最大值分別為7.6,7.3,7.2,7.1 MPa，巷道回采幫水平應(yīng)力最大值分別為3.5，2.0，0.9，0.5 MPa，巷道煤柱幫水平應(yīng)力最大值分別為28.9，7.3，5.0，4.6 MPa。

3.2.2 沿空留巷巷道變形特征

切頂卸壓高度不一致時，沿空留巷巷道垂直位移特征如圖7所示。由圖7和模擬數(shù)據(jù)綜合分析可知，留巷頂板出現(xiàn)整體下沉現(xiàn)象，實(shí)體煤側(cè)頂板變形量較小，采空區(qū)側(cè)頂板變形量最大，切頂卸壓高度為0，5，12，18 m時，頂板最大變形量分別為160，152，138，146 mm，同時留巷底板發(fā)生底鼓，底板中部靠近實(shí)體煤側(cè)的底鼓量最大，達(dá)到415，286，188，175 mm；實(shí)體煤幫發(fā)生幫鼓，其中下部最大變形量分別為242，210，140，180 mm。

圖7 沿空留巷巷道圍巖垂直位移特征

3.2.3 沿空留巷巷道側(cè)向支承壓力分布特征

切頂卸壓高度不一致時，沿空留巷巷道側(cè)向支承壓力分布曲線見圖8。工作面?zhèn)认蛑С袎毫υ诓煽諈^(qū)邊緣呈現(xiàn)“先快速增加至最大值，后快速減小”趨勢[32]，在距采空區(qū)約17 m處垂直應(yīng)力才開始趨于平穩(wěn)。

圖8 不同切頂卸壓高度側(cè)向支承壓力曲線

不切頂時，側(cè)向壓力峰值為66.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.25，爆破深度不斷增加時且在12 m前，側(cè)壓峰值、集中系數(shù)快速變小，爆破深度對兩者影響較大。爆破深度為12 m時，側(cè)向壓力峰值為41.28 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.01，與不切頂相比，其值減小了38%。爆破深度變大時，對兩者的影響逐步減弱，爆破深度達(dá)到18 m時，側(cè)向支承壓力峰值為39.15 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.92，與不切頂相比，其值減小了41%，與爆破深度12 m相比，其值減小了4.6%。所以，爆破深度與側(cè)壓峰值和集中系數(shù)成反比，當(dāng)爆破深度達(dá)到一定值后，爆破深度對側(cè)承壓峰值和集中系數(shù)影響較小。

綜上所述，沿空留巷巷道切頂卸壓高度為0，5，12，18 m時，其圍巖應(yīng)力和位移均逐步縮小，但爆破高度在12 m后模擬結(jié)果變化不大。由圖1可知，模擬切頂卸壓高度12 m時為煤層上方的細(xì)粒砂巖層，與理論計(jì)算值相差不大，因此確定切頂卸壓高度為該層位時達(dá)到卸壓目的。

3.3 預(yù)裂爆破參數(shù)

鉆孔開孔方向向工作面?zhèn)葍A斜，為方便施工，鉆孔與工作面?zhèn)鹊木嚯x為300 mm。當(dāng)鉆孔向煤柱幫傾斜或沿豎直方向施工時，不利于采空區(qū)頂板垮落，通常應(yīng)向采空區(qū)傾斜5°以上。當(dāng)傾斜角度過大時，巷道上覆懸頂長度較長，會引起頂板壓力增加。因此確定爆破孔開孔方向與煤壁夾角α為15°，鉆孔傾角β為60°。每個爆破鉆孔相關(guān)參數(shù)詳見表2。

表2 單孔爆破相關(guān)參數(shù)

經(jīng)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，綜合確定切頂卸壓高度為12.3 m，鉆孔深度H計(jì)算式為

式中：h為切頂卸壓高度，取12.3 m；β為鉆孔傾角，取60°；σ為煤層傾角，取14°；c為鉆孔穿透細(xì)粒砂巖厚度，取0.1 m。

選擇礦用三級乳化炸藥，裝藥密度0.4 kg/m。深孔爆破時，封孔長度不低于孔深的1/3，具體參數(shù)如圖9所示。選擇礦用毫秒延期電雷管，每次爆破所有電雷管段別相同，孔內(nèi)并聯(lián)連接，孔間串聯(lián)連接，每次起爆5～10個炮孔。

圖9 爆炸鉆孔裝藥及封孔示意

4 沿空留巷巷道圍巖控制技術(shù)

4.1 沿空留巷巷道圍巖控制對策

沿空留巷巷道圍巖結(jié)構(gòu)受覆巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動和空間結(jié)構(gòu)影響較大[33-34]，若保證留巷達(dá)到安全生產(chǎn)要求，應(yīng)采取以下措施對留巷圍巖進(jìn)行控制。

首先，對工作面前方一定距離的巷道，采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)把巷道、采空區(qū)上覆關(guān)鍵巖層切斷并形成裂縫，減小工作面采動對采空區(qū)頂板破斷、回轉(zhuǎn)、垮落的擾動作用，工作面開采后，使采空區(qū)頂板沿預(yù)裂縫及時垮落，并在巷道上方形成短懸臂梁結(jié)構(gòu)。在其頂板實(shí)施爆破后，其結(jié)果是由原固支梁轉(zhuǎn)變?yōu)槎虘冶哿?，這是保證沿空留巷巷道頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵，因此采用高強(qiáng)錨索對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，提高短懸臂梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載能力；其次，工作面開采后，采空區(qū)頂板巖石將會周期性破斷垮落，垮落后的矸石可能會進(jìn)入沿空留巷巷道內(nèi)，使巷道斷面縮小并影響使用，因此，緊跟端頭支架沿切縫布置可伸縮工字鋼、雙層金屬網(wǎng)和擋風(fēng)布，對采空區(qū)側(cè)進(jìn)行擋矸防護(hù)并形成巷幫；最后，周期性來壓時，沿空留巷巷道頂板受動壓影響較大，容易出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，需在該區(qū)域內(nèi)布置單體支柱抬棚，臨時支護(hù)頂板，減小來壓影響，確保留巷安全使用。

4.2 沿空留巷巷道圍巖控制方案

根據(jù)上述對沿空留巷巷道圍巖控制的分析，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，沿空留巷巷道支護(hù)如圖10所示。

圖10 沿空留巷巷道支護(hù)示意(長度單位：mm)

頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)巷道頂板，錨索向回采幫偏轉(zhuǎn)10°，錨索托盤采用U36鋼加工制作，規(guī)格為300 mm×300 mm。錨固劑規(guī)格為φ23 mm×600 mm，錨索錨固力，預(yù)緊力分別不得低于400，200 kN。

滯后臨時支護(hù)：留巷段一定范圍內(nèi)布置5排單體柱配π型梁抬棚臨時支護(hù)頂板，π型梁長4 m，沿巷道中線方向布置，抬棚中對中，間距為0.5 m。

巷幫擋矸結(jié)構(gòu)：留巷段碎石幫利用塑料網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)、可伸縮工字鋼、槽鋼拉桿和錨索等進(jìn)行擋矸。塑料網(wǎng)布置兩層，鋼筋網(wǎng)布置一層，搭接長度不小于0.1 m，接頂接底，沿切縫布置，鋼筋網(wǎng)頂部向巷道內(nèi)外露0.2 m，并與頂板網(wǎng)搭接。分別選用長2.7，1.5 m的11號工字鋼進(jìn)行擋矸，相互搭接長度不小于0.5 m。上部工字鋼在內(nèi)，頂部緊貼切縫布置，頂板柱窩深度不小于0.1 m；下部工字鋼在外，插入底板深度不低于0.4 m，擋矸柱間距0.4 m，傾角10°。

5 沿空留巷效果分析

5.1 巷道圍巖變形

為了全面清楚了解沿空留巷巷道的圍巖變形特征，對沿空留巷巷道的表面位移變化情況進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，采空幫頂板平均下沉256 mm，底板最大鼓起368 mm，煤柱幫最大變形124 mm，采空區(qū)幫最大變形214 mm。因受工作面回采的影響沿空留巷巷道初期變形速度增加較快，即圖11中的動壓劇烈影響區(qū)A。距工作面煤壁較遠(yuǎn)，受工作面回采影響較小，工作面后方60～110 m內(nèi)巷道變形速度減緩，即圖11中動壓緩慢影響區(qū)B。距工作面煤壁進(jìn)一步增大，受采動影響更小，工作面后方110～140 m內(nèi)沿空留巷巷道除底鼓外變形趨于穩(wěn)定，即圖11中留巷一次穩(wěn)定區(qū)C，此時可取消巷內(nèi)臨時支護(hù)。圖11中回撤影響區(qū)D為工作面后方140～160 m，頂板穩(wěn)定后，逐步減小臨時支護(hù)密度，應(yīng)力進(jìn)行再次分布，留巷圍巖將發(fā)生微弱運(yùn)動，引起巷道變形。圖11中成巷穩(wěn)定區(qū)E為工作面后方160 m之后，應(yīng)力再次調(diào)整后，巷道又開始穩(wěn)定，此時巷內(nèi)臨時支護(hù)已完全取消，圍巖活動已停止，完成沿空留巷。

圖11 留巷圍巖變形曲線

5.2 留巷效果分析

通過現(xiàn)場監(jiān)測與分析并結(jié)合留巷情況，工作面后方110 m內(nèi)為動壓緩慢影響區(qū)，變形主要在該區(qū)內(nèi)，是巷道支護(hù)重點(diǎn)?，F(xiàn)場留巷除個別區(qū)域因施工質(zhì)量不好而出現(xiàn)部分擋矸柱歪斜外，沒有明顯的壓彎壓壞現(xiàn)象。理論上動壓影響區(qū)110 m以外應(yīng)取消臨時支護(hù)，現(xiàn)場留2個平均周期來壓步距區(qū)域作為對比觀測區(qū)域，即工作面后方140 m內(nèi)滯后臨時支護(hù)不回撤，140 m以外區(qū)域開始減少臨時支護(hù)。1604工作面運(yùn)輸巷剛開始留巷時高度為3.0 m，完成后高度為2.4 m，頂?shù)装迨湛s率為20%。剛開始留巷時巷寬度為4.5 m，完成后巷道寬度為4.16 m，兩幫收縮率為7.5%，留巷可以滿足安全生產(chǎn)要求。

工作面回采期間，為了防止留巷導(dǎo)致的采空區(qū)遺煤自燃，通過采取常規(guī)堵漏風(fēng)、向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)?、灌注液態(tài)CO2等措施，并在留巷側(cè)布置觀測管對采空區(qū)氣體、溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，采空區(qū)內(nèi)溫度基本在16 ℃左右，CO2體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.04%左右，在工作面回采過程中，O2和CO體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定并無升高趨勢，未出現(xiàn)異常狀況。

6 結(jié) 論

(1)由巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征分析可知，保證留巷效果的關(guān)鍵是可行的爆破技術(shù)和合理的切頂卸壓高度，通過定向爆破，沿空留巷巷道頂板懸臂結(jié)構(gòu)面積得以減小，將其上方關(guān)鍵巖層的斷裂位置向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，切落的矸石將采空區(qū)填實(shí)，對留巷圍巖應(yīng)力起到改善作用，利用擋矸防護(hù)結(jié)構(gòu)在采空區(qū)側(cè)形成新的巷幫。

(2)切頂卸壓沿空留巷巷道圍巖控制對策是利用高強(qiáng)錨索加強(qiáng)頂板支護(hù)，采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)切斷巷道與采空區(qū)上方基本頂間的壓力聯(lián)系，在采空區(qū)側(cè)利用擋矸防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行擋矸，在滯后臨時支護(hù)區(qū)內(nèi)采用單體柱配合π型梁支護(hù)頂板，以減小動壓對留巷的影響，減少留巷變形，確保留巷穩(wěn)定，保障切頂卸壓沿空留巷順利實(shí)施。

(3)古漢山礦1604綜放工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沿空留巷巷道圍巖將經(jīng)歷動壓劇烈影響、動壓緩慢影響、留巷一次穩(wěn)定、回撤影響和成巷穩(wěn)定等5個階段，其頂板平均下沉量為256 mm，采空區(qū)幫最大變形量為214 mm，在工作面后方110 m后沿空留巷巷道開始趨于穩(wěn)定，留巷效果較好，可為相似地質(zhì)條件下礦井實(shí)施切頂卸壓沿空留巷提供借鑒。