厚煤层区段小煤柱切顶护巷研究及应用

杨竹军

(山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000)

随着我国煤炭资源开采可持续发展战略的实施，无煤柱开采形式被广泛应用，受限于不同煤田的瓦斯赋存和煤层自燃等条件，留设小煤柱的沿空掘巷技术具有较好的适应性。采用留设区段小煤柱沿空掘巷方式，巷道经历多次动载扰动，巷道的稳定性控制已经成为亟需解决的关键问题。近年来，专家学者对沿空掘巷稳定分析以及小煤柱巷道围岩控制技术进行了大量的研究，并取得了一定的研究进展。郑西贵[1]等基于理论分析与FLAC3D数值模拟相结合的方法，研究了不同宽度护巷煤柱沿空掘巷掘采过程中的应力场分布规律。马其华[2]等提出了深井小煤柱护巷机理以及巷道支护技术，从理论上证明了采用小煤柱护巷技术及高强锚杆支护方式可以有效的保证沿空巷道的稳定性。李迎富[3，4]等通过建立沿空留巷关键块力学模型，推导出巷旁支护阻力计算公式。蔡峰[5]等研究了切顶阻力对顶板断裂位置的影响。查文化[6]等探究了基本顶断裂线位置与关键块转角和煤柱上覆载荷之间的关系。殷帅峰[7]等研究了基于基本顶断裂位置的综放窄煤柱煤巷非对称支护技术。谢承煜[8]等对缓斜极厚矿体开采安全切顶厚度进行了研究。基于上述研究成果本文以长平矿43092巷为研究对象，进行小煤柱巷道安全留设研究。长平矿属于高瓦斯矿井不宜采用爆破方式切顶，水压致裂切顶工程量较大，因此采用超前钻孔预裂切缝施工方法对4309工作面上覆岩层进行切顶。

1 工程概况

长平煤矿3#煤层平均埋深为500m，煤层平均厚度5.75m，工作面的长度为200m，采用综合机械化放顶煤开采，采煤机割煤高度为3m，放煤高度为2.75m。4309工作面煤层的顶底板岩性相差不大，裂隙发育不大，主要表现为：顶板是砂质泥岩，稳定性较差，结构比较软，强度不高，容易受到风化等作用的影响。底板主要为泥岩，还含有一定的粉砂岩和细粒砂岩，煤层的结构柱状图如图1所示。

图1 煤岩综合柱状图

Ⅲ4309工作面长度为200m(两侧巷道中线间距)，净长度为194.9m；推进长度为638.254m(切眼中线至终采线)，净推进长度为638.254m。工作面采用三巷布置，工作面通风方式为偏“Y”型，两进一回，工作面巷道均直接(或通过风桥)与盘区巷道相搭接。工作面运输进风巷Ⅲ43093巷担负进风、运煤、供电、供水任务；工作面辅助进风巷Ⅲ43092巷担负供液、进风、供水、运料任务；工作面回风巷Ⅲ43091巷担负回风任务。工作面巷道、切眼均沿煤层底板掘进。其中，Ⅲ43093巷与Ⅲ43092巷在初始工作面前170m范围为6m区段小煤柱段，巷道设计断面尺寸为4.4m×3.2m(宽×高)，Ⅲ43093巷、通风横川为一次使用巷道，Ⅲ43092巷为留巷巷道工作面，布置如图2所示。

图2 43092巷道布置图

2 沿空掘巷覆岩运移特征

钱鸣高院士提出的关键层理论认为在煤层顶板中，上覆岩层的厚度和力学特性有很多的差别，主要是因为岩石的矿物成分和成岩环境不同引起的。但是上覆岩层中一定存在一种比较坚硬且有一定厚度的岩层起着主要的作用。这些岩层的破断对采场的矿压和运移起着决定性的作用。依据上述提出的理论基础，钱鸣高院士提出了关键层在刚度及强度条件下的判别准则和方法。实践证明，关键层理论的基本方法和原理应用在研究综放小煤柱上覆岩体大结构稳定性方面是适宜的。但与综放采场相比，综放小煤柱围岩结构具有特殊性，因此在解决长平煤矿综放小煤柱问题时，必须综合考虑其特殊条件和具体情况。

2.1 小煤柱护巷顶板覆岩结构分析

研究普遍认为综放小煤柱上覆岩体在工作面回采后的破断过程为：上区段工作面回采时工作面未放出的顶煤作为垫层随工作面推进承受支承压力首先垮落。上区段工作面回采完成后直接顶与基本顶发生离层，直接顶下沉开始不规则垮落。直接顶垮落完毕以后，基本顶逐渐开始弯曲下沉规则垮落，断裂位置在煤壁内侧上覆岩体中产生。在采空区侧形成砌体梁结构，由块体A、B、C铰接组成的小结构支撑体，如图3所示。

图3 沿空巷道上覆岩层结构示意图

从图3中可以看出来，沿空巷道的稳定状况主要是受到关键块B的影响，关键块B的下沉运动将直接影响其下的直接顶的稳定性。图中块体A为上覆岩层的基本顶岩层，块体B为两个相邻工作面在靠近采空区侧形成的弧形关键块，块体C为采空区上方基本顶断裂块。小煤柱稳定性主要受到块体B的影响。关键块B的主要参数有4个：基本顶岩层在工作面推进方向破断块体长度L1、基本顶破断块体侧向跨度L2、断裂块体的厚度h和块体断裂位置距煤壁的距离x0。可以通过基本顶的破断形式和基本顶的周期来压步距综合确定关键块B的主要参数[10]。

2.1.1 确定参数L1

基本顶周期来压的步距就是基本顶岩层工作面推进方向破断块体的长度，L1的具体数值计算为：

式中，h为基本顶的厚度，m；R1为基本顶的抗拉强度，MPa；q为基本顶单位面积承受的载荷，MN/m2。

4309工作面基本顶厚度为h=11.76m，基本顶的抗拉强度为R1=5.69MPa，基本顶单位面积承受的载荷为q=1.28MN/m2。将有关参数带入式(1)得到破断块体B的长度为14.32m。

2.1.2 确定参数L2

然而，式(1)和式(2)在使用过程中，却面临故障点电弧消弧及去游离时间txyl难以确定的困难。大多仅能依靠经验，在现场工程中为了提升断路器重合闸成功率，保证在断路器重合闸后瞬时性故障已经可靠消除，单侧电源线路重合闸动作时间一般取0.8～1 s。

基本顶断裂后在靠近采空区侧形成的弧形关键块的悬跨度即为基本顶破断块体B的侧向跨度L2。运用屈服线分析方法，可以得到L2的长度主要由工作面长度S和基本顶的周期来压步距L1计算的，计算公式为：

通过对大量的观测数据对比，当S/L1>6时，基本顶破断块体的宽度L1与基本顶周期来压步距L2大致相等。4309工作面长度为200m，L1为14.32m，带入公式中可以得到基本顶断裂块体B的宽度为16.50m。

2.1.3 确定参数h1

根据对小煤柱上覆岩层结构的分析，基本顶岩层厚度为关键块B的厚度h1。所以关键块B的厚度为11.76m。

2.1.4 断裂位置确定

煤柱上方关键块断裂位置可根据支承压力峰值与煤体边缘之间的距离x0确定。

式中，K为应力集中系数；γ为岩层重度，kN/m3；H为巷道埋深，m；P1为支架对煤帮的阻力，MPa；m为煤层开采厚度，m；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数；C0为煤体的内聚力，MPa；φ为煤体的内摩擦角，(°)；ξ为三轴应力系数。

结合4309工作面具体情况得出如下数据：m=5.75m，φ=30.27°，C0=1.6MPa，K=2，γ=23kN/m3，H=510m，P1=0.8MPa，将相关数据带入式(3)可得x0=5.73m。由计算结果可知，上覆岩层关键块段，断裂位置在小煤柱正上方，关键块B旋转下沉过程中对小煤柱施加附加载荷，造成小煤柱稳定性下降，此时巷道围岩不利于支护[7]。

2.2 切顶高度参数确定

切顶高度要与直接顶垮落高度相适应，既要保证将悬露直接顶切落，同时也要减小工程量。预裂切缝深度临界公式如下：

△H=(H煤-△H1-△H2)(K-1)(4)

式中，△H1为顶板下沉，m；△H2为底鼓量，m；H煤为煤层厚度，m；K为碎胀系数，一般取1.3～1.5。

根据长平矿4309工作面顶板岩性，设计K=1.4，根据巷道揭露底层及补打钻孔资料显示，该工作面煤层厚度变化不大，因此采高取5.75m，将有关参数代入式(4)所得切缝高度为14.8m。工作面顶板到基本顶上层面的距离为15.76m。综合以上分析钻孔深度取15m。

2.3 切顶步距参数确定

钻孔之间的间距决定了切顶效果，钻孔间距较大时，上覆岩块切缝面强度无法达到切顶要求，严重影响顶板跨落，间距较小时，工程量增加，43092巷道上部岩层较破碎不易经历多次爆轰影响。根据经验及本工作面地质条件，选定孔间距为0.5m。

3 顶板预切缝效果分析

根据长平煤矿4309工作面具体工程地质条件，并结合4305工作面已有的矿压监测结果，根据43092巷道赋存地质条件以及巷道实际形状，利用有限差分软件FLAC3D建立三维实体模型，模拟对顶板切割后，工作面回采前后小煤柱周围岩体的竖直应力场分布，验证前文的理论计算结果。

3.1 区段小煤柱数值模型

根据长平煤矿4309综放工作面煤层顶底板的地质情况建立简化模型。模型由六面体单元构成，计算长×宽×高=332m×30m×30m，共划分116100个正六面体单元124930个节点，模型限制水平移动，底板固定，模型上表面为应力边界，施加载荷为12.5MPa，模拟上覆岩层自重边界，材料破坏符合摩尔-库伦准则。模拟所采用的岩体力学参数通过实验室得出。长平煤矿4309工作面煤层及顶底板力学特征见表1。

表1 4309工作面顶底板岩层力学特征表

3.2 模拟切顶前后应力场分析

模拟4309工作面回采时，采空区上覆岩层自然垮落过程中的应力场分布[11]，如图4所示。工作面回采过程中，上覆岩层失去煤的支撑作用不能维持稳定，逐步破坏断裂下沉。应力场重新分布，侧向支承压力峰值右移，6m小煤柱及巷道处在应力降低区内，如图4所示。此时小煤柱支撑上覆弧形关键块的数值计算应力大小为17.5MPa，与理论计算值基本相符。

图4 侧向支承压力右移示意图

采用超前切顶技术主动控制关键块B的断裂线位置，切顶后采空区上覆岩层下降过程中小煤柱应力变化过程如图5所示，显然切顶之后采空区侧的弧形关键块对煤柱的影响大幅下降，此时小煤柱应力值范围在7～9MPa之间，与没有切断关键块相比降低50%左右。极大地降低了小煤柱所受采动影响以及消弱了弧形关键块B对小煤柱的作用。此时注浆加固后的小煤柱强度足以承载小煤柱所受应力，保证了小煤柱的稳定性。

图5 切顶后应力分布图

4 工程应用

根据设计参数，在长平矿Ⅲ43092小煤柱护巷巷道进行现场测试。采用超前钻孔分离顶板技术，沿小煤柱采空区一侧每隔0.5m打一个15m深的钻孔，以此来达到改变43092巷上覆顶板岩体结构的目的。在掘进过程中，及时给小煤柱注浆，增加小煤柱强度，提高切顶效果。

在周期来压的作用下，悬伸的上覆岩层沿预裂面切落，切落的矸石落在采空区内实现接顶，这很大程度减小了小煤柱的应力集中程度，使得应力集中向围岩深部转移，极大地改善了43092巷的围岩应力环境，提高了43092巷围岩稳定性，基本顶断裂情况如图6所示。

图6 基本顶断裂位置示意图

现场巷道顶底板移近量测试结果显示，工作面采动前，巷道顶底板收缩变形小于12mm，随着工作面采动，变形量逐渐加大，采动影响后最大顶底板移近量小于200mm。随着工作面推进，周期来压过后，位移增加趋势减缓。

43092巷两帮移近量测试结果显示，工作面回采前，巷道两帮收缩量不大于20mm。回采初期，顶板处于稳定状态，巷道两帮移近量变化较小，当工作面采过，巷道两帮位移量开始变大，当工作面推进一定距离，巷道两帮变形量趋于稳定，最大变形量不超过350mm。

综上，在掘巷期间和工作面回采期间区段小煤柱及煤柱巷道保持稳定，支护效果良好。由此可见，长平煤矿4309综放工作面区段6m小煤柱护巷技术，得到了成功的应用，大大提高了工作面的回采率，延长了矿井的服务年限，为其他工作面提供了理论指导。

5 结 论

1)工作面回采后，采空区上覆关键层断裂下沉，在小煤柱上方形成关键块，关键块的断裂位置不同，导致关键块B对小煤柱的施加附加载荷差异，断裂位置控制在小煤柱外采空区侧可以有效降低小煤柱所受应力载荷。

2)超前钻孔预切缝技术能更好地适用于高瓦斯矿井小煤柱护巷工程。

3)“加强支护小煤柱+巷内加强支护+超前切缝联合切顶技术”在小煤柱留设巷道43092巷成功应用，43092巷道在回采期间以及回采以后巷道变形微小，可以为后续矿井生产服务。