厚煤層區段小煤柱切頂護巷研究及應用

楊竹軍

(山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000)

隨著我國煤炭資源開采可持續發展戰略的實施，無煤柱開采形式被廣泛應用，受限于不同煤田的瓦斯賦存和煤層自燃等條件，留設小煤柱的沿空掘巷技術具有較好的適應性。采用留設區段小煤柱沿空掘巷方式，巷道經歷多次動載擾動，巷道的穩定性控制已經成為亟需解決的關鍵問題。近年來，專家學者對沿空掘巷穩定分析以及小煤柱巷道圍巖控制技術進行了大量的研究，并取得了一定的研究進展。鄭西貴[1]等基于理論分析與FLAC3D數值模擬相結合的方法，研究了不同寬度護巷煤柱沿空掘巷掘采過程中的應力場分布規律。馬其華[2]等提出了深井小煤柱護巷機理以及巷道支護技術，從理論上證明了采用小煤柱護巷技術及高強錨桿支護方式可以有效的保證沿空巷道的穩定性。李迎富[3，4]等通過建立沿空留巷關鍵塊力學模型，推導出巷旁支護阻力計算公式。蔡峰[5]等研究了切頂阻力對頂板斷裂位置的影響。查文化[6]等探究了基本頂斷裂線位置與關鍵塊轉角和煤柱上覆載荷之間的關系。殷帥峰[7]等研究了基于基本頂斷裂位置的綜放窄煤柱煤巷非對稱支護技術。謝承煜[8]等對緩斜極厚礦體開采安全切頂厚度進行了研究。基于上述研究成果本文以長平礦43092巷為研究對象，進行小煤柱巷道安全留設研究。長平礦屬于高瓦斯礦井不宜采用爆破方式切頂，水壓致裂切頂工程量較大，因此采用超前鉆孔預裂切縫施工方法對4309工作面上覆巖層進行切頂。

1 工程概況

長平煤礦3#煤層平均埋深為500m，煤層平均厚度5.75m，工作面的長度為200m，采用綜合機械化放頂煤開采，采煤機割煤高度為3m，放煤高度為2.75m。4309工作面煤層的頂底板巖性相差不大，裂隙發育不大，主要表現為：頂板是砂質泥巖，穩定性較差，結構比較軟，強度不高，容易受到風化等作用的影響。底板主要為泥巖，還含有一定的粉砂巖和細粒砂巖，煤層的結構柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖綜合柱狀圖

Ⅲ4309工作面長度為200m(兩側巷道中線間距)，凈長度為194.9m；推進長度為638.254m(切眼中線至終采線)，凈推進長度為638.254m。工作面采用三巷布置，工作面通風方式為偏“Y”型，兩進一回，工作面巷道均直接(或通過風橋)與盤區巷道相搭接。工作面運輸進風巷Ⅲ43093巷擔負進風、運煤、供電、供水任務；工作面輔助進風巷Ⅲ43092巷擔負供液、進風、供水、運料任務；工作面回風巷Ⅲ43091巷擔負回風任務。工作面巷道、切眼均沿煤層底板掘進。其中，Ⅲ43093巷與Ⅲ43092巷在初始工作面前170m范圍為6m區段小煤柱段，巷道設計斷面尺寸為4.4m×3.2m(寬×高)，Ⅲ43093巷、通風橫川為一次使用巷道，Ⅲ43092巷為留巷巷道工作面，布置如圖2所示。

圖2 43092巷道布置圖

2 沿空掘巷覆巖運移特征

錢鳴高院士提出的關鍵層理論認為在煤層頂板中，上覆巖層的厚度和力學特性有很多的差別，主要是因為巖石的礦物成分和成巖環境不同引起的。但是上覆巖層中一定存在一種比較堅硬且有一定厚度的巖層起著主要的作用。這些巖層的破斷對采場的礦壓和運移起著決定性的作用。依據上述提出的理論基礎，錢鳴高院士提出了關鍵層在剛度及強度條件下的判別準則和方法。實踐證明，關鍵層理論的基本方法和原理應用在研究綜放小煤柱上覆巖體大結構穩定性方面是適宜的。但與綜放采場相比，綜放小煤柱圍巖結構具有特殊性，因此在解決長平煤礦綜放小煤柱問題時，必須綜合考慮其特殊條件和具體情況。

2.1 小煤柱護巷頂板覆巖結構分析

研究普遍認為綜放小煤柱上覆巖體在工作面回采后的破斷過程為：上區段工作面回采時工作面未放出的頂煤作為墊層隨工作面推進承受支承壓力首先垮落。上區段工作面回采完成后直接頂與基本頂發生離層，直接頂下沉開始不規則垮落。直接頂垮落完畢以后，基本頂逐漸開始彎曲下沉規則垮落，斷裂位置在煤壁內側上覆巖體中產生。在采空區側形成砌體梁結構，由塊體A、B、C鉸接組成的小結構支撐體，如圖3所示。

圖3 沿空巷道上覆巖層結構示意圖

從圖3中可以看出來，沿空巷道的穩定狀況主要是受到關鍵塊B的影響，關鍵塊B的下沉運動將直接影響其下的直接頂的穩定性。圖中塊體A為上覆巖層的基本頂巖層，塊體B為兩個相鄰工作面在靠近采空區側形成的弧形關鍵塊，塊體C為采空區上方基本頂斷裂塊。小煤柱穩定性主要受到塊體B的影響。關鍵塊B的主要參數有4個：基本頂巖層在工作面推進方向破斷塊體長度L1、基本頂破斷塊體側向跨度L2、斷裂塊體的厚度h和塊體斷裂位置距煤壁的距離x0。可以通過基本頂的破斷形式和基本頂的周期來壓步距綜合確定關鍵塊B的主要參數[10]。

2.1.1 確定參數L1

基本頂周期來壓的步距就是基本頂巖層工作面推進方向破斷塊體的長度，L1的具體數值計算為：

式中，h為基本頂的厚度，m；R1為基本頂的抗拉強度，MPa；q為基本頂單位面積承受的載荷，MN/m2。

4309工作面基本頂厚度為h=11.76m，基本頂的抗拉強度為R1=5.69MPa，基本頂單位面積承受的載荷為q=1.28MN/m2。將有關參數帶入式(1)得到破斷塊體B的長度為14.32m。

2.1.2 確定參數L2

然而，式(1)和式(2)在使用過程中，卻面臨故障點電弧消弧及去游離時間txyl難以確定的困難。大多僅能依靠經驗，在現場工程中為了提升斷路器重合閘成功率，保證在斷路器重合閘后瞬時性故障已經可靠消除，單側電源線路重合閘動作時間一般取0.8～1 s。

基本頂斷裂后在靠近采空區側形成的弧形關鍵塊的懸跨度即為基本頂破斷塊體B的側向跨度L2。運用屈服線分析方法，可以得到L2的長度主要由工作面長度S和基本頂的周期來壓步距L1計算的，計算公式為：

通過對大量的觀測數據對比，當S/L1>6時，基本頂破斷塊體的寬度L1與基本頂周期來壓步距L2大致相等。4309工作面長度為200m，L1為14.32m，帶入公式中可以得到基本頂斷裂塊體B的寬度為16.50m。

2.1.3 確定參數h1

根據對小煤柱上覆巖層結構的分析，基本頂巖層厚度為關鍵塊B的厚度h1。所以關鍵塊B的厚度為11.76m。

2.1.4 斷裂位置確定

煤柱上方關鍵塊斷裂位置可根據支承壓力峰值與煤體邊緣之間的距離x0確定。

式中，K為應力集中系數；γ為巖層重度，kN/m3；H為巷道埋深，m；P1為支架對煤幫的阻力，MPa；m為煤層開采厚度，m；f為煤層與頂底板接觸面的摩擦因數；C0為煤體的內聚力，MPa；φ為煤體的內摩擦角，(°)；ξ為三軸應力系數。

結合4309工作面具體情況得出如下數據：m=5.75m，φ=30.27°，C0=1.6MPa，K=2，γ=23kN/m3，H=510m，P1=0.8MPa，將相關數據帶入式(3)可得x0=5.73m。由計算結果可知，上覆巖層關鍵塊段，斷裂位置在小煤柱正上方，關鍵塊B旋轉下沉過程中對小煤柱施加附加載荷，造成小煤柱穩定性下降，此時巷道圍巖不利于支護[7]。

2.2 切頂高度參數確定

切頂高度要與直接頂垮落高度相適應，既要保證將懸露直接頂切落，同時也要減小工程量。預裂切縫深度臨界公式如下：

△H=(H煤-△H1-△H2)(K-1)(4)

式中，△H1為頂板下沉，m；△H2為底鼓量，m；H煤為煤層厚度，m；K為碎脹系數，一般取1.3～1.5。

根據長平礦4309工作面頂板巖性，設計K=1.4，根據巷道揭露底層及補打鉆孔資料顯示，該工作面煤層厚度變化不大，因此采高取5.75m，將有關參數代入式(4)所得切縫高度為14.8m。工作面頂板到基本頂上層面的距離為15.76m。綜合以上分析鉆孔深度取15m。

2.3 切頂步距參數確定

鉆孔之間的間距決定了切頂效果，鉆孔間距較大時，上覆巖塊切縫面強度無法達到切頂要求，嚴重影響頂板跨落，間距較小時，工程量增加，43092巷道上部巖層較破碎不易經歷多次爆轟影響。根據經驗及本工作面地質條件，選定孔間距為0.5m。

3 頂板預切縫效果分析

根據長平煤礦4309工作面具體工程地質條件，并結合4305工作面已有的礦壓監測結果，根據43092巷道賦存地質條件以及巷道實際形狀，利用有限差分軟件FLAC3D建立三維實體模型，模擬對頂板切割后，工作面回采前后小煤柱周圍巖體的豎直應力場分布，驗證前文的理論計算結果。

3.1 區段小煤柱數值模型

根據長平煤礦4309綜放工作面煤層頂底板的地質情況建立簡化模型。模型由六面體單元構成，計算長×寬×高=332m×30m×30m，共劃分116100個正六面體單元124930個節點，模型限制水平移動，底板固定，模型上表面為應力邊界，施加載荷為12.5MPa，模擬上覆巖層自重邊界，材料破壞符合摩爾-庫倫準則。模擬所采用的巖體力學參數通過實驗室得出。長平煤礦4309工作面煤層及頂底板力學特征見表1。

表1 4309工作面頂底板巖層力學特征表

3.2 模擬切頂前后應力場分析

模擬4309工作面回采時，采空區上覆巖層自然垮落過程中的應力場分布[11]，如圖4所示。工作面回采過程中，上覆巖層失去煤的支撐作用不能維持穩定，逐步破壞斷裂下沉。應力場重新分布，側向支承壓力峰值右移，6m小煤柱及巷道處在應力降低區內，如圖4所示。此時小煤柱支撐上覆弧形關鍵塊的數值計算應力大小為17.5MPa，與理論計算值基本相符。

圖4 側向支承壓力右移示意圖

采用超前切頂技術主動控制關鍵塊B的斷裂線位置，切頂后采空區上覆巖層下降過程中小煤柱應力變化過程如圖5所示，顯然切頂之后采空區側的弧形關鍵塊對煤柱的影響大幅下降，此時小煤柱應力值范圍在7～9MPa之間，與沒有切斷關鍵塊相比降低50%左右。極大地降低了小煤柱所受采動影響以及消弱了弧形關鍵塊B對小煤柱的作用。此時注漿加固后的小煤柱強度足以承載小煤柱所受應力，保證了小煤柱的穩定性。

圖5 切頂后應力分布圖

4 工程應用

根據設計參數，在長平礦Ⅲ43092小煤柱護巷巷道進行現場測試。采用超前鉆孔分離頂板技術，沿小煤柱采空區一側每隔0.5m打一個15m深的鉆孔，以此來達到改變43092巷上覆頂板巖體結構的目的。在掘進過程中，及時給小煤柱注漿，增加小煤柱強度，提高切頂效果。

在周期來壓的作用下，懸伸的上覆巖層沿預裂面切落，切落的矸石落在采空區內實現接頂，這很大程度減小了小煤柱的應力集中程度，使得應力集中向圍巖深部轉移，極大地改善了43092巷的圍巖應力環境，提高了43092巷圍巖穩定性，基本頂斷裂情況如圖6所示。

圖6 基本頂斷裂位置示意圖

現場巷道頂底板移近量測試結果顯示，工作面采動前，巷道頂底板收縮變形小于12mm，隨著工作面采動，變形量逐漸加大，采動影響后最大頂底板移近量小于200mm。隨著工作面推進，周期來壓過后，位移增加趨勢減緩。

43092巷兩幫移近量測試結果顯示，工作面回采前，巷道兩幫收縮量不大于20mm。回采初期，頂板處于穩定狀態，巷道兩幫移近量變化較小，當工作面采過，巷道兩幫位移量開始變大，當工作面推進一定距離，巷道兩幫變形量趨于穩定，最大變形量不超過350mm。

綜上，在掘巷期間和工作面回采期間區段小煤柱及煤柱巷道保持穩定，支護效果良好。由此可見，長平煤礦4309綜放工作面區段6m小煤柱護巷技術，得到了成功的應用，大大提高了工作面的回采率，延長了礦井的服務年限，為其他工作面提供了理論指導。

5 結 論

1)工作面回采后，采空區上覆關鍵層斷裂下沉，在小煤柱上方形成關鍵塊，關鍵塊的斷裂位置不同，導致關鍵塊B對小煤柱的施加附加載荷差異，斷裂位置控制在小煤柱外采空區側可以有效降低小煤柱所受應力載荷。

2)超前鉆孔預切縫技術能更好地適用于高瓦斯礦井小煤柱護巷工程。

3)“加強支護小煤柱+巷內加強支護+超前切縫聯合切頂技術”在小煤柱留設巷道43092巷成功應用，43092巷道在回采期間以及回采以后巷道變形微小，可以為后續礦井生產服務。