深部開采堅硬頂板沿空留巷圍巖運動特征及控制技術

趙大維

【摘 要】 為緩解采面采掘接替緊張局面，針對深部開采堅硬頂板工作面沿空留巷面臨圍巖控制困難問題，文章采用數值模擬技術對留巷巷道圍巖變形特征進行分析，提出針對性巷道圍巖控制技術，并進行了工程應用。研究結果表明：1）深部條件堅硬頂板工作面采用沿空留巷時采空區垮落頂板會加劇留巷段圍巖應力集中程度，留巷段切頂高度以切斷堅硬巖層為宜，就8506運輸巷而言切頂高度宜為5.0m;2）根據8506工作面開采后采動動壓分布特征，提出分段對留巷段圍巖進行控制，具體在采前用高強錨索+單體+切頂卸壓對巷道頂板進行控制，采后用單體+擋矸支柱對圍巖及采空區內矸石進行控制;3）采面后方160m以外留巷圍巖變形基本趨于穩定，此時頂板、巷幫變形量最大值分別為132mm、25mm，巷道斷面收縮率在10%以內。研究成果可為其他深部礦井堅硬頂板工作面沿空留巷工作開展提供可靠經驗借鑒。

【關鍵詞】 深部開采;堅硬頂板;沿空留巷;圍巖變形;切頂卸壓;補強支護

眾多研究學者對沿空留巷技術展開研究，并提出了高水充填、膏體充填以及柔模混凝土充填等留巷技術方法。本文采用數值模擬技術對深部開采堅硬頂板沿空留巷圍巖運動特征進行分析，并根據研究成果提出針對性圍巖控制技術。

1工程概況

山西某礦8506綜采工作面位于南翼5采區，采面設計回采長度為1460m，切眼長度為190m。采面開采的8號煤埋深在720～930m，煤厚2.1m，傾角6°，硬度（f值）0.8～1.2，賦存較為穩定。在8506綜采工作面開采范圍內地質構造不發育，煤層瓦斯含量8.9m3/t，采面開采煤層具有地應力高、埋深深特點，頂底板巖性以堅硬的石灰巖為主，具體煤層頂板巖層巖性綜合柱狀圖見圖1。

2切頂卸壓留巷圍巖變形分析

為了給后續采面巷道留巷工作開展提供指導，文中采用FLAC3D軟件對切頂高度0m（不切頂）、3m、5m、8m等不同間距時沿空留巷巷道圍巖變形特征進行分析。

2.1模擬模型構建

構建的模擬模型長400m、高200m，具體模擬中煤巖參數見表1。

根據采面開采的8號煤層埋深，在模型上部施加16.8MPa垂向應力代表上覆巖層載荷，模型上部為自由邊界，左右兩側及下部均為固定邊界。采用切頂卸壓后巷道圍巖主要通過高強錨索、錨桿實現，因此在模擬時在對巷道圍巖施加錨網索支護。

2.2圍巖應力分布

2.2.1垂向應力分布

不同切頂高度時圍巖應力分布見圖2。

除去巷道頂板靠近左幫位置存在有小范圍上向垂向應力外，其余位置垂向應力均向下分布且在頂板右幫角位置垂向應力最大，其中切頂0m、3m、5m、8m時頂板右幫角位置應力峰值分別為23.5MPa、21.6MPa、18.9MPa、18.6MPa。在巷道底板位置垂向應力均向下分布，且在底板左幫向右幫方向垂向應力呈逐漸增加趨勢，切頂0m、3m、5m、8m時底板右側巷幫底角位置應力值分別為7.6MPa、7.3MPa、7.2MPa、7.0MPa。

2.2.2側向應力分布

不同切頂高度范圍內留巷巷道側向應力分布情況見圖3所示。

由圖3可知：采面內側向壓力隨著距離采空區距離增加先呈快速增加后呈現迅速降低趨勢，在距離采空區15～18m位置時側向應力逐漸趨于平衡。切頂高度0m時采面側向應力峰值達到65.7MPa、應力集中系數達到3.3;切頂高度在5m之前，隨著切頂高度增加側向應力峰值以及應力集中系數均呈現迅速降低趨勢;當切頂高度為5m時，側向應力峰值、應力集中系數分別為40.5MPa、2.0，較不切頂時降低約38.4%。

隨著切頂高度增加，切頂高度對側向應力影響逐漸減少，當切頂高度增加至8.0m時，側向應力峰值、應力集中系數分別為38.7MPa、1.92，較不切頂時降低41%，較切頂5m時降低4.5%。

2.3圍巖位移

不同切頂高度時留巷巷道圍巖變形模擬結果，具體圍巖變形監測結果見表2。

不同切頂高度時巷道右側頂板下沉量較左側小，且在采空區邊緣位置頂板下沉量最大，具體切頂0m、3m、5m、8m時頂板下沉量最大值分別為152mm、141mm、123mm、119mm;巷道底板均出現一定量底鼓顯現，其中底板中部靠近右側巷幫位置底鼓量達到最大，切頂0m、3m、5m、8m時底板底鼓量分別為237mm、205mm、132mm、125mm。

2.4切頂高度綜合確定

從模擬結果得知，切頂高度達到5.0m之前圍巖應力峰值、圍巖變形情況變化幅度較大，而切頂高度達到5.0m之后圍巖應力峰值、圍巖變形情況變化幅度均顯著降低。根據圖1可知，8號煤層頂板為厚度5m的堅硬石灰巖，依據模擬結果得知，切頂高度達到5m時即可切斷該石灰巖從而降低頂板巖層移動給留巷工作帶來影響，為留巷工作開展創造良好的應力環境。

3圍巖控制技術及效果分析

3.1留巷支護方案

8506運輸巷采用切頂卸壓留巷技術保留下來作為后續8508綜采工作面回風巷使用，8506運輸巷采用以錨網索為核心的聯合支護技術，為了降低8506采面回采對留巷工作影響，留巷工作圍巖控制分三個階段進行，分別為巷道補強支護（切頂卸壓）、滯后段臨時支護以及擋矸支護。

3.1.1巷道補強支護（切頂卸壓）

在8506運輸巷原有錨桿、金屬網支護體系基礎上，采用高強錨索、金屬網、梯子梁補強加固。錨索垂直頂板布置、間排距均為1000mm，錨固力在200kN以上;金屬網規格為2.6m長、1.2m寬，搭接距離在100mm以上、與回采幫間距控制在200mm以上;采用梯子梁將補強錨索連接到一起。

在巷道內施工的切頂鉆孔切頂高度為5.0m，為了避免在切頂過程中受到爆破影響巷道頂板表層出現離層情況，采距離切頂鉆孔300mm位置開始布置1排單體支柱對頂板進行支護，單體支柱均需“穿鞋帶帽”，避免下陷到底板中且初撐力均應在100kN以上。

3.1.2滯后段臨時支護

在滯后段采用3排單體支柱并結合π型梁構成邁步式抬棚對巷道頂板進行支撐，采用的π型梁長度為4.0m，具體單體支護布置情況見圖4所示。

3.1.3擋矸支護

采空區側擋矸支護結構由外到內分別為金屬網（雙層）、擋風布、U型鋼（可伸縮）以及槽鋼。采用的U型上下搭接距離在500mm以上，下部U型鋼底部要“穿鞋”并在底板上預先挖深度在200mm以上窩柱，用以顯著U型鋼位移;上部支撐頂板U型鋼在外、底部U型鋼在內，鄰近兩U型鋼間距為500mm。

3.2圍巖控制效果

對留巷后圍巖變形進行監測，在整個留巷巷道內頂板、巷幫變形量最大分別為132mm、25mm，圍巖變形量較小，具體結果見圖5。

從監測結果看出：

在開始留巷階段由于受到8506采面采動動壓影響，巷道圍巖變形量增加明顯，對應圖中A階段，此階段為采面后方0～50m范圍;隨著采面推進采動動壓留巷段影響逐漸降低，同時采空區內頂板下沉逐漸穩定，圍巖變形量增加率逐漸降低，具體對應圖中B階段，此階段為采面后方50～100m范圍;隨著與采面距離進一步增加，采面采動對留巷圍巖影響更小，圍巖變形趨于穩定，對應圖中C階段，此階段為采面后方100～120m范圍，在此范圍內對需要回撤巷道內單體支柱進行回收;受到單體支柱回撤影響，頂板支護強度有所降低，圍巖應力重新分布造成圍巖變形，但在巷道支護體系影響下圍巖變形增加幅度很小，具體對應圖中D階段，此階段為采面后方120～160m范圍;單體支柱回撤后巷道圍巖應力分布穩定，圍巖基本不再發生變化，形成留巷穩定區，具體對應圖中E階段，此階段為采面后方160m以外。

4總結

8506運輸巷沿空留巷圍巖控制面臨的主要問題是頂板巖層堅硬，采空區覆巖頂板破斷時會給留巷工作帶來較大的側向應力，從而給巷道圍巖控制帶來不利影響。采用切頂卸壓可顯著降低采空區覆巖破斷、垮落給留巷造成影響，通過數值模擬分析發現切頂卸壓高度為5m時即為8號煤層頂板堅硬石灰巖厚度，留巷段圍巖應力集中程度顯著降低且圍巖變形量較小，可為留巷工作開展創造良好條件;

在8506運輸巷留巷過程中將巷道圍巖控制8506采面采動影響、圍巖內應力分布特征分為巷道補強支護（切頂卸壓）、滯后段臨時支護以及擋矸支護，并針對性提出錨索補強、切頂卸壓、單體補強支護以及擋矸支護方案。

現場應用后，8506運輸巷留巷段頂幫、巷幫最大變形量分別為132mm、25mm，巷道斷面收縮率在10%以內，留巷斷面可滿足后續8508綜采工作面回采需要。這表明文中所提留巷圍巖控制方案具有顯著的應用成果。

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