劉躍東

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

0 引言

沿空留巷是指采用一定支護(hù)技術(shù)，沿上一個(gè)工作面采空區(qū)邊緣保留原有巷道，供下一個(gè)工作面復(fù)用的一種無煤柱開采方式[1]。作為煤礦綠色開采的一種方式，沿空留巷技術(shù)已經(jīng)在薄及中厚煤層大量應(yīng)用。其中，留巷的成敗關(guān)鍵在于巷旁充填體的選擇。巷旁充填體最初采用木垛、單體支柱、矸石墻等被動(dòng)支護(hù)方式[2]，這些方式無法控制頂板巖層移動(dòng)，尤其當(dāng)巷道高度變大時(shí)，此類型巷旁支護(hù)存在施工難度大、穩(wěn)定性差、支撐能力弱等問題，因此限制了沿空留巷技術(shù)在中厚煤層中的推廣應(yīng)用。目前巷旁支護(hù)主要有柔?；炷翂?、柔模高水墻、鋼管混凝土墩柱、套管高水墩柱等主動(dòng)支護(hù)方式[3-6]，這些方式機(jī)械化水平高、施工速度快、留巷效果好。從巷旁充填體結(jié)構(gòu)而言，混凝土墻體由不同配比的C20～C40混凝土構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)，外側(cè)對(duì)拉錨桿和鋼筋梯子梁等護(hù)表構(gòu)件形成外約束，高水墻體采用水灰比3∶1～1.5∶1的高水材料配制而成，墩柱采用鋼管和套管等外約束構(gòu)件形成外部結(jié)構(gòu)。

巷旁充填體強(qiáng)度的理論依據(jù)目前主要有分離巖塊力學(xué)模型、頂板傾斜力學(xué)模型、矩形疊加層板彎矩破壞力學(xué)模型、煤體極限平衡梁力學(xué)模型、彈性薄板力學(xué)模型等[7-11]。這些模型中的核心參數(shù)均與頂板斷裂線位置有關(guān)，因此學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。

王紅勝[12]分析了頂板斷裂位置存在的4種情況，通過理論研究和數(shù)值模擬證明斷裂位置處于巷道頂板上方時(shí)，巷旁支護(hù)受力最大，頂板受壓變形可錨性差。張東升等[13-14]發(fā)現(xiàn)采用高強(qiáng)錨桿錨索主動(dòng)支護(hù)與工字鋼棚被動(dòng)支護(hù)相比，頂板斷裂線向采空區(qū)方向偏移，頂煤硬度的增加會(huì)實(shí)現(xiàn)頂板穩(wěn)定承載，斷裂線偏向巷道內(nèi)。文志杰等[15]通過“斷裂拱”和“應(yīng)力拱”對(duì)充填體和煤體的受力時(shí)空特征分析，提出了煤體上方“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”和“外應(yīng)力場(chǎng)”的力學(xué)概念。柏建彪等[16]在傳統(tǒng)頂板“O-X”斷裂基礎(chǔ)上，得出了沿空留巷頂板“關(guān)鍵塊B”的斷裂位置和跨度。陳勇[17]分析了沿空留巷全生命周期內(nèi)煤柱的受力和變形特點(diǎn)，提出頂板活動(dòng)經(jīng)歷3個(gè)階段，并根據(jù)“關(guān)鍵塊B”建立相應(yīng)關(guān)鍵塊穩(wěn)定模型。張農(nóng)等[18]對(duì)不同階段采取分區(qū)治理手段，保證圍巖“大-小結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定，其中小結(jié)構(gòu)的范圍與斷裂線位置密切相關(guān)。殷帥峰等[19]采用無巷旁充填支護(hù)對(duì)沿空留巷頂板斷裂位置力學(xué)解析和數(shù)值計(jì)算，以剪應(yīng)力最大確定斷裂位置。韓昌良等[20]采用爆破方式人工干預(yù)頂板斷裂位置，降低懸臂長(zhǎng)度、減小附加載荷。

上述研究對(duì)頂板斷裂位置研究具有重要意義，但由于頂板斷裂位置不可見，大多采用理論分析、相似模擬和數(shù)值模擬等手段，現(xiàn)場(chǎng)通過打鉆方法確定斷裂線位置，施工難度大、觀測(cè)效果差。鑒于此，筆者以何家塔煤礦淺埋深中厚煤層為例，通過煤柱安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)方式，反演頂板破裂過程中煤柱受力過程，從中確定頂板斷裂位置，進(jìn)而得出合理巷旁支護(hù)強(qiáng)度。

1 工作面留巷情況介紹

何家塔煤礦主采煤層為5-2煤層，埋深86～245 m，平均156 m，煤厚2.6～3.6 m，平均煤厚3.2 m，煤層傾角1°～5°，直接頂為13.5 m厚的粉砂巖，零星分布粉砂巖、中粒砂巖，直接底為10 m厚的砂質(zhì)泥巖，遇水強(qiáng)度降低，基本頂為中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖等中厚層狀穩(wěn)定巖層。工作面頂?shù)装逯鶢钜妶D1。

圖1 頂?shù)装逯鶢?/p>

留巷巷道為50108工作面運(yùn)輸巷，寬度5.5 m，高度3.2 m，在工作面?zhèn)却蛟O(shè)直徑800 mm混凝土墩柱，間距1.3 m，巷道支護(hù)斷面見圖2。

圖2 50108工作面運(yùn)輸巷支護(hù)斷面

2 留巷頂板斷裂演化模型

根據(jù)地質(zhì)資料，何家塔煤礦50108工作面直接頂屬于淺埋、厚硬頂板，當(dāng)其來壓破斷后，斷裂位置一般處于巷道實(shí)體煤柱上方，同時(shí)其懸臂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)分次斷裂情況，需對(duì)其破斷演化過程進(jìn)行分析。

2.1 工作面超前來壓

工作面來壓階段為沿空留巷第二階段，第一階段為掘巷階段，巷道變形不大，變形量可忽略。受超前支承壓力的作用，沿空留巷巷道煤柱側(cè)壓力開始增加，此時(shí)未超過煤體極限強(qiáng)度，煤柱側(cè)應(yīng)力峰值不斷增加，見圖3(a)。

2.2 工作面滯后一次斷裂

隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板開始彎曲下沉，形成三邊固支、一邊懸空的薄板，在滯后工作面周期來壓步距內(nèi)，發(fā)生“O-X”破斷，由于頂板較為堅(jiān)硬，頂板斷裂的位置位于實(shí)體煤柱側(cè)，此時(shí)煤壁已經(jīng)發(fā)生屈服破壞，進(jìn)入塑性區(qū)并產(chǎn)生“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”，煤柱的壓力會(huì)發(fā)生一次突降。根據(jù)懸臂梁理論，在懸臂鉸結(jié)點(diǎn)處力矩為0，此時(shí)對(duì)下方煤柱的壓力最低。因此，壓力下降的位置為頂板斷裂的位置，見圖3(b)，根據(jù)破斷后形成的“弧形三角塊”，可根據(jù)式(1)計(jì)算出關(guān)鍵塊B的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

(1)

式中：S1——內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，m；

h——采高，取3.2 m；

A——側(cè)壓系數(shù)，取0.3；

K——應(yīng)力集中系數(shù)，取2；

γ——上覆巖層平均體積力，25 MN/m3；

M——埋深，取156 m；

c0——煤體內(nèi)聚力，取0.5 MPa；

φ0——煤體內(nèi)摩擦角，取27°；

P——煤幫支護(hù)強(qiáng)度，取0.15 MPa。

根據(jù)計(jì)算可得，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)S1大小為2.4 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，關(guān)鍵塊B的側(cè)向長(zhǎng)度L近似等于周期來壓步距，何家塔工作面實(shí)測(cè)周期來壓步距為11～15 m，因此L大小介于11～15 m。

2.3 工作面滯后二次斷裂

在工作面發(fā)生周期性破斷后，采空區(qū)矸石、巷旁墩柱、巷內(nèi)支護(hù)、煤體共同承擔(dān)頂板壓力。當(dāng)巷旁支護(hù)體強(qiáng)度較大時(shí)，頂板主要為“限定變形”，當(dāng)支護(hù)體強(qiáng)度較小時(shí)，頂板主要為“給定變形”。在更高層位巖層垮落壓力加載下，基本頂關(guān)鍵塊B會(huì)發(fā)生斷裂，高強(qiáng)高剛度巷旁充填體支撐會(huì)起到切頂作用。此時(shí)關(guān)鍵塊B的長(zhǎng)度減小，破斷為B1和B2，煤柱的載荷會(huì)發(fā)生二次降低。因此，對(duì)煤柱壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可得出頂板二次斷裂的時(shí)機(jī)和位置見圖3(c)。

注: 頂板發(fā)生“O-X”破斷，破斷成A、B、C三塊。A塊處于實(shí)體煤柱上方，B快處于巷道上方，C塊處于采空區(qū)上方。 S1為內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，S2為應(yīng)力升高區(qū)，S3為應(yīng)力降低區(qū)圖3 留巷頂板斷裂結(jié)構(gòu)

3 巷旁支護(hù)載荷與強(qiáng)度計(jì)算

3.1 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

傳統(tǒng)的“分離巖塊法”計(jì)算巷旁載荷，表示沿空留巷巷旁充填體上方4倍采高范圍內(nèi)分離巖塊的重量構(gòu)成了巷旁充填體荷載，更高層位沒有力的傳遞。其優(yōu)點(diǎn)為參數(shù)少，在薄及中厚煤層應(yīng)用較廣，缺點(diǎn)為假設(shè)斷裂位置在煤壁側(cè)，未考慮斷裂位置和實(shí)體煤柱的支撐。根據(jù)沿空留巷力學(xué)模型(圖4)，可由式(2)計(jì)算出實(shí)際載荷：

圖4 沿空留巷力學(xué)模型

式中：q原——傳統(tǒng)巷旁支護(hù)強(qiáng)度，kN/m；

H——直接頂厚度，一般為4倍采高，m；

θ——破斷角，取26°；

bB——留巷后寬度，取4.7 m；

x——巷旁支護(hù)寬度，取0.8 m；

bc——懸頂長(zhǎng)度，取4.5 m；

h——煤層厚度，m；

γ——上覆巖層平均體積力，取25 MN/m3。

考慮實(shí)體煤柱支撐，根據(jù)力矩和力平衡，建立的方程見式(3)、式(4)和式(5)：

式中：qx——改進(jìn)巷旁支護(hù)強(qiáng)度，kN/m；

bM——斷裂線進(jìn)入實(shí)體煤柱位置，m；

σ——煤體承載強(qiáng)度，kN/m2；

Q——上方巖層對(duì)分離巖塊的載荷，kN/m2。

根據(jù)上述公式，當(dāng)bM為0時(shí)，Q為γ×4h時(shí)，上述推導(dǎo)公式(4)和傳統(tǒng)“分離巖塊法”公式(1)計(jì)算的結(jié)果一致。

根據(jù)理論計(jì)算，qx為4 790 kN/m，巷旁墩柱為不連續(xù)支護(hù)，墩柱中對(duì)中距離為1.3 m，因此墩柱載荷為6 227 kN，當(dāng)考慮動(dòng)載1.2倍系數(shù)后，需要承擔(dān)載荷7 473 kN。

3.2 巷旁支護(hù)強(qiáng)度實(shí)測(cè)

為了測(cè)試墩柱的極限強(qiáng)度，制作直徑800 mm、高度3 000 mm的混凝土墩柱，主體結(jié)構(gòu)C30等級(jí)混凝土，外部結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)約束套管，在煤炭科學(xué)研究總院采育園區(qū)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行1∶1測(cè)試(圖5)，試驗(yàn)機(jī)壓力可達(dá)20 000 kN，壓力機(jī)采用位移加載方式，位移控制速率為10 mm/min，墩柱受力與變形曲線如圖6所示。

圖5 墩柱試驗(yàn)

圖6 墩柱受力與變形曲線

從圖6可以看出，墩柱加載會(huì)呈現(xiàn)“全應(yīng)力應(yīng)變”曲線，尤其是存在峰后殘余強(qiáng)度，這與傳統(tǒng)混凝土呈現(xiàn)脆性破壞不同，主要原因?yàn)橥獠坎捎脛傂蕴坠芗s束，保證了殘余承載能力。當(dāng)變形為46 mm時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到8 030 kN，此時(shí)內(nèi)部出現(xiàn)破壞，但整體性較好。在峰后段，出現(xiàn)套管變皺、頂部漲大現(xiàn)象，主要與頂板應(yīng)力集中有關(guān)，中下部并未發(fā)生破壞。因此，后續(xù)頂部應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)計(jì)，最終墩柱殘余變形達(dá)160 mm。

4 留巷頂板壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 煤柱應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)

為了監(jiān)測(cè)煤柱側(cè)壓力變化，在不同位置、不同深度安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，在距工作面1 900 m和1 850 m位置處安裝不同深度(3 m、6 m、9 m、11 m)鉆孔應(yīng)力計(jì)，每個(gè)鉆孔間距為2 m，在距工作面1 800 m和1 750 m位置處安裝不同深度(2 m、5 m、8 m、11 m)鉆孔應(yīng)力計(jì)，每個(gè)鉆孔間距也為2 m。工作面推進(jìn)方向?yàn)? 900 m→1 750 m。鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝如圖7所示，不同位置鉆孔應(yīng)力計(jì)受力如圖8所示。

圖7 鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝

圖8 不同位置鉆孔應(yīng)力計(jì)受力情況

圖8中橫坐標(biāo)數(shù)值負(fù)值代表滯后工作面，正值代表超前工作面。由于9 m、11 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)應(yīng)力變化不大，因此不重點(diǎn)分析。從圖8可以得出以下結(jié)論。

(1)受超前支承壓力的作用，沿空留巷巷道煤柱側(cè)壓力從25 m處開始增加，工作面超前壓力并不大，應(yīng)力上升較慢，主要影響階段為滯后段。距工作面1 900 m位置處由于處在7聯(lián)巷交叉口，受超前影響較早、較大，在超前工作面70 m處，3 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)有應(yīng)力增加。

(2)除距工作面1 900 m位置處鉆孔外，所有3 m深度的鉆孔來壓系數(shù)均大于6 m深度的鉆孔來壓，3 m位置處應(yīng)作為支護(hù)的主控區(qū)。

(3)以距工作面1 900 m位置處鉆孔為例，3 m鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面6 m出現(xiàn)應(yīng)力第一次下降，表明端頭頂板在煤柱3 m處發(fā)生斷裂；3 m、9 m鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面43 m處應(yīng)力第二次下降，表明發(fā)生二次斷裂，兩次斷裂間距37 m。

以距工作面1 800 m位置處鉆孔為例，煤柱2 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面5 m處出現(xiàn)應(yīng)力第1次下降，表明端頭頂板在2 m處發(fā)生斷裂；2 m、5 m、9 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面46 m處應(yīng)力第2次下降，表明發(fā)生2次斷裂，2次斷裂間距41 m。

以距工作面1 750 m位置處鉆孔為例，煤柱2 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面0 m處出現(xiàn)應(yīng)力第1次下降，表明端頭頂板在2 m處發(fā)生斷裂；2 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)在滯后工作面32 m處應(yīng)力第2次下降，表明發(fā)生2次斷裂，2次斷裂間距32 m。

對(duì)比3 m和2 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)變化規(guī)律，說明距離煤壁幫越近，滯后壓力影響越大，產(chǎn)生破壞的時(shí)機(jī)越提前。

(4)3 m和2 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)在應(yīng)力降低后，應(yīng)力會(huì)繼續(xù)上升，說明煤柱進(jìn)入塑性區(qū)，依然可以承載。一方面與何家塔煤礦煤體較為堅(jiān)硬有關(guān)，在加卸載作用下，在錨桿等護(hù)表構(gòu)件側(cè)向約束作用下，煤體即使破碎仍能保持塊狀，實(shí)現(xiàn)有效承載。另一方面與整體支護(hù)系統(tǒng)有效有關(guān)，巷內(nèi)強(qiáng)力錨桿錨索、單元支架、巷旁強(qiáng)力墩柱，共同組成穩(wěn)定性較高的支護(hù)系統(tǒng)。

(5)根據(jù)鉆孔應(yīng)力計(jì)后續(xù)監(jiān)測(cè)，應(yīng)力在巷道150 m后開始穩(wěn)定，說明頂板活動(dòng)穩(wěn)定范圍在滯后工作面150 m，按照10 m/d推進(jìn)度計(jì)算，滯后影響期為15 d。

4.2 墩柱應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)

為了證明頂板的分次斷裂，對(duì)巷旁支護(hù)墩柱的受力進(jìn)行大量監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)采用KSE-II型測(cè)力計(jì)，為了保護(hù)油壓枕，加工保護(hù)裝置并置于墩柱頂部和頂板之間，在混凝土泵注過程中完成安裝。現(xiàn)對(duì)主要出現(xiàn)的2種受力形式進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)墩柱受力曲線

(1)混凝土墩柱經(jīng)歷了“增-減-增”3個(gè)階段，墩柱的受力與頂板的活動(dòng)密切相關(guān)。圖9(a)的壓力曲線出現(xiàn)次數(shù)較多，根據(jù)頂板的活動(dòng)規(guī)律，呈現(xiàn)相應(yīng)的受力特征，圖9(b)壓力曲線出現(xiàn)次數(shù)較少，分析可能原因?yàn)槭┕そ禹斝Ч^差，前期由相鄰接頂效果好墩柱承載，后期相鄰墩柱產(chǎn)生讓壓后，開始起主要承載功能。

(2)以距工作面1 815 m位置處墩柱為例，在滯后工作面39 m處達(dá)到峰值應(yīng)力7 000 kN，隨后壓力下降至4 750 kN。說明在39 m處，上覆巖層的載荷導(dǎo)致端頭頂板的二次斷裂。由于墩柱滯后打設(shè)，未能捕捉到第一次斷裂過程。

(3)以距工作面1 840 m位置處墩柱為例，在滯后工作面120 m處墩柱達(dá)到峰值應(yīng)力3 000 kN，隨后壓力下降至1 850 kN，說明在120 m處，更高層位的頂板仍會(huì)破斷，破斷后頂板懸臂梁長(zhǎng)度降低，墩柱受力降低。最終壓力達(dá)到8 500 kN，現(xiàn)場(chǎng)墩柱并未破壞，說明承載能力至少在8 500 kN以上。

5 結(jié)論

結(jié)合何家塔煤礦50108工作面頂板結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定了沿空留巷端頭頂板斷裂位置，得出了以下沿空留巷規(guī)律：

(1)通過“O-X”理論，計(jì)算得出破斷位置在實(shí)體煤柱側(cè)2.4 m，現(xiàn)場(chǎng)以鉆孔應(yīng)力計(jì)讀數(shù)降低的位置作為破斷位置，實(shí)測(cè)破斷位置在2～3 m；

(2)根據(jù)理論計(jì)算墩柱載荷為7 473 kN，實(shí)驗(yàn)室1∶1比例測(cè)試強(qiáng)度為8 030 kN，在剛性約束套管作用下，墩柱呈現(xiàn)塑性破壞特征；

(3)根據(jù)煤柱應(yīng)力計(jì)2次讀數(shù)降低，反演頂板2次破斷過程，通過巷旁支護(hù)墩柱應(yīng)力變化驗(yàn)證此過程，破斷間距為32～41 m；

(4)巷旁墩柱經(jīng)歷2～3次應(yīng)力變化，當(dāng)墩柱強(qiáng)度快速上升時(shí)，能夠有效承擔(dān)頂板壓力，頂板破斷回彈后，墩柱壓力也發(fā)生下降；在滯后工作面120 m處，更高層位的頂板仍會(huì)破斷，同樣會(huì)引起壓力的下降。