切頂沿空留巷卸壓機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

孫利輝，紀(jì)權(quán)財(cái)，王中海，張海洋，王宗澤，何 勇，范 宇，楊江華

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司 武安云駕嶺礦，河北 邯鄲 056302；5.山西金地煤焦有限公司 赤峪煤礦，山西 文水 032100)

沿空留巷具有少掘巷、多采煤、有利于通風(fēng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1，2]，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益良好，得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過多年研究，國內(nèi)外學(xué)者在沿空留巷方取得了豐富的理論成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：康紅普等[3，4]根據(jù)不同沿空留巷類型、圍巖變形與破壞特征，分析沿空留巷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型中圍巖與支護(hù)作用關(guān)系，總結(jié)了各類支護(hù)的作用及效果；何滿潮等[5-7]按圍巖結(jié)構(gòu)將留巷分為煤體支撐區(qū)、動(dòng)壓承載區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，計(jì)算了巷內(nèi)支護(hù)需求，提出切頂短臂梁力學(xué)模型及平衡開采理論，明確了切頂碎脹充填卸壓的力學(xué)機(jī)理；謝生榮等[8]對(duì)預(yù)裂切頂技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，闡述了每一種預(yù)裂切頂方法的流程、原理和模式；張農(nóng)等[9，10]通過主動(dòng)致裂減小沿空留巷頂板的附加載荷，提出“多分區(qū)耦合支護(hù)”圍巖控制方法；朱衛(wèi)兵、于斌等[11，12]提出了大采高工作面關(guān)鍵層“橫O-X”型初次破斷步距與“橫U-Y”型周期破斷之間的關(guān)系，認(rèn)為“弧形三角板”的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)是導(dǎo)致工作面端頭強(qiáng)礦壓的主要原因；焦建康[13]通過理論與工程實(shí)際結(jié)合，提出了巷旁剛-柔聯(lián)合支護(hù)技術(shù)和工藝流程，有效減小巷旁支護(hù)體的變形和破壞；張磊等[14]研究了超千米埋深切頂成巷卸壓效應(yīng)及采場(chǎng)應(yīng)力分布特征，結(jié)果表明越接近留巷側(cè)卸壓效應(yīng)越明顯，傾向壓力分布具有非對(duì)稱性特征，測(cè)試了切頂卸壓效果及影響范圍。

但在一些特殊地質(zhì)條件下，沿空留巷仍存在巷道壓力大、支護(hù)困難、圍巖變形嚴(yán)重等情況，制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用，尤其是在厚硬覆巖條件下，需要針對(duì)其特殊性對(duì)沿空留巷技術(shù)進(jìn)行研究，增強(qiáng)該技術(shù)的適用性。本研究以云駕嶺礦19103工作面運(yùn)巷為背景，研究厚硬直接頂條件下預(yù)裂切頂卸壓機(jī)理，根據(jù)圍巖應(yīng)力分布及變形規(guī)律提出有針對(duì)性的頂板支護(hù)技術(shù)。

1 工程背景

1.1 工作面位置及地質(zhì)條件

河北冀中邯峰礦業(yè)有限公司武安云駕嶺礦19103工作面，位于礦井九一采區(qū)，副巷長(zhǎng)185 m，運(yùn)巷長(zhǎng)213 m，切眼斜長(zhǎng)69 m，東鄰19105設(shè)計(jì)工作面(未采)；西鄰19101工作面采空區(qū)；南部未采；北鄰九一采區(qū)軌道、運(yùn)輸上山。沿空留巷在運(yùn)巷實(shí)施，范圍從切眼下端頭至終采線共200 m，成功后作為19105工作面副巷。19103工作面巷道平面布置如圖1所示。

圖1 19103工作面巷道布置方案Fig.1 Roadway layout plan of 19103 working face

19103工作面開采9號(hào)煤，位于太原組底部，平均厚度2.81 m，局部被火成巖侵入，煤巖層傾角8°～16°，平均13°，局部與8#煤合并為一層時(shí)連8號(hào)煤同采。19103工作面地層綜合柱狀圖(9號(hào)煤附近)如圖2所示，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 19103工作面煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal rock in 19103 working face

圖2 19103工作面綜合柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of 19103 working face

1.2 巷道支護(hù)概況

由于9號(hào)煤直接頂是以泥質(zhì)為主的粉砂巖，厚度較薄且局部缺失，19103工作面兩巷均沿大青灰?guī)r掘進(jìn)，巷道規(guī)格4600 mm×3000 mm(寬×高)。一般采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格?20 mm×2400 mm，每排4根，點(diǎn)錨形式布置，間排距1400 mm×2000 mm，配合托盤、鎖具和鋼筋網(wǎng)支護(hù)；錨索為規(guī)格?21.8 mm×7250 mm的鋼絞線，以“二·一·二”五花點(diǎn)錨形式隔排布置，間排距600 mm×2400 mm。巷幫采用規(guī)格?15.24 mm×2600 mm錨索配合托盤、梯子梁支護(hù)。副巷上幫因靠近采空區(qū)且煤壁薄(2 m)，架設(shè)U鋼直梁輔助支護(hù)。

2 厚硬直接頂預(yù)切頂沿空留巷卸壓機(jī)理

2.1 厚硬直接頂留巷的控制目標(biāo)

一般的煤系地層，煤層往上依次為偽頂、直接頂、基本頂，硬度及完整性也隨之上升。傳統(tǒng)的沿空留巷主要分析起關(guān)鍵作用的基本頂在受力、破斷與運(yùn)動(dòng)時(shí)的規(guī)律[15]，較少分析直接頂。根據(jù)圖1及表1，運(yùn)巷直接頂為厚硬灰?guī)r，往上還存在粉砂巖，閃長(zhǎng)巖等堅(jiān)硬巖層，但直接頂厚硬特性使其成為了第一層關(guān)鍵層，若破裂離層會(huì)形成大塊巖體直接懸露于巷道頂部，對(duì)安全不利，其運(yùn)動(dòng)提供的強(qiáng)動(dòng)載容易引起巷道致災(zāi)[16]，結(jié)合前人在雙堅(jiān)硬巖層強(qiáng)礦壓控制方面的研究[17]，19103工作面沿空留巷的首要目標(biāo)就是控制第一層關(guān)鍵層，即厚硬直接頂。

2.2 厚硬直接頂預(yù)切頂留巷頂板穩(wěn)定性條件分析

2.2.1 主動(dòng)預(yù)裂切頂?shù)谋匾苑治?/p>

工作面開采后，巷道與采空區(qū)頂板應(yīng)力場(chǎng)較復(fù)雜。當(dāng)采空區(qū)達(dá)到一定范圍后呈“O-X”形破壞[18]，中部先斷裂，然后向巷道方向發(fā)展，最終全部垮塌填實(shí)，兩巷也隨之破壞。因此沿空留巷往往需要采用切頂卸壓的方式阻止“O-X”形破壞發(fā)展到留巷，降低采動(dòng)壓力對(duì)留巷頂板的擾動(dòng)。

根據(jù)切頂方式不同，大致可以將其分為兩類：一類是以密集支護(hù)或巷旁充填體提供的被動(dòng)支護(hù)阻力切斷采空區(qū)頂板，簡(jiǎn)稱“被動(dòng)切頂”；另一類是通過爆破、機(jī)械或水力壓裂等方式人工主動(dòng)造縫，簡(jiǎn)稱“主動(dòng)切頂”?！氨粍?dòng)切頂”時(shí)留巷圍巖要經(jīng)歷超前支承壓力與采空區(qū)動(dòng)壓兩個(gè)強(qiáng)烈擾動(dòng)階段，頂板斷裂位置容易出現(xiàn)偏差，端頭頂板懸露面積大，巷道圍巖及充填體受力大，易變形，加之厚硬覆巖所產(chǎn)生的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，上述缺點(diǎn)更為突出。相比之下，“主動(dòng)切頂”預(yù)裂弱化了頂板的連續(xù)性，降低頂板傳載能力，切頂位置靠人工精準(zhǔn)定位，留巷頂板轉(zhuǎn)變?yōu)椤皯冶哿骸苯Y(jié)構(gòu)，受采空區(qū)動(dòng)壓影響小。因此，預(yù)裂切頂是沿空留巷卸壓的有效途徑[19]。

2.2.2 預(yù)切頂留巷力學(xué)模型及受力分析

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，留巷頂板懸露而采空區(qū)矸石巷幫尚未接頂承壓時(shí)，留巷覆巖活動(dòng)劇烈，頂板受力大，是切頂留巷圍巖穩(wěn)定性控制的主要階段，需要采取支護(hù)措施控制頂板的變形下沉[20]。通過對(duì)19103工作面運(yùn)巷預(yù)裂切頂后圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，其力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 預(yù)切頂沿空留巷力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model diagram of pre-cut roof gob-side entry retaining

“懸臂梁”結(jié)構(gòu)受力主要由五部分組成，如圖3所示：①地層對(duì)“懸臂梁”起到固支作用的力矩M和煤體對(duì)“懸臂梁”支撐應(yīng)力σ，σ在極限平衡區(qū)內(nèi)為煤體的抗壓強(qiáng)度σ0，在極限平衡區(qū)邊緣達(dá)到最大支撐力σN；②“懸臂梁”主要部分受到的重力G1以及因切縫角度形成三角區(qū)域的重力G2；③覆巖傳遞給“懸臂梁”頂部的壓力P；④巷旁支護(hù)阻力FZ；⑤切縫老空側(cè)頂板垮落時(shí)對(duì)切縫面產(chǎn)生的拉力σ1。地層的水平應(yīng)力在老空中部巖層垮落后，在留巷附近無法形成平衡力系，會(huì)在整個(gè)采場(chǎng)大結(jié)構(gòu)的頂?shù)撞啃纬蓱?yīng)力集中，而對(duì)留巷“懸臂梁”結(jié)構(gòu)影響不大，不予考慮。

由圖3不難看出，“懸臂梁”結(jié)構(gòu)以煤壁處作為固支端、切縫側(cè)作為簡(jiǎn)支端發(fā)生彎曲下沉，留巷頂板的平衡主要依靠“懸臂梁”結(jié)構(gòu)自穩(wěn)。由于厚硬直接頂剛度大，受力時(shí)會(huì)擠壓下部煤體使其變形，“懸臂梁”也會(huì)發(fā)生彎曲。當(dāng)巷道位置、切縫位置及角度確定時(shí)，切縫角度θ，留巷的寬度a、高度b，直接頂?shù)暮穸萮、容重γ均為已知量，則P、G1、G2均可求得，“懸臂梁”結(jié)構(gòu)受力從穩(wěn)定—破斷的極限狀態(tài)為“懸臂梁”受壓導(dǎo)致直接頂頂部拉斷，斷裂位置位于極限平衡區(qū)邊緣[21]，即圖3中線段OE所在的位置。假設(shè)極限平衡區(qū)寬度為x0，煤幫對(duì)頂板的最大支護(hù)力為σN，可根據(jù)如下公式計(jì)算其值[22]：

式中，c、φ分別為煤層與頂板巖層交界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，分別取1.56 MPa、40°；α為側(cè)壓系數(shù)，取1；k為最大應(yīng)力集中系數(shù)，按相鄰工作面礦壓監(jiān)測(cè)取3.4；H為開采深度，取340 m；px為煤幫支護(hù)強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算為0.52 MPa；γ為大青灰?guī)r容重，按表1取值，代入計(jì)算可得x0=4.36 m，σN=30.26 MPa。

令L=x0+a，假設(shè)頂板處于即將被拉斷的臨界狀態(tài)，大青灰?guī)r的抗拉強(qiáng)度為σt，σ1按切縫率70%取0.3σt。對(duì)A點(diǎn)求力矩，可得：

Mσ1+Mσ0=MP+Mσt+MG+M

(3)

其中：

再對(duì)O點(diǎn)求力矩，可得：

其中：

切縫角度θ取10°，留巷的寬度a取3.6 m、高度b取3.0 m，直接頂?shù)暮穸萮取5.46 m，將式(4)—(8)代入式(3)，求出M，再將(9)—(14)式聯(lián)立，得出保持“懸臂梁”的平衡條件為FZ=1046 kN，即巷旁支護(hù)阻力不小于1046 kN。

2.3 預(yù)切頂留巷卸壓機(jī)理

為研究預(yù)切頂留巷的卸壓機(jī)理，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件為背景，采用二維離散元數(shù)值模擬軟件建模，模型規(guī)格為長(zhǎng)×高=195 m×94 m，煤巖層傾角13°，采用mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則，上邊界為自由邊界并施加7 MPa的垂直應(yīng)力模擬覆巖重力，左、右邊界均施加水平約束，底邊界固定。通過數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比切頂與不切頂?shù)那闆r下留巷頂板的變形、應(yīng)力及塑性區(qū)的分布規(guī)律。如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬模型Fig.4 Numerical simulation model diagram

2.3.1 采空區(qū)頂板冒落特征

如圖5(a)所示，未預(yù)裂切頂時(shí)巷道及采空區(qū)的頂板都比較完整，但巷道實(shí)體煤幫和底板都嚴(yán)重變形；而采取了預(yù)裂切頂時(shí)，采空區(qū)頂板充分冒落并對(duì)留巷頂板形成支撐，巷道形態(tài)完整，如圖5(b)所示。由此可知預(yù)裂切頂對(duì)采空區(qū)頂板的冒落具有很強(qiáng)的誘導(dǎo)性，促使采空頂板沿切縫分離垮落，避免了巷道與采空區(qū)頂板整體下沉或臺(tái)階下沉，保護(hù)了留巷圍巖少受破壞。不切頂時(shí)完整的頂板將工作面采動(dòng)壓力作用在巷道實(shí)體煤幫及底板，造成其劇烈的破壞，顯然預(yù)裂切頂對(duì)留巷是極為有利的。

圖5 沿空留巷圍巖破壞形態(tài)對(duì)比Fig.5 Comparison diagram of surrounding rock failure modes of gob-side entry retaining

2.3.2 留巷頂板下沉特征

圖6(a)對(duì)比了是否預(yù)裂切頂對(duì)留巷直接頂變形的影響，均取距離實(shí)體煤幫2 m處直接頂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)比明顯得出：在留巷后120 d范圍，未預(yù)裂時(shí)頂板下沉趨勢(shì)明顯，下沉量大；預(yù)裂后頂板下沉量逐漸趨于穩(wěn)定，下沉量?jī)H為未預(yù)裂巷道的28.2%，且未預(yù)裂切頂?shù)南锏理敯迦栽诔掷m(xù)下沉，顯然預(yù)裂切頂對(duì)控制留巷頂板下沉有利。

圖6 頂板下沉量曲線模擬對(duì)比Fig.6 Roof subsidence curve simulation co mparison diagram

預(yù)裂切頂后留巷頂板不同位置的下沉量曲線如圖6(b)所示，可見距實(shí)體煤幫越近，下沉量越小，反之越大。這與“懸臂梁”受力彎曲的特征是一致的，表明留巷頂板簡(jiǎn)化為“懸臂梁”模型成立，尤其是大青灰?guī)r作為巷道直接頂，巖層堅(jiān)硬厚實(shí)，具有一定的彈性蓄能條件，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該特性，集中支護(hù)切縫端。

2.3.3 留巷頂板受力特征

切頂與未切頂在相同計(jì)算時(shí)步下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)如圖7、圖8所示。對(duì)于垂直應(yīng)力場(chǎng)，在預(yù)裂切頂?shù)淖饔孟掠蓾u變型轉(zhuǎn)變?yōu)橥蛔冃?，存在如下關(guān)系：

圖7 未切頂時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)(Pa)Fig.7 Surrounding rock stress field of gob-side entry retaining without roof cutting

圖8 預(yù)切頂時(shí)沿空留巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)(Pa)Fig.8 Surrounding rock stress field of gob-side entry retaining in pre-cut roof

σ切縫留巷頂板<σ未切縫頂板<σ切縫老空頂板

(15)

對(duì)于水平應(yīng)力場(chǎng)存在如下關(guān)系：

由式(15)可知，預(yù)裂切頂阻斷了采動(dòng)應(yīng)力中垂直應(yīng)力的傳遞，是切頂卸壓的主要機(jī)理之一。同時(shí)切縫使留巷覆巖由“砌體梁”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皯冶哿骸苯Y(jié)構(gòu)：在老空側(cè)形成長(zhǎng)“懸臂梁”，在留巷側(cè)形成短“懸臂梁”，如圖9所示。長(zhǎng)“懸臂梁”結(jié)構(gòu)在采空區(qū)頂板“O-X”型破斷后形成，在走向與前后巖塊鉸接，在傾向與側(cè)向斷裂的巖塊鉸接，在切縫端無支護(hù)，三面簡(jiǎn)支一端懸空，比“砌體梁”結(jié)構(gòu)更容易失穩(wěn)，是切頂誘導(dǎo)老空頂板冒落的主要機(jī)理。冒落的矸石逐漸堆積接頂支撐留巷頂板，緩解留巷頂板受力，這是切頂卸壓的主要機(jī)理之二。兩種懸臂梁結(jié)構(gòu)切縫端的下沉均會(huì)引起巖體的拉剪破壞，造成切縫兩側(cè)的巖體的水平應(yīng)力要大于未切縫時(shí)的水平應(yīng)力，即式(16)中反映出切縫附近水平應(yīng)力的增大現(xiàn)象，這是切縫后“懸臂梁”簡(jiǎn)支端受力下沉的過程中形成的，區(qū)別于地層的水平應(yīng)力。

圖9 長(zhǎng)、短“懸臂”結(jié)構(gòu)Fig.9 Schematic diagram of long and short “cantilever”structure

未切頂?shù)捻敯逅綉?yīng)力較小，完整不垮落，具有良好的傳載性能，將采動(dòng)壓力傳遞到實(shí)體煤幫和巷道底板引起較大范圍的塑性變形，而預(yù)裂切頂雖然會(huì)引起水平應(yīng)力的增加，但阻斷采動(dòng)應(yīng)力的效果明顯，塑性區(qū)轉(zhuǎn)移到留巷頂?shù)装宓纳畈?，留巷圍巖的塑性區(qū)范圍較小，如圖10所示。

圖10 沿空留巷塑性區(qū)分布特征對(duì)比Fig.10 Comparison of distribution characteristics of plastic zone in gob-side entry retaining

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 預(yù)切頂鉆孔參數(shù)

預(yù)裂切頂炮孔布置在19103工作面運(yùn)巷距實(shí)體煤幫3600 mm處，沿巷道方向呈直線施工一排，炮孔間距600 mm，孔深11000 mm，炮孔與垂線呈10°向工作面方向傾斜，超前工作面30 m實(shí)施預(yù)裂爆破形成切縫面，如圖11所示。

3.2 預(yù)切頂留巷支護(hù)技術(shù)

根據(jù)留巷頂板“懸臂梁”的應(yīng)力分布特征和穩(wěn)定性條件，支護(hù)設(shè)計(jì)主要考慮3個(gè)方面：一是下沉量大的簡(jiǎn)支端集中支護(hù)，下沉量小的固支端適當(dāng)減少支護(hù)節(jié)約成本，即對(duì)切頂后留巷頂板切縫端加強(qiáng)支護(hù)；二是考慮頂板來壓期間，支護(hù)材料能適當(dāng)變形讓壓，避免支護(hù)材料損壞；三是為避免單層頂板受力過大，通過長(zhǎng)、短錨索結(jié)合將錨索懸吊點(diǎn)分別布置在基本頂及基本頂上方的火成巖中，充分發(fā)揮基本頂及火成巖剛度大、承載強(qiáng)的特點(diǎn)，形成“組合懸臂梁”，增強(qiáng)頂板的承載能力。

支護(hù)設(shè)計(jì)如圖11所示，頂板順巷道方向布設(shè)3排錨索補(bǔ)強(qiáng)，距實(shí)體煤幫的距離分別為1000、2000、3000 mm，間距分別為2000 mm、2000 mm、1000 mm(含原巷道錨索)，規(guī)格分別為?18.9 mm×7250 mm、?21.8 mm×120000 mm、?18.9 mm×7250 mm的鋼絞線，配套使用300 mm×260 mm×10 mm的鋼托盤，每根錨索配備3根MSK2360樹脂藥卷錨固，張拉力不小于40 MPa，靠近切縫的補(bǔ)強(qiáng)錨索采用?16 mm圓鋼三孔梯子梁連接；超前支護(hù)為順巷道施工2排單體液壓支柱，距實(shí)體煤幫分別為800 mm、1800 mm，配合1 m長(zhǎng)金屬鉸接頂梁和鐵鞋，一梁一柱，在留巷時(shí)保持該支護(hù)繼續(xù)使用；巷旁支護(hù)為距實(shí)體煤幫3.4 m處布置一排可縮性U鋼梁進(jìn)行支護(hù)，間距500 mm，由2根2 m長(zhǎng)25U礦用型鋼直梁搭接，配套2副U鋼卡子、螺栓、螺母固定而成，垂直底板打設(shè)，長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高度調(diào)節(jié)，底端焊接鋼板防止鉆底；在U鋼梁采空區(qū)側(cè)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、塑料網(wǎng)和風(fēng)筒布擋矸封閉。圍巖運(yùn)動(dòng)減弱后逐步撤除單體液壓支柱，對(duì)老空幫進(jìn)行噴漿密閉。

該支護(hù)可簡(jiǎn)稱為“長(zhǎng)、短錨索+單體液壓支柱+可縮性U鋼梁”支護(hù)技術(shù)，通過長(zhǎng)、短錨索起到分層懸吊和加固頂板的作用；單體液壓支柱和可縮性U鋼梁在支護(hù)的同時(shí)還具有讓壓作用；距切縫600 mm范圍由單體柱、錨索和可縮性U鋼梁集中支護(hù)；由可縮性U鋼梁和鋼筋網(wǎng)起到擋矸作用，形成綜合支護(hù)技術(shù)，可提供FZ=1394 kN的支護(hù)力，有效支護(hù)頂板。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

3.3.1 錨索受力監(jiān)測(cè)

通過錨索受力觀測(cè)可以反映頂板的受力情況，圖12(a)記錄了工作面從留巷前一周至留巷作為下個(gè)工作面回采巷道的錨索受力數(shù)據(jù)。不難看出，錨索在留巷前受力變化不大，在留巷后受力急速增大，僅10 d左右就上升到320 kN，隨后逐漸達(dá)到峰值350 kN左右，在該值保持3個(gè)月后，隨矸石巷幫的逐漸成型承載，錨索受力開始逐漸回落，再經(jīng)歷3個(gè)月左右降低恢復(fù)至180 kN左右。當(dāng)留巷進(jìn)入19105工作面超前支護(hù)范圍，錨索受力不增反降，表明經(jīng)過切頂平衡后的巷道頂板在下個(gè)工作面處于卸壓區(qū)，錨索受力較小。

3.3.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

巷道表面位移量反映了巷道的變形情況，包括頂板下沉量、底鼓量、實(shí)體煤幫移近量和老空煤幫移近量，根據(jù)觀測(cè)時(shí)間與工作面平均推進(jìn)速度延長(zhǎng)橫坐標(biāo)，如圖12(b)所示。巷道頂板、底板和實(shí)體煤幫位移量變化趨勢(shì)基本相同，可分為5個(gè)階段：在采前30 m外無明顯的增長(zhǎng)，30～-30 m范圍明顯增長(zhǎng)，-30～-150 m范圍急速增長(zhǎng)，-150～-350 m范圍持續(xù)增長(zhǎng)，-350 m后緩慢增長(zhǎng)直至逐漸穩(wěn)定。老空幫在采前為工作面煤幫，采后以U鋼梁為幫觀測(cè)，可分為3個(gè)階段：采前30 m外無明顯增長(zhǎng)，30～0 m范圍急速增長(zhǎng)，0～-450 m范圍緩慢增長(zhǎng)，可見預(yù)裂切頂使超前支承壓力轉(zhuǎn)移到工作面煤幫，采前該位移量變化大于其余3個(gè)位移量。留巷圍巖接近穩(wěn)定時(shí)，表面位移量分別達(dá)到186 mm、251 mm、310 mm、111 mm并趨于穩(wěn)定，留巷圍巖得到控制。

3.3.3 留巷外觀效果和使用情況

通過預(yù)切頂和綜合支護(hù)措施，留巷巷道形態(tài)完整，噴漿密閉后巷道斷面平均2.95 m×2.44 m(寬×高)，規(guī)格滿足繼續(xù)服務(wù)下個(gè)工作面的要求，外觀效果如圖13所示。

圖13 沿空留巷外觀效果Fig.13 Appearance effect of gob-side entry retaining

4 結(jié) 論

1)以云駕嶺礦實(shí)際開采條件為背景，建立了厚硬直接頂預(yù)裂切頂沿空留巷的圍巖力學(xué)模型，分析了維護(hù)頂板穩(wěn)定的條件，得出控制厚硬直接頂穩(wěn)定的巷旁支護(hù)阻力為1046 kN。

2)通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比厚硬直接頂條件下是否預(yù)裂切頂?shù)牟煌?，通過分析采空頂板冒落、留巷頂板變形、應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征，揭示了切頂卸壓的機(jī)理為阻斷工作面動(dòng)壓的傳遞，誘導(dǎo)采空區(qū)頂板提前冒落接頂承壓。

3)實(shí)施超前工作面30 m預(yù)裂切頂卸壓，巷道內(nèi)采用“長(zhǎng)、短錨索+單體液壓支柱+可縮性U鋼梁+掛網(wǎng)+噴漿”綜合留巷支護(hù)技術(shù)。礦壓監(jiān)測(cè)表明：留巷后錨索受力增大，在10 d左右接近峰值350 kN，穩(wěn)定在峰值3個(gè)月后逐漸回落，圍巖穩(wěn)定后留巷規(guī)格2.95 m×2.44 m(寬×高)，可繼續(xù)服務(wù)其它工作面。該技術(shù)在云駕嶺礦9號(hào)煤巷道獲得成功應(yīng)用，并在該礦同煤層及具有類似條件的礦井推廣。該技術(shù)的成功應(yīng)用為具有厚硬頂板條件的工作面開展沿空留巷提供了技術(shù)支持，增強(qiáng)了技術(shù)的適用性，拓寬了無煤柱開采的應(yīng)用范圍，為煤礦企業(yè)少掘巷、多采煤，緩解銜接緊張，提高礦井經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益給予了有利的技術(shù)保障。