沿空切頂成巷段巷道圍巖變形規(guī)律研究

湯建泉，霍雪峰，楊華富，朱仲帥，劉洪亮

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 采礦工程研究院，山東 泰安 271019；3.大方綠塘煤礦有限責(zé)任公司，貴州 畢節(jié) 551604)

目前，最大限度減少煤柱資源損失、降低巷道萬噸掘進(jìn)率是國內(nèi)許多礦井降本增效的重要路徑[1]。何滿潮院士及其團(tuán)隊(duì)[2-3]基于“切頂短臂梁”理論，提出的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采體系能夠?qū)崿F(xiàn)安全留巷、改善礦井生產(chǎn)條件及提高資源采出率，并已在國內(nèi)多個礦區(qū)的薄及中厚煤層進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)[4-6]。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿空巷道受超前采動的影響，確保動壓影響時期巷道圍巖穩(wěn)定是沿空留巷成功的關(guān)鍵。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)及成巷控制進(jìn)行了大量研究，并取得了豐碩的成果。朱珍等[7]通過對切頂成巷圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)及頂板巖層運(yùn)動特征進(jìn)行研究，提出了相應(yīng)的控制措施；高玉兵等[8]對沿空切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行了力學(xué)分析，提出了恒壓讓位協(xié)調(diào)控制方案；馬資敏等[9]分析了切頂留巷圍巖在不同時空關(guān)系上的演變規(guī)律，提出分階段、多層次的圍巖控制對策，現(xiàn)場效果顯著；王建文等[10]研究了巷道頂板次生裂縫產(chǎn)生機(jī)理，得出裂隙發(fā)育的主要影響因素，并有針對性地提出了防控措施；張科學(xué)等[11]針對切頂留巷頂板圍巖運(yùn)動時空特性進(jìn)行研究，提出了與之配套的支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場成巷效果較好；王亞軍等[12]分析了切頂留巷位置結(jié)構(gòu)形態(tài)和變形特征，提出了動壓區(qū)“高阻讓壓”的支護(hù)措施。

1 切頂卸壓無煤柱自動成巷技術(shù)

切頂卸壓自動成巷技術(shù)是在工作面回采系統(tǒng)形成后，首先采用恒阻錨索對預(yù)留巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固；隨后通過雙向聚能爆破切頂技術(shù)沿巷道走向超前預(yù)裂頂板，形成預(yù)裂切縫線，及時在巷道內(nèi)支設(shè)密集單體支柱、工字鋼及鋼筋網(wǎng)等支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)臨時支護(hù)；工作面回采時，采空區(qū)側(cè)頂板巖梁在自重及周期來壓作用下沿切頂面垮落形成充填巷幫；在采空區(qū)頂板垮落完畢和不斷壓實(shí)后，相繼撤回臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，并對垮落形成的充填墻體進(jìn)行噴漿密閉，最終形成穩(wěn)定巷道[13-18]。切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)原理如圖1所示。

(a)立體圖

(b)I—I 剖面圖

2 工程概況

2.1 地質(zhì)條件

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 切頂留巷相關(guān)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)工作面地質(zhì)條件及切頂成巷技術(shù)特點(diǎn)，確定切頂留巷定向預(yù)裂爆破切縫參數(shù)為：預(yù)裂高度 5 m，炮孔與鉛垂方向夾角15°，孔間距0.5 m。設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)為：恒阻錨索長度7 300 mm，恒阻力 35 t，預(yù)緊力不小于28 t，沿鉛垂方向布置，其中切縫側(cè)恒阻錨索排距1 200 mm，距切縫線500 mm，巷道中央恒阻錨索排距2 400 mm。設(shè)計成巷段巷道臨時支護(hù)參數(shù)為：單體液壓支柱配合花邊梁(“一梁三柱”)，切縫側(cè)單體支柱距恒阻錨索0.25 m，中間單體支柱與切縫側(cè)單體支柱間距1.20 m，煤壁側(cè)單體支柱與中間單體支柱間距1.50 m，巷內(nèi)單體支柱排距1.20 m。巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示。

單位：mm

3 切頂留巷圍巖變形特征

3.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

圖3 數(shù)值計算模型圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了解工作面回采過程中切頂留巷支承壓力分布規(guī)律，確定動壓影響范圍。設(shè)計工作面沿y軸方向進(jìn)行回采，每次開挖10 m，共模擬開挖370 m，對回采過程中巷道圍巖垂直應(yīng)力分布形態(tài)進(jìn)行計算分析，并從工作面后方10 m處開始，每間隔20 m為一個區(qū)段，選取部分位置巷道圍巖支承壓力(壓應(yīng)力為負(fù)值)變化情況作為研究對象，巷道圍巖支承壓力分布云圖如圖4所示。

(a)距工作面30 m

(b)距工作面50 m

(c)距工作面70 m

(d)距工作面90 m

(e)距工作面110 m

(f)距工作面150 m

(g)距工作面190 m

(h)距工作面230 m

從圖4中可以看出，隨著工作面不斷推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在巷道煤壁側(cè)圍巖內(nèi)部；采空區(qū)側(cè)距工作面0～70 m內(nèi)，隨與工作面距離的增加成巷段巷道圍巖支承壓力急劇增大；距工作面70～150 m時，實(shí)體煤幫內(nèi)部支承壓力逐漸減小；與工作面距離大于150 m后，圍巖支承壓力變化基本趨于穩(wěn)定。

對巷道支承壓力進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到成巷段圍巖支承壓力峰值分布曲線，如圖5 所示。

圖5 支承壓力峰值曲線

由圖5可知，在工作面回采過程中，成巷段巷道圍巖支承壓力峰值呈先增大后減小、最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，從距工作面150 m時起，圍巖支承壓力穩(wěn)定在13.5 MPa左右。

上述分析表明，隨著采場不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板逐漸垮落，上覆巖梁的暴露面積不斷增大，從而出現(xiàn)斷裂、回轉(zhuǎn)下沉等現(xiàn)象，采空區(qū)頂板巖層垮落和基本頂周期性運(yùn)動使工作面后方一定范圍內(nèi)留巷圍巖處于顯著的承壓狀態(tài)，支承壓力明顯增大。隨著采空區(qū)矸石在上覆載荷作用下逐漸被壓縮，矸石對采空區(qū)老頂?shù)某休d力不斷升高，巷道圍巖支承壓力逐漸降低。當(dāng)垮落矸石被壓實(shí)致密，上覆巖梁結(jié)構(gòu)再次達(dá)到平衡，巷道圍巖支承壓力趨于穩(wěn)定。因此，上覆巖層活動范圍為工作面后方0～150 m區(qū)域，其中，滯后工作面70 m之內(nèi)區(qū)域應(yīng)為巷道臨時加強(qiáng)支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

4 現(xiàn)場礦壓位移監(jiān)測及留巷效果分析

現(xiàn)場實(shí)踐過程中，由于恒阻大變形錨索受力變化及巷道圍巖變形量可以反映切頂留巷在頂板切落過程中的受力變形特征，因此，現(xiàn)場對成巷段巷道頂板恒阻錨索受力狀態(tài)及巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測。

4.1 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測

恒阻錨索受力變化曲線如圖6所示，可以看出：工作面回采過程中，滯后工作面0～70 m內(nèi)，受超前采動壓力影響，恒阻錨索受力不斷增大，最大值達(dá)到345 kN左右，并在一定范圍內(nèi)保持恒阻值不變；隨著采空區(qū)矸石被逐漸壓實(shí)，錨索受力迅速降低；最終在滯后工作面150 m處應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，說明此時采空區(qū)垮落矸石已被充分壓實(shí)，巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)處于新的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 恒阻錨索受力曲線

4.2 現(xiàn)場位移監(jiān)測

工作面后方巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰谱兓€如圖7所示。分析圖7可知，滯后工作面區(qū)段巷道圍巖變化趨勢大致可分為3個階段：第1個階段為工作面后方0～70 m內(nèi)，受采動影響，頂板及上覆巖層運(yùn)動劇烈，巷道圍巖變形明顯；第2階段為工作面后方70～150 m內(nèi)，采空區(qū)頂板逐漸垮落，巷道圍巖變形速度大大減緩；第3階段為滯后工作面150 m之后，垮落矸石被壓實(shí)致密，圍巖運(yùn)動基本穩(wěn)定，此時頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?44 mm，兩幫最大移近量為67 mm。

圖7 巷道圍巖變形曲線

通過對恒阻錨索受力狀態(tài)及巷道圍巖表面收斂情況的整體分析，推斷宏景塔一礦切頂成巷臨時支護(hù)體回撤的保守安全位置為工作面后方150 m。

4.3 留巷效果分析

現(xiàn)場采用切頂留巷技術(shù)成功留巷801 m，成巷后的現(xiàn)場情況如圖8所示。

圖8 切頂成巷效果圖

由圖8可以看出，所設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠有效控制巷道圍巖變形，支護(hù)設(shè)備回撤距離能夠應(yīng)對巷道運(yùn)動的協(xié)調(diào)變形，留巷效果良好。

5 結(jié)論

1)介紹了切頂卸壓無煤柱自動成巷技術(shù)原理，采用數(shù)值分析及現(xiàn)場實(shí)踐的方法，得到了沿空切頂成巷段巷道圍巖穩(wěn)定性分布規(guī)律，受采空區(qū)頂板巖石變形和垮落運(yùn)動影響大致分為3個階段：工作面后方0～70 m內(nèi)，圍巖運(yùn)動劇烈；工作面后方 70～150 m內(nèi)，圍巖運(yùn)動變緩；與工作面距離大于150 m之后，圍巖運(yùn)動趨于穩(wěn)定。

2)基于上述分析，確定了淺埋中厚煤層切頂成巷臨時支護(hù)體回撤的保守安全位置為工作面后方150 m，且為確保生產(chǎn)安全，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對工作面后方70 m之內(nèi)區(qū)域的臨時支護(hù)。