楊 威，周謝康，祖自銀，但伸富，曹俊才，馬振乾，許 飆

(1.貴州盤江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州林東礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 紅林煤礦，貴州 畢節(jié) 551614)

煤炭采出率是一直以來困擾我國(guó)煤炭開采的核心問題之一[1]，隨著煤炭資源的不斷采出，煤炭?jī)?chǔ)量不斷減少，傳統(tǒng)留煤柱開采工藝的弊端日益突出。近年來何滿潮院士團(tuán)隊(duì)提出的無煤柱切頂卸壓自成巷新技術(shù)，提高區(qū)段煤柱資源回收率，同時(shí)有效解決了上隅角瓦斯積聚、煤柱應(yīng)力集中引發(fā)煤與瓦斯突出、采掘接續(xù)緊張等問題[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，多個(gè)工程成功應(yīng)用并取得良好的成果[3-12]。王亞軍等[4]針對(duì)切頂留巷在一段時(shí)期內(nèi)受動(dòng)壓影響嚴(yán)重的問題，提出了一種臨時(shí)支護(hù)基本思路，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析了該臨時(shí)支護(hù)的作用機(jī)理并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，效果良好；陳金明[5]采用理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，得到了切頂留巷覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及頂板斷裂特征，分析了影響切頂?shù)闹饕蛩?，并?duì)切頂參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用；馬廣興[6]提出了基于110工法的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巖石不同測(cè)點(diǎn)碎脹系數(shù)的方法，分析了切頂留巷過程中巖石碎脹特性的變化規(guī)律，得出隨著工作面的推進(jìn)巖石碎脹系數(shù)逐漸變小的結(jié)論，對(duì)切頂留巷巖石碎脹特性的利用具有重要意義；楊森等[7]分析了切頂卸壓留巷巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了留巷期間巷道變形量、變形速率及恒阻錨索受力變化規(guī)律，提出了軟弱底板加強(qiáng)支護(hù)的觀點(diǎn)；楊軍等[8]建立了基本頂不同斷裂位態(tài)力學(xué)模型，推導(dǎo)出不同位態(tài)下巷內(nèi)臨時(shí)支護(hù)阻力計(jì)算公式，得到基本頂在巷道上方斷裂對(duì)留巷不利；魏光榮等[9]在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷工藝進(jìn)行實(shí)踐，分析總結(jié)了留巷巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出了一次采動(dòng)及二次采動(dòng)影響范圍，并提供了頂板控制方法；毛懷勇[10]論述了切頂留巷施工工藝流程，設(shè)計(jì)了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)、來壓期間頂板支護(hù)參數(shù)、臨時(shí)支護(hù)參數(shù)、切頂參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)取得良好效果；孫曉明[11]結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬分析，確定了影響薄煤層切頂卸壓留巷的關(guān)鍵參數(shù)為切縫高度、切縫角度及爆破孔間距，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)確定了預(yù)裂切縫參數(shù)，在實(shí)際工程中成功應(yīng)用；王炯等[12]運(yùn)用理論計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)，在原有支護(hù)基礎(chǔ)上采用恒阻大變形錨索對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，有效解決了切頂卸壓沿空留巷過程中巷道頂板下沉變形現(xiàn)象；張國(guó)鋒等[13]基于厚層砂巖頂板分析了普通充填留巷和切縫留巷側(cè)向頂板斷裂結(jié)構(gòu)特征并利用UDEC數(shù)值模擬軟件分析出切縫有利于頂板冒落支撐上覆巖層；王炯等[14]基于中厚煤層復(fù)合頂板工作面條件利用FLAC3D模擬分析了有無切縫對(duì)頂板應(yīng)力峰值及位移的影響；楊曉杰等[15]利用3DEC模擬分析了不同切頂高度下對(duì)采空區(qū)頂板應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)規(guī)律；楊軍等[16]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及FLAC3D數(shù)值模擬研究了厚煤層切頂卸壓無煤柱自成巷圍巖變形規(guī)律，結(jié)果表明圍巖穩(wěn)定性分布規(guī)律可分為壓力變化區(qū)、壓力趨穩(wěn)區(qū)、壓力穩(wěn)定區(qū)三個(gè)階段，確定了滯后工作面的保守安全位置及重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[13-16]，多數(shù)研究成果是對(duì)巷道頂板圍巖應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)巷道實(shí)體煤側(cè)及臨空側(cè)巷幫圍巖應(yīng)力場(chǎng)的研究較少，本文基于中厚煤層堅(jiān)硬頂板利用FLAC3D數(shù)值模擬，針對(duì)巷道是否切頂進(jìn)行了巷道實(shí)體煤側(cè)及臨空側(cè)圍巖應(yīng)力對(duì)比分析，為切頂留巷巷道支護(hù)提供參考意義。

1 工程地質(zhì)概況

39114工作面埋深226～275m，平均煤厚2.21m，煤層傾角2°～9°，平均傾角為5°，沿走向布置，走向長(zhǎng)度650m，傾向長(zhǎng)度178m，留巷巷道為矩形斷面，寬4.5m，高2.8m。39114工作面位于一采區(qū)東翼，區(qū)域內(nèi)上、下煤層均未開采，北部為39112采空區(qū)，東部為村寨保護(hù)煤柱，南部為9號(hào)煤層未開采，下覆15#煤層為315116采空區(qū)，西部為一采區(qū)運(yùn)輸下山、回風(fēng)下山、軌道下山。工作面相鄰位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

煤層直接頂為泥質(zhì)粉砂巖，中厚層狀，平行層理，含瘤狀菱鐵質(zhì)結(jié)核，厚度3.4m；基本頂為細(xì)粒砂巖，中厚層狀，細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)，鈣鐵質(zhì)膠結(jié)，厚度6.9m；無直接底，基本底為泥質(zhì)粉砂巖，薄～中厚層狀，平行層理，鈣質(zhì)膠結(jié)，厚度6.7m。

2 切頂卸壓自成巷原理

切頂卸壓自成巷是通過切斷巷道頂板與采空區(qū)巖層之間的聯(lián)系，將“長(zhǎng)臂梁”結(jié)構(gòu)變?yōu)椤岸瘫诹骸苯Y(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面來壓時(shí)采空區(qū)巖層沿切縫線垮落形成巷幫，利用垮落巖石的碎脹性支撐上覆巖梁，優(yōu)化巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境[17，18]。如圖2所示，由于超前預(yù)裂切縫的存在，誘導(dǎo)巖塊B在實(shí)煤體側(cè)彈塑性交界處斷裂，巖塊B與巖塊A、C鉸接形成上覆巖層的承壓結(jié)構(gòu)，巷道圍巖則始終處于承壓結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，巖塊B發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉?xí)?duì)巷道產(chǎn)生給定變形，切頂高度適宜則可充分利用垮落巖石的碎漲性限制巖塊B的旋轉(zhuǎn)下沉，從而控制巷道變形。

圖2 頂板結(jié)構(gòu)

預(yù)裂切頂高度[19]：

Hf=(H-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，Hf為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)，取1.3～1.5。

采高為2.21m，不考慮頂板下沉及底鼓，碎脹系數(shù)取1.35，代入式中可得切頂高度為6.31m。考慮到巖石垮落后對(duì)擋矸支護(hù)的擠壓作用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及理論計(jì)算切頂角度取15°。

3 數(shù)值模型建立與分析

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)39114工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，模型長(zhǎng)×寬×高=300m×100m×40m，選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，模型下地面與前后左右面均采用位移邊界，上頂面采用應(yīng)力邊界，埋深應(yīng)力值設(shè)為6.75MPa，切縫高度6m，角度15°，未切縫模型除無切縫外均與切縫模型保持一致。煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬分析方法

將切頂與未切頂模型均進(jìn)行模擬開挖、工作面分步推采，每次計(jì)算終止步數(shù)均為5000步，步距為5m，直至推采至50m，在工作面后方垂直于巷道頂板方向布置3條測(cè)線，測(cè)線1、2、3分別位于工作面后方5m、10m、15m；工作面前方垂直于工作面布置3條測(cè)線，測(cè)線4、5、6分別距離留巷巷道臨空側(cè)2m、4m、6m；工作面后方垂直于實(shí)體煤幫布置3條測(cè)線，測(cè)線7、8、9分別位于工作面后方5m、10m、15m；在巷道頂板中部沿走向方向布置測(cè)線10。對(duì)切頂與未切頂巷道圍巖應(yīng)力、位移進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)線布置如圖3所示。

圖3 測(cè)線布置

4 切頂效果分析

4.1 巷道頂板圍巖應(yīng)力對(duì)比

測(cè)線1、2、3分別布置在工作面后方5m、10m、15m處，垂直巷道頂板布置，切頂前后1、2、3號(hào)測(cè)線垂直應(yīng)力豎直切片云圖如圖4所示。由圖4可知：由于切頂切斷了巷道頂板與采空區(qū)內(nèi)巖層的聯(lián)系，減小了懸臂長(zhǎng)度，導(dǎo)致巷道頂板上方應(yīng)力集中區(qū)域減小，且當(dāng)工作面回采后，巷道頂板圍巖受工作面來壓影響較小，巷道頂板上方隨工作面推進(jìn)形成小范圍卸壓區(qū)；當(dāng)未對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂，采空側(cè)巖層與巷道頂板之間存在聯(lián)系，當(dāng)工作面來壓時(shí)采空區(qū)內(nèi)巖層將與巷道頂板巖層產(chǎn)生不耦合運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巷道頂板圍巖松動(dòng)、離層，在工作面后方開始出現(xiàn)大范圍卸壓，不利于圍巖發(fā)揮自身承載能力。

圖4 切頂前后1、2、3號(hào)測(cè)線垂直應(yīng)力云圖

切頂前后1、2、3號(hào)測(cè)線頂板不同層位應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示，與未切頂進(jìn)行對(duì)比，切頂后1、2、3號(hào)測(cè)線在頂板上方10m范圍內(nèi)應(yīng)力均減小，在3～6m范圍內(nèi)降低的幅度較大，且隨著距工作面距離的增加卸壓幅度增大。

圖5 切頂前后1、2、3號(hào)測(cè)線垂直應(yīng)力分布規(guī)律

以頂板上方4m為例：切頂后1、2、3號(hào)測(cè)線分別由8.27MPa、7.58MPa、7.57MPa降低至5.99MPa、5.29MPa、5.11MPa，最大降低了2.46MPa。

4.2 工作面前方留巷巷道臨空側(cè)巷幫圍巖應(yīng)力對(duì)比

測(cè)線4、5、6均布置工作面前方，距留巷巷道臨空側(cè)巷幫2m、4m、6m，切頂前后4、5、6號(hào)測(cè)線超前工作面不同距離下垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖6所示。無論切頂與否，隨著超前工作面距離的增加，垂直應(yīng)力分布規(guī)律均為先增大后減小，但切頂后的應(yīng)力峰值較未切頂有所降低，峰值位置均在距工作面前方3m位置處，且在距幫部2m處卸壓幅度最大。4、5、6號(hào)測(cè)線切頂前后峰值統(tǒng)計(jì)見表2。

圖6 切頂前后4、5、6號(hào)測(cè)線超前工作面不同距離下垂直應(yīng)力分布規(guī)律

表2 測(cè)線4、5、6切頂前后圍巖應(yīng)力峰值

4.3 工作面后方留巷巷道實(shí)體煤幫圍巖應(yīng)力對(duì)比

測(cè)線7、8、9布置在工作面后方5m、10m、15m，布置在留巷巷道實(shí)體煤側(cè)內(nèi)，切頂前后7、8、9號(hào)測(cè)線垂直應(yīng)力點(diǎn)線如圖7所示。由圖7可知，切頂后應(yīng)力集中區(qū)域減小，切頂前后應(yīng)力集中區(qū)均位于實(shí)體煤幫4～6m范圍內(nèi)，且均為先增大后逐漸趨向于原巖應(yīng)力。切頂后應(yīng)力峰值有所降低，且隨著距工作面距離的增大應(yīng)力峰值降低幅度隨之增大。7、8、9號(hào)測(cè)線切頂前后峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

圖7 切頂前后7、8、9號(hào)測(cè)線垂直應(yīng)力點(diǎn)線圖

表3 測(cè)線7、8、9切頂前后圍巖應(yīng)力峰值

4.4 巷道頂板下沉量

10號(hào)測(cè)線布置在巷道表面中心線上，切頂前后10號(hào)測(cè)線位移變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 切頂前后10號(hào)測(cè)線位移變化規(guī)律

隨著工作面回采，后方頂板懸頂過長(zhǎng)產(chǎn)生ox破斷，弧形三角塊以實(shí)體煤側(cè)深部某處為支點(diǎn)下沉旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致巷道頂板產(chǎn)生位移，切頂可減小弧形三角塊的長(zhǎng)度，且由于切頂垮落下的矸石的碎漲特性可及時(shí)抑制巖層下沉旋轉(zhuǎn)，降低巷道圍巖控制難度。由圖8可知切頂后巷道頂板下沉量普遍減小，最大下沉量由756mm下降至552mm，減小了204mm。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

技術(shù)方案中確定切縫深度為7m，切縫角度為15°，炮眼布置在距臨空側(cè)幫角以里200mm處，炮眼間距600mm，炮眼直徑50mm；采用3根外徑42mm，內(nèi)徑36.5mm，管長(zhǎng)1500mm的聚能管進(jìn)行預(yù)裂爆破，采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，規(guī)格為直徑?32×300mm/卷，裝藥結(jié)構(gòu)“321”，爆破孔口采用2500mm炮泥封堵；巷道掘進(jìn)期間按照留巷要求進(jìn)行一次性支護(hù)，選用?17.8×8000mm錨索替代原支護(hù)方案中巷道頂部的4顆?17.8×6200mm進(jìn)行一次性支護(hù)，錨索支護(hù)間排距為967×1600mm，臨空側(cè)采用樹脂錨桿支護(hù)，實(shí)體煤側(cè)采用螺紋鋼錨桿支護(hù)；回采后，臨空側(cè)采用鋼筋網(wǎng)+密閉布+工字鋼進(jìn)行擋矸支護(hù)，后期采用噴漿封閉巷道；采用單體柱配合鉸接梁或工字鋼進(jìn)行架前、架后臨時(shí)支護(hù)。

在紅林煤礦39114工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行了切頂卸壓自成巷的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，工作面回采后，隨著來壓頂板沿切縫面垮落，垮落矸石及時(shí)充填采空區(qū)，目前巷道支護(hù)能滿足要求，巷道變形量在可控范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果。

6 結(jié) 論

1)超前工作面臨空側(cè)幫部切頂后的應(yīng)力峰值較未切頂有所降低，在幫部2m處卸壓幅度最大，由21.91MPa降至20.43MPa，降低了1.48MPa。滯后工作面15m范圍內(nèi)，實(shí)體煤幫切頂后應(yīng)力峰值有所降低，應(yīng)力集中區(qū)域位于實(shí)體煤幫4～6m范圍內(nèi)，且隨著滯后工作面距離的增大應(yīng)力峰值降低幅度隨之增大。

2)由于切頂垮落下的矸石的碎漲特性可及時(shí)抑制巷道內(nèi)關(guān)鍵塊的下沉旋轉(zhuǎn)，降低了巷道圍巖控制難度，切頂后巷道頂板下沉量普遍減小，最大下沉量由756mm下降至552mm，減小了204mm。

3)工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，臨空側(cè)矸石能及時(shí)垮落充填采空區(qū)，巷道留巷后，能滿足下區(qū)段服務(wù)要求，對(duì)中厚煤層堅(jiān)硬頂板切頂卸壓自成巷技術(shù)推廣具有借鑒意義。