周均民，申世豹，劉進曉，張 峰

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團 菏澤煤電有限公司，山東 菏澤 271004；2.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590)

沿空留巷是在上區(qū)段工作面采過后，通過有效手段將上區(qū)段工作面運輸平巷保留下來，供下區(qū)段工作面回采時使用。目前，我國學者在關(guān)于沿空留巷理論與技術(shù)方面做了大量的研究[1-7]，目前沿空留巷主要有兩種方式，一種是巷旁充填沿空留巷，根據(jù)充填材料的不同沿空留巷又有多種形式，柏建彪等[8]提出采用膏體材料作為巷旁對頂板的支護體，建立了膏體材料巷旁充填沿空留巷的力學模型。雷鳴[9]等采用混凝土材料做為巷旁的支護體，取得了很好的留巷效果。湯建泉等[10]采用數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場實測的方法，對沿空切頂成巷段巷道圍巖支承壓力分布及圍巖變形規(guī)律進行分析。常利軍、李西凡等[11，12]采用高水充填材料作為巷旁支護體，有效控制了巷道圍巖變形。高明濤[13]等建立了由采場沿空巷道實體煤幫、巷旁充填體和采空區(qū)矸石共同承載無煤柱沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)力學模型。郝曉飛[14]等采用數(shù)值模擬的方法對中厚煤層沿空留巷巷旁充填體圍巖變形情況進行分析，并通過充填體的承載力進行驗算來確定柔?；炷脸涮铙w的合理寬度。二是何滿潮院士團隊[15-19]提出的切頂卸壓無煤柱沿空留巷，該團隊在切頂留巷覆巖運動規(guī)律、大變形錨桿錨索讓壓支護、定向拉張爆破切頂卸壓、切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等方面做出了重要的貢獻，在此基礎(chǔ)上，很多學者針對切頂卸壓留巷進行了很多有意義的工作，華心祝等[20]對動靜耦合作用下無煤柱切頂留巷頂板成縫與穩(wěn)定機理進行了研究，陳立軍[21]對一次采全高綜采工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)進行了研究。蔡峰[22]對堅硬頂板條件下切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)的切頂高度、切頂角度、爆破鉆孔間距等關(guān)鍵參數(shù)進行了研究。雖然目前切頂留巷取得了一定的成果，但是對于深厚表土堅硬頂板條件下的沿空留巷尚有待探索和研究。

本文以郭屯煤礦深厚表土堅硬頂板切頂留巷為研究背景，首先采用相似材料試驗?zāi)M郭屯煤礦4307工作面頂板覆巖運動情況，通過控制不同長度的工作面，形成了不同結(jié)構(gòu)的懸臂梁，并提出厚頂板切頂厚度、切頂角度和非對稱支護等設(shè)計，對該條件下切頂留巷頂板結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 工程概況

郭屯煤礦4307位于四采區(qū)，工作面南、北兩側(cè)均為實體煤，西側(cè)為4306工作面，東側(cè)為實體煤(巖漿巖影響區(qū))，4307工作面主采3下煤，3下煤層平均厚度約2.80m，煤層傾角平均4°，該區(qū)域煤層起伏變化較小，4307工作面長186m，推進長度966m。煤層埋深829～865m，3下煤頂板巖層厚度約100m，表土層平均厚度747m。煤層直接頂為厚10.68m的細砂巖，普氏系數(shù)f>11，基本頂為厚14.27m的粉砂巖，普氏系數(shù)f>5.5，底板的泥巖和細砂巖其普氏系數(shù)f均大于8，四采區(qū)地應(yīng)力場水平主應(yīng)力33.86MPa；垂直應(yīng)力20.01MPa，水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.69倍，最大主應(yīng)力為最小主應(yīng)力的2.24倍。4307工作面布置與綜合柱狀如圖1所示，對4307軌道運輸平巷進行切頂留巷，4307軌道運輸平巷斷面形狀為矩形，凈寬4500mm，凈高3400mm。

圖1 4307工作面布置與綜合柱狀

2 厚層堅硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 厚層堅硬頂板相似材料模型建立

為了揭示堅硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，對3下煤頂板運動過程進行了動態(tài)相似模擬。模型左右邊界水平位移約束，在模型頂部用油缸進行加載用以模擬應(yīng)力場。以郭屯煤礦4307工作面頂板賦存特征為對象，建立相似材料模型，模型幾何相似比例系數(shù)為1∶100，重力相似比為2∶3，時間相似比為1∶10，速度相似比為1∶10，位移相似比為1∶100，強度、彈模、黏聚力相似比為1∶150，內(nèi)摩擦角相似比為1∶1。模型尺寸為寬×高×厚=1.9m×1.50m×0.22m，模擬煤層頂板巖層100m，表土50m，煤層直接頂107mm，基本頂142mm，煤層厚度25mm，通過高分辨率相機進行拍照。模型從右側(cè)邊界向左側(cè)開挖，分析上覆巖層運動。

2.2 厚層堅硬頂板側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)

從相似材料模擬試驗過程如圖2—圖5所示，隨著工作面寬度的增加，上覆巖層呈現(xiàn)出不一樣的結(jié)構(gòu)，當工作面的寬度為50m時，直接頂垮落，基本頂成嵌固狀態(tài)，由于直接頂為厚硬巖層，直接頂將在采空區(qū)方向形成“倒直角梯形”懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示；當工作面寬度為80m時，直接頂在采空區(qū)方向形成“L”型懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3所示；當工作面寬度為100m時，直接頂在采空區(qū)方向形成“三角形” 懸臂梁結(jié)構(gòu)；當工作面寬度為120m及以上時，基本頂斷裂，形成鉸接結(jié)構(gòu)，直接頂在采空區(qū)方向仍然存在“類三角形”懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于厚表土位于3下煤覆巖裂隙帶之上的彎曲下沉帶內(nèi)，厚表土作為給定載荷基本對覆巖運動影響較小?？梢钥闯?，隨著工作面長度的不同，直接頂懸頂存在不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，雖然直接頂懸臂梁形態(tài)各異，但是在堅硬直接頂和基本頂?shù)臈l件下，懸臂梁結(jié)構(gòu)一直存在于采空區(qū)上方，如果采用沿空留巷的方式，必須對懸臂梁進行處理。

圖2 直接頂初次垮落

圖3 直接頂?shù)诙慰迓?/p>

圖4 直接頂?shù)谌慰迓?/p>

圖5 基本頂初次垮落

3 厚層堅硬頂板無煤柱切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)

相似材料模擬表明，回采后堅硬頂板沿空留巷側(cè)向頂板形成不易垮落的懸頂，如果不進行干預(yù)，在上覆巖層的作用下，懸頂回轉(zhuǎn)下沉使沿空留巷圍巖承受因懸頂而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，厚層堅硬頂板懸頂比一般頂板更大，產(chǎn)生的附加應(yīng)力增加，巷道變形嚴重。因此必須在工作面前方進行預(yù)裂切頂，縮短頂板側(cè)向懸臂長度，減弱側(cè)向覆巖的應(yīng)力傳遞，切頂范圍內(nèi)的巖層垮落后充填采空區(qū)，使得沿空留巷圍巖變形能顯著減小，并形成留巷的外幫(非采幫側(cè))，切頂留巷圍巖結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 切頂留巷圍巖結(jié)構(gòu)

對于厚層堅硬頂板無煤柱切頂留巷，要做到：①“充得滿”，切頂后，在巖石碎脹作用下，切下來的懸頂充滿工作面端頭區(qū)域，形成非采幫，并限制高位巖層的運動；②“切得下”，通過設(shè)置角度合適的切頂縫，將頂板切下來；③“非對稱”的主動支護和被動支護，沿空留巷區(qū)域的圍巖結(jié)構(gòu)是非對稱的，要控制圍巖變形，其支護也必須是非對稱的，找準支護的關(guān)鍵區(qū)域；④“擋得住”，切下來的頂板要限制其位置，不能進入所留設(shè)的巷道中。

3.1 厚層堅硬頂板切頂厚度設(shè)計

對于厚層堅硬頂板，采用頂板定向切縫技術(shù)切斷巷道側(cè)上方直接頂或部分直接頂，當計算的高度高于直接頂，則需要切落部分基本頂，減少懸臂長度，使得冒落的懸臂在工作面端頭區(qū)域形成墊層，具有碎脹特性的墊層能對上覆巖層起到有效支撐作用，保持基本頂?shù)姆€(wěn)定。

切頂高度h根據(jù)碎脹系數(shù)按下式進行計算：

h=(m-Δh1-Δh2)/(K-1)

式中，m為煤層采高，m；Δh1為頂板下沉量，m；Δh2為底鼓量，m；K為頂板碎脹系數(shù)，直接頂?shù)乃槊浵禂?shù)取1.35，不考慮頂板下沉量和底鼓量，采高最小2.8m，考慮一定的富裕系數(shù)，按照采高3m計算，考慮0.1m誤差的情況下，可得h為8.7m，故切頂高度為8.7m。從柱狀圖來看，切頂厚度位于直接頂10.68m的細砂巖之內(nèi)。

3.2 厚層堅硬頂板切頂角度設(shè)計

切頂角度是切縫線與垂直線之間的夾角，為了使切縫后采空區(qū)頂板能順利垮落，切頂角度α要根據(jù)覆巖結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，當切落頂板厚度小于直接頂?shù)暮穸?，由于直接頂在采空區(qū)形成懸頂，不存在鉸接結(jié)構(gòu)，因此直接頂在工作面回采后容易垮落，其切頂角度α一般不大于10°，若切頂高度大于直接頂，要切落具有鉸接作用的基本頂，則需要根據(jù)砌體梁和圍巖結(jié)構(gòu)S-R穩(wěn)定理論計算切頂角度，所計算的切頂角度α一般要大于直接頂?shù)那许斀嵌龋许斀嵌仍?5°左右。根據(jù)4307工作面所計算的切頂厚度的實際情況，切頂角度設(shè)計成8°夾角，距巷中1800mm(偏采幫)，距幫部450mm。為減少切頂爆破對頂板采幫側(cè)錨索的破壞，孔間距為500mm。

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定向上集中受拉，實現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。預(yù)裂切縫使用隔孔爆破方式進行爆破，預(yù)每孔采用5根雙向聚能管(6.7m)，共裝14卷炸藥進行預(yù)裂爆破，布置方式從上往下為“4-3-3-3-1”，炮泥封堵長度為2m，爆破孔位置位于巷道頂板兩根錨索之間，與其相距600mm。

3.3 厚煤層堅硬頂板非對稱支護設(shè)計

根據(jù)沿空留巷的圍巖結(jié)構(gòu)和工作面前后支承壓力顯現(xiàn)的不同，沿空留巷的補強支護和工作面前后的臨時加強支護體現(xiàn)出非對稱的支護特性。切頂留巷非采幫部不能有效支撐巷道頂板，雖然進行了切頂，但懸頂結(jié)構(gòu)依然存在，懸頂結(jié)構(gòu)仍受到上覆巖層載荷的作用，其變形仍然是非采幫側(cè)頂板變形量大，因此，在頂板錨索補強、單元支架臨時支護等均要采用非對稱支護。考慮到工作面附近支承壓力的特征、巷道圍巖結(jié)構(gòu)的變化等，運輸平巷的臨時支護可以分成三個區(qū)域，超前支護區(qū)，架后臨時支護區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，非對稱支護設(shè)計如圖7所示。

圖7 非對稱支護設(shè)計(mm)

3.3.1 巷道頂板非對稱錨索補強支護

錨索長度設(shè)計為切頂高度8.7m+2.0m+外露長度150mm，錨索設(shè)計長度為10.85m。采用頂板打設(shè)三排?21.8mm×10850mm普通錨索配合木墩支護，距巷中1.8m施工8700mm切頂孔，三排錨索中間排中線偏非采幫300mm，間距1000mm，采用W鋼帶連接成一條直線；采幫側(cè)中線偏采幫1300mm，間距800mm，采用W鋼帶連接成一條直線；非采幫側(cè)中線偏非采幫1800mm，間距1600mm。

3.3.2 巷道頂板非對稱臨時支護

根據(jù)以往深井工作面回采現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對不同支護區(qū)進行設(shè)計，超前支護區(qū)位于工作面前方120m，架后臨時支護區(qū)在架后0～300m區(qū)間，成巷穩(wěn)定區(qū)位于架后300m之后。

超前支護區(qū)巷道采用單元支架支護，采用一列ZQ4000/20.6/45型液壓單元支架布置距巷中1.9m(偏非采幫)，間距4.0m。臨時支護區(qū)巷道位于工作面后方影響區(qū)，根據(jù)4307工作面生產(chǎn)條件實際情況，留巷段采用一列單元支架+一列單體支柱支護，單元支架距巷中0.7m(偏采空側(cè))、間距4.0m，超前和臨時支護區(qū)單元支架的初撐力為24MPa。單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護，距巷中1.5m(偏非采幫)一梁兩柱，單體液壓支柱的初撐力為11MPa。留巷穩(wěn)定區(qū)每隔2m保留一排“一梁兩柱”。

3.3.3 巷道非采幫擋矸支護

擋矸采用鋼筋網(wǎng)配合U型鋼進行聯(lián)合擋矸支護，U型鋼排距500mm。鋼筋網(wǎng)采用直徑為6mm的鋼筋焊接網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)尺寸為4200mm×2000mm，鋼筋網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)之間重疊100mm，鋼筋網(wǎng)與原支護的鋼筋網(wǎng)搭接，之間布置廢舊風筒布，用于采空區(qū)的防風，滯后30m進行噴漿支護。

U型鋼長2.6m，采用兩副特制卡攬連接，卡攬上下沿距U型鋼搭接端頭各100mm，搭接長度不小于0.7m。U型鋼底部埋入底板以下不少于300mm，上部焊接300mm圓鋼插入頂板不少于150mm。

4 無煤柱切頂留巷工程應(yīng)用

4.1 留巷圍巖變形分析

為了驗證上述無煤柱切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)場的應(yīng)用效果，在4307工作面軌道運輸平巷設(shè)計兩個礦壓監(jiān)測斷面，第一個位于工作面位置，該工作面距離切眼200m，在該斷面設(shè)計6個觀測點用來觀測留巷頂板、兩幫和底板的變形量，第二個位于工作面前方120m，在該斷面設(shè)計2個觀測點用來監(jiān)測錨索工作阻力，斷面內(nèi)各觀測點的位置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測斷面設(shè)計(mm)

切頂留巷錨索工作阻力變化規(guī)律如圖9所示，錨索在超前工作面50m時開始變化并迅速增大，工作面推過該斷面后，在工作面后方40m之內(nèi)錨索工作阻力變化明顯，說明在該范圍內(nèi)覆巖運動劇烈，在工作面推過約240m后，錨索工作阻力趨于穩(wěn)定。沿空側(cè)和巷道中心線位置的錨索工作阻力的變化曲線表明，錨索工作阻力沿空側(cè)頂板大于巷道中心位置，說明沿空側(cè)頂板變形大于非沿空側(cè)。切頂留巷頂板變形量如圖10所示，滯后工作面30m之內(nèi)頂板變形相對平緩，在30～100m范圍內(nèi)頂變形速度快，在100～240m范圍內(nèi)變形速度趨于平緩。留巷基本穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為沿空側(cè)282mm。從實體幫側(cè)、巷道中心線和沿空側(cè)頂板下沉量變化規(guī)律可以看出，頂板變形量從實體幫側(cè)向沿空側(cè)呈增加趨勢，穩(wěn)定后可以看出沿空側(cè)比實體幫側(cè)下沉量增加約130mm。錨索工作阻力和頂板變形量均表明：堅硬頂板切頂留巷頂板受力和變形均呈現(xiàn)非對稱特征，因此采用非對稱支護的思路是正確的。

圖9 切頂留巷錨索工作阻力

圖10 切頂留巷頂板變形量

切頂留巷兩幫的變形量如圖11所示，工作面后部25～50m段兩幫變形速度快，說明該段巷道在靜壓和動壓的雙重作用下，巷道兩幫擠出嚴重。工作面后部100m處，兩幫的變形趨于穩(wěn)定，實體幫變形最大值約460mm，矸石幫變形最大值約270mm，底鼓量約380mm。在實體幫比矸石幫變形量大主要原因是頂板的載荷主要由實體幫承載，并轉(zhuǎn)移至底板，造成了實體幫和底板變形量比矸石幫大。

圖11 切頂留巷兩幫變形量

4.2 留巷效果分析

4307軌道運輸平巷留巷穩(wěn)定后，巷道斷面最終尺寸約為3970mm×3200mm，較原斷面收縮約22.1%，由于4307軌道運輸平巷在設(shè)計時已考慮留巷時的斷面收縮，原斷面設(shè)計比實際使用斷面要大，通過對底鼓量較大的底板進行臥底、對變形較大的實體幫部進行刷幫等措施，處理后使得斷面能滿足使用要求。

5 結(jié) 論

1)相似材料表明，厚表土堅硬頂板采場側(cè)向覆巖結(jié)構(gòu)隨著工作面長度不同呈現(xiàn)出“L”型、“三角形”和“類三角形”等懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于厚表土位于3下煤覆巖裂隙帶之上的彎曲下沉帶內(nèi)，厚表土作為給定載荷基本對覆巖運動影響較小。厚層堅硬頂板的懸臂梁結(jié)構(gòu)對沿空留巷影響較大，必須對懸臂梁進行切頂處理。

2)對厚層堅硬頂板無煤柱切頂留巷提出了“充得滿”“切得下”“非對稱”支護和“擋得住”四項關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)4307工作面實際情況對這四項關(guān)鍵技術(shù)進行了設(shè)計，給出了確定設(shè)計參數(shù)。

3)厚層堅硬頂板無煤柱切頂留巷工程實踐表明，滯后工作面30m內(nèi)頂板變形相對平緩，在30～100m范圍內(nèi)頂變形速度快，在100～240m范圍內(nèi)變形速度趨于平緩。監(jiān)測表明，實體幫和底鼓量變形較大，頂板和矸石幫變形較小。4307軌道運輸平巷留巷穩(wěn)定后，較原斷面收縮約22.1%。由于4307軌道運輸平巷在設(shè)計時已考慮留巷時的斷面收縮，原斷面設(shè)計比實際使用斷面要大，因此留巷收縮后的斷面基本能滿足回采復(fù)用的要求。