坚硬厚层顶板工作面沿空留巷技术研究

王永志

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 岳城煤矿，山西 晋城 048000)

坚硬厚层顶板工作面沿空留巷技术研究

王永志

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 岳城煤矿，山西 晋城 048000)

为实现坚硬厚层顶板条件下沿空留巷，基于工作面上覆岩层运移规律，采用数值模拟软件UDEC分析采空区侧岩层悬臂状态对留巷围岩变形影响，计算结果说明，随着侧向悬臂长度的增加，留巷变形明显加大；采用超前深孔预裂爆破技术缩短采空区侧悬臂的长度，控制上覆岩层的回转和下沉变形，实现卸压；形成了采动应力影响段留巷加强支护成套技术；对留巷矿压规律进行观测分析，留巷巷道断面保持8m2以上，实现了坚硬厚层顶板条件下沿空留巷。

坚硬厚层顶板；沿空留巷；采空区；侧悬臂；深孔预裂爆破

StudyofGob-sideEntryRetainingTechnologyWorkingFacewithHardenandThickRoof

沿空留巷无煤柱开采技术具有可与工作面回采平行作业，有效缓解采掘接续紧张，提高采出率同时消除采空区发火源等优势，近年来得到广泛应用。国内外学者进行了大量的理论研究和现场试验：陈勇、柏建彪等[1]针对沿空留巷围岩变形控制困难，采用数值模拟分析了巷内支护与围岩变形、应力分布的关系，提出高阻让压支护理念；张农等[2]基于采场覆岩运动特征，阐明了采空侧楔形区顶板的传递承载机制并研究了采空侧顶板预裂卸压机理，总结出预裂爆破卸压、分区治理、结构参数优化、“三位一体”围岩控制及墙体快速构筑等沿空留巷围岩控制关键技术；康红普、张镇[3]等进行了深井沿空留巷的现场试验，试验结果表明，采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护，单体支柱配铰接顶梁为加强支护，膏体充填假墙作为巷旁支护，深部高地应力条件下沿空留巷围岩的强烈变形能够得到有效控制；李迎富等[4]根据沿空留巷上覆岩层的活动规律，建立了关键块和直接顶的力学模型，提出了巷旁充填体合理宽度的计算方法。

沿空留巷的研究取得了丰富的理论研究和试验成果，也极大地扩展了沿空留巷技术的应用范围，但以上沿空留巷的研究多集中于薄层软弱顶板，针对坚硬厚层顶板条件下的留巷技术研究较少[5-6]。与薄层软弱顶板相比，坚硬厚层顶板工作面“上三层”分布范围更广，矿压显现更为剧烈，留巷围岩控制更为困难。然而，坚硬厚层顶板条件的煤层约占我国煤层赋存总量的三分之一，且分布范围较广[7]，因此有必要对坚硬厚层顶板条件下的沿空留巷技术进行进一步研究。

1 工作面地质生产条件

试验工作面为凤凰山矿154307工作面，工作面平均埋深192m，长度为176.4m，可采长度为868.4m。工作面主采15号煤，一次采全高。煤层近水平分布，平均倾角为5°，煤层平均厚度为2.13m，赋存稳定，含一层厚度为0.28m稳定夹矸。15号煤层整体性好，单轴抗压强度较高，达到17～25 MPa，平均单轴抗压强度为22.25MPa，煤层坚固性系数2～4。煤层直接顶为厚层坚硬K2石灰岩，平均厚度为9.11m，单轴抗压强度达到116.43MPa，抗剪强度为3.7MPa，坚硬不易冒落。煤层底板为铝质泥岩或泥岩，强度较低，且含有遇水膨胀成分，单轴抗压强度仅为11.4MPa，遇水后易泥化膨胀变软。

2 厚层坚硬顶板留巷围岩稳定影响分析

工作面回采后，抗破断能力较强的坚硬厚层顶板往往在断裂垮落前形成大范围悬顶[8]，在采空区两侧方向上，坚硬厚层顶板会形成长度较大的侧向悬臂，沿空留巷正处于悬臂下方，较长的厚层悬臂造成巷旁墙体承担过大的附加载荷，导致墙体常在强烈的顶板载荷作用下发生破坏，进而导致留巷围岩结构整体大变形失稳[9]。本文建立数值模型，分析了坚硬厚层顶板条件下，侧向悬臂的状态对围岩变形的影响。

2.1 数值模型

运用基于离散单元法理论的计算程序UDEC(Universal Distinct Element Code)，模拟分析侧向悬臂长度对沿空留巷围岩变形的影响。模型长130m，高60m，采用平面应变模型，本构模型为Mohr-Coulomb，煤岩层物理力学参数见表1。模型侧向边界采用铰支约束，底边界采用固支约束，顶边界施加4.32MPa垂直应力，左右边界施加12.42MPa水平应力，模型如图1所示。

表1 数值模拟计算模型的煤岩体物理力学参数

图1 数值模型

2.2 模拟结果分析

通过强制放顶的方式控制采空区顶板悬臂的长度，悬臂长度0m表示顶板在巷旁支撑体的外缘直接切落，5m表示顶板悬臂末端至巷旁支撑体外缘的长度。

计算得到巷道围岩变形与悬臂长度的关系曲线如图2所示，其中，沿空留巷的两帮变形随着侧向悬臂长度的变化情况如图2(a)所示，悬臂长度从0m增加至20m时，两帮的变形量不断增加，最大变形量从0m时的214.5mm，5m时的257.3mm，10m时的268.7mm，15m时的310.1mm逐渐增加至20m时的392.8mm。而当顶板不采取放顶措施时，帮部变形量要显著大于其他情况，最大变形量达到489.3mm，分别为0m时的2.28倍和20m时的1.25倍。顶底板变形随着侧向悬臂长度的增加也呈现出递增的趋势，最大变形量从0m时的207.7mm，5m时的209.5mm，10m时的223.7mm，15m时的268.7mm逐渐增加至20m时的338.5mm，而当不对顶板采取放顶措施时，顶底最大变形量达到了377.3mm，分别为0m时的1.82倍和20m时的1.11倍。

图2 留巷围岩变形与悬臂长度关系曲线

模拟结果说明悬臂长度对留巷围岩变形有着极为重要的影响，通过人为减小侧向悬臂的长度能够有效降低围岩变形量，最大降低幅度可达56%。在厚层坚硬顶板条件下实施大跨度沿空留巷，为了有效控制留巷围岩变形，需要采取主动措施减小悬臂长度。

3 超前深孔预裂爆破方案

根据上文分析，坚硬厚层顶板条件下，采空区侧向悬臂的运动及其形成的附加应力对于巷旁充填体和留巷围岩结构的稳定性有着至关重要的影响，忽视侧向悬臂的影响作用而一味提高留巷支护强度并不能有效解决巷旁墙体破裂和留巷围岩大变形失稳的问题[10]，因此，坚硬厚层顶板条件下的留巷必须采取主动措施，对顶板进行弱化，以降低采空区侧向悬臂的长度，降低作用于留巷围岩的集中载荷。

基于154307工作面的顶底板条件，借鉴国内坚硬厚层顶板管理经验[11]，采用超前深孔预裂爆破技术对坚硬顶板进行提前预裂。

3.1 爆破深度的确定

爆破深度的确定原则为爆破深度范围内岩石垮落碎胀后可有效支承上覆围岩。工作面采高M为2.2m，煤系沉积岩残余碎胀系数Kp一般为1.2～1.3，因此，爆破深度H=M/(Kp-1)=8.8m，考虑一定富裕系数，确定爆破深度为工作面顶板上方垂直高度10m。

3.2 炮孔布置

沿轨道巷每隔 30m 设置一组炮孔，每组4 个爆破孔，扇形布置，记作 A，B，C，D，孔深、水平角、仰角见图3。炮孔孔底距工作面煤壁5 m 时进行爆破孔装药、爆破，爆破孔联线采用“局部并联，总体串联”的方式，钻孔参数见表2。

图3 超前深孔预裂爆破炮孔布置

孔深/m水平角/(°)仰角/(°)282011232026202732132749

4 留巷加强支护方案

工作面回采后，其前方35m至后方100m范围内，受采动集中应力影响，留巷易发生较大变形，因此，在此范围内需采取主动和被动加强支护措施，避免留巷在一次采动影响下发生较大变形，为下个工作面复用预留足够空间。

4.1 留巷巷旁充填

经过理论和数值模拟计算，在该地质生产条件下巷旁充填体所受到最大垂直主应力约为11MPa，设计墙宽2.2～2.6MPa，可达到使用要求。考虑巷道底板为复合泥岩，确定墙体宽度为2.4m，要求充填墙体强度达到20MPa。采用水泥、粉煤灰、石子、外加剂作为充填主料，经过不同配比试验，最终充填材料单轴抗压强度28d后达到22MPa，满足使用要求。

为提高充填墙体的结构稳定性、完整性及结构刚度，充填墙体内应合理布筋。设计在充填墙体内外两侧，距离充填模板200mm，走向布网孔100mm×100mm，直径6～8mm的焊接金属网，网间采用钢筋固定。

4.2 被动加强支护

超前工作面前方35m，滞后工作面100m范围内受采动影响的区域，采取单体液压支柱的加强支护形式。采用一梁三柱形式，3根单体柱配合铰接顶梁。100m之后视矿压情况采用木点柱拆换单体支护。

图4 采动应力影响段被动加强支护

4.3 主动加强支护

在掘进期间顶板单体锚杆支护的基础上，施工强力锚索进行补强支护。锚索直径21.8mm，长6300mm，配合规格为300mm×300mm×16mm锚索托盘；顶板中部锚索垂直顶板打设，墙体侧锚索倾斜15°打设；使用2支MSK2335、配合2支MSZ2360 树脂药卷进行锚固，要求锚固力不低于200kN，预紧力达到100kN以上。

5 留巷矿压规律分析

对留巷表面位移、单体液压支柱受力进行连续监测，分析留巷矿压规律如下：

(1)留巷围岩变形发展较快区域为工作面后方140m范围之内，工作面后方200m之后围岩基本稳定，但仍保持着煤岩蠕变，变形速度不超过1～2mm/d。

(2)底鼓始终是最主要的变形，最大达到610mm。

(3)顶板下沉呈现出明显的“实体煤侧下沉量小、墙体侧下沉量大”的特点，这是由于顶板向采空区的弯转下沉导致的，巷道顶板下沉稳定后，能保持较好的整体性和稳定性。

(4)留巷加强支护能够适应留巷初期剧烈的矿压显现，保证了巷道顶板的完整性。

(5)留巷稳定后，平均断面收缩率为23%，若不包括底鼓量，收缩率仅有12%，局部底鼓量较大的留巷段，经过一定的卧底和局部的刷帮，断面面积大于8m2，满足了留巷的要求，沿空留巷技术取得了成功。

6 结 论

(1)采用UDEC离散元方法分析了侧向悬臂状态对沿空留巷围岩稳定的影响，得到了留巷围岩活动、变形规律。

(2)形成了超前工作面深孔预裂爆破切放顶技术，确定了切顶高度、炮眼布置方式、爆破时间等完整技术流程。

(3)采取了超前深孔爆破和采动集中应力影响段加强支护后，154307工作面沿空留巷围岩变形得到有效控制，留巷稳定后巷道断面8.0m2以上，可以满足下一工作面回采要求，实现Y型通风，缓解了采掘接续紧张，实现了坚硬厚层顶板条件下的沿空留巷。

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[责任编辑：姜鹏飞]

TD32

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1006-6225(2017)05-0053-04

2017-05-22

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.05.013

王永志(1974 -)，男，山西朔州人，高级工程师，现任岳城煤矿矿长，主要从事采掘衔接、巷道支护以及安全生产的管理和研究工作。

王永志.坚硬厚层顶板工作面沿空留巷技术研究[J].煤矿开采，2017，22(5)：53-56.