深部开采坚硬顶板沿空留巷围岩运动特征及控制技术

赵大维

【摘 要】 为缓解采面采掘接替紧张局面，针对深部开采坚硬顶板工作面沿空留巷面临围岩控制困难问题，文章采用数值模拟技术对留巷巷道围岩变形特征进行分析，提出针对性巷道围岩控制技术，并进行了工程应用。研究结果表明：1）深部条件坚硬顶板工作面采用沿空留巷时采空区垮落顶板会加剧留巷段围岩应力集中程度，留巷段切顶高度以切断坚硬岩层为宜，就8506运输巷而言切顶高度宜为5.0m;2）根据8506工作面开采后采动动压分布特征，提出分段对留巷段围岩进行控制，具体在采前用高强锚索+单体+切顶卸压对巷道顶板进行控制，采后用单体+挡矸支柱对围岩及采空区内矸石进行控制;3）采面后方160m以外留巷围岩变形基本趋于稳定，此时顶板、巷帮变形量最大值分别为132mm、25mm，巷道断面收缩率在10%以内。研究成果可为其他深部矿井坚硬顶板工作面沿空留巷工作开展提供可靠经验借鉴。

【关键词】 深部开采;坚硬顶板;沿空留巷;围岩变形;切顶卸压;补强支护

众多研究学者对沿空留巷技术展开研究，并提出了高水充填、膏体充填以及柔模混凝土充填等留巷技术方法。本文采用数值模拟技术对深部开采坚硬顶板沿空留巷围岩运动特征进行分析，并根据研究成果提出针对性围岩控制技术。

1工程概况

山西某矿8506综采工作面位于南翼5采区，采面设计回采长度为1460m，切眼长度为190m。采面开采的8号煤埋深在720～930m，煤厚2.1m，倾角6°，硬度（f值）0.8～1.2，赋存较为稳定。在8506综采工作面开采范围内地质构造不发育，煤层瓦斯含量8.9m3/t，采面开采煤层具有地应力高、埋深深特点，顶底板岩性以坚硬的石灰岩为主，具体煤层顶板岩层岩性综合柱状图见图1。

2切顶卸压留巷围岩变形分析

为了给后续采面巷道留巷工作开展提供指导，文中采用FLAC3D软件对切顶高度0m（不切顶）、3m、5m、8m等不同间距时沿空留巷巷道围岩变形特征进行分析。

2.1模拟模型构建

构建的模拟模型长400m、高200m，具体模拟中煤岩参数见表1。

根据采面开采的8号煤层埋深，在模型上部施加16.8MPa垂向应力代表上覆岩层载荷，模型上部为自由边界，左右两侧及下部均为固定边界。采用切顶卸压后巷道围岩主要通过高强锚索、锚杆实现，因此在模拟时在对巷道围岩施加锚网索支护。

2.2围岩应力分布

2.2.1垂向应力分布

不同切顶高度时围岩应力分布见图2。

除去巷道顶板靠近左帮位置存在有小范围上向垂向应力外，其余位置垂向应力均向下分布且在顶板右帮角位置垂向应力最大，其中切顶0m、3m、5m、8m时顶板右帮角位置应力峰值分别为23.5MPa、21.6MPa、18.9MPa、18.6MPa。在巷道底板位置垂向应力均向下分布，且在底板左帮向右帮方向垂向应力呈逐渐增加趋势，切顶0m、3m、5m、8m时底板右侧巷帮底角位置应力值分别为7.6MPa、7.3MPa、7.2MPa、7.0MPa。

2.2.2侧向应力分布

不同切顶高度范围内留巷巷道侧向应力分布情况见图3所示。

由图3可知：采面内侧向压力随着距离采空区距离增加先呈快速增加后呈现迅速降低趋势，在距离采空区15～18m位置时侧向应力逐渐趋于平衡。切顶高度0m时采面侧向应力峰值达到65.7MPa、应力集中系数达到3.3;切頂高度在5m之前，随着切顶高度增加侧向应力峰值以及应力集中系数均呈现迅速降低趋势;当切顶高度为5m时，侧向应力峰值、应力集中系数分别为40.5MPa、2.0，较不切顶时降低约38.4%。

随着切顶高度增加，切顶高度对侧向应力影响逐渐减少，当切顶高度增加至8.0m时，侧向应力峰值、应力集中系数分别为38.7MPa、1.92，较不切顶时降低41%，较切顶5m时降低4.5%。

2.3围岩位移

不同切顶高度时留巷巷道围岩变形模拟结果，具体围岩变形监测结果见表2。

不同切顶高度时巷道右侧顶板下沉量较左侧小，且在采空区边缘位置顶板下沉量最大，具体切顶0m、3m、5m、8m时顶板下沉量最大值分别为152mm、141mm、123mm、119mm;巷道底板均出现一定量底鼓显现，其中底板中部靠近右侧巷帮位置底鼓量达到最大，切顶0m、3m、5m、8m时底板底鼓量分别为237mm、205mm、132mm、125mm。

2.4切顶高度综合确定

从模拟结果得知，切顶高度达到5.0m之前围岩应力峰值、围岩变形情况变化幅度较大，而切顶高度达到5.0m之后围岩应力峰值、围岩变形情况变化幅度均显著降低。根据图1可知，8号煤层顶板为厚度5m的坚硬石灰岩，依据模拟结果得知，切顶高度达到5m时即可切断该石灰岩从而降低顶板岩层移动给留巷工作带来影响，为留巷工作开展创造良好的应力环境。

3围岩控制技术及效果分析

3.1留巷支护方案

8506运输巷采用切顶卸压留巷技术保留下来作为后续8508综采工作面回风巷使用，8506运输巷采用以锚网索为核心的联合支护技术，为了降低8506采面回采对留巷工作影响，留巷工作围岩控制分三个阶段进行，分别为巷道补强支护（切顶卸压）、滞后段临时支护以及挡矸支护。

3.1.1巷道补强支护（切顶卸压）

在8506运输巷原有锚杆、金属网支护体系基础上，采用高强锚索、金属网、梯子梁补强加固。锚索垂直顶板布置、间排距均为1000mm，锚固力在200kN以上;金属网规格为2.6m长、1.2m宽，搭接距离在100mm以上、与回采帮间距控制在200mm以上;采用梯子梁将补强锚索连接到一起。

在巷道内施工的切顶钻孔切顶高度为5.0m，为了避免在切顶过程中受到爆破影响巷道顶板表层出现离层情况，采距离切顶钻孔300mm位置开始布置1排单体支柱对顶板进行支护，单体支柱均需“穿鞋带帽”，避免下陷到底板中且初撑力均应在100kN以上。

3.1.2滞后段临时支护

在滞后段采用3排单体支柱并结合π型梁构成迈步式抬棚对巷道顶板进行支撑，采用的π型梁长度为4.0m，具体单体支护布置情况见图4所示。

3.1.3挡矸支护

采空区侧挡矸支护结构由外到内分别为金属网（双层）、挡风布、U型钢（可伸缩）以及槽钢。采用的U型上下搭接距离在500mm以上，下部U型钢底部要“穿鞋”并在底板上预先挖深度在200mm以上窝柱，用以显著U型钢位移;上部支撑顶板U型钢在外、底部U型钢在内，邻近两U型钢间距为500mm。

3.2围岩控制效果

对留巷后围岩变形进行监测，在整个留巷巷道内顶板、巷帮变形量最大分别为132mm、25mm，围岩变形量较小，具体结果见图5。

从监测结果看出：

在开始留巷阶段由于受到8506采面采动动压影响，巷道围岩变形量增加明显，对应图中A阶段，此阶段为采面后方0～50m范围;随着采面推进采动动压留巷段影响逐渐降低，同时采空区内顶板下沉逐渐稳定，围岩变形量增加率逐渐降低，具体对应图中B阶段，此阶段为采面后方50～100m范围;随着与采面距离进一步增加，采面采动对留巷围岩影响更小，围岩变形趋于稳定，对应图中C阶段，此阶段为采面后方100～120m范围，在此范围内对需要回撤巷道内单体支柱进行回收;受到单体支柱回撤影响，顶板支护强度有所降低，围岩应力重新分布造成围岩变形，但在巷道支护体系影响下围岩变形增加幅度很小，具体对应图中D阶段，此阶段为采面后方120～160m范围;单体支柱回撤后巷道围岩应力分布稳定，围岩基本不再发生变化，形成留巷稳定区，具体对应图中E阶段，此阶段为采面后方160m以外。

4总结

8506运输巷沿空留巷围岩控制面临的主要问题是顶板岩层坚硬，采空区覆岩顶板破断时会给留巷工作带来较大的侧向应力，从而给巷道围岩控制带来不利影响。采用切顶卸压可显著降低采空区覆岩破断、垮落给留巷造成影响，通过数值模拟分析发现切顶卸压高度为5m时即为8号煤层顶板坚硬石灰岩厚度，留巷段围岩应力集中程度显著降低且围岩变形量较小，可为留巷工作开展创造良好条件;

在8506运输巷留巷过程中将巷道围岩控制8506采面采动影响、围岩内应力分布特征分为巷道补强支护（切顶卸压）、滞后段临时支护以及挡矸支护，并针对性提出锚索补强、切顶卸压、单体补强支护以及挡矸支护方案。

现场应用后，8506运输巷留巷段顶帮、巷帮最大变形量分别为132mm、25mm，巷道断面收缩率在10%以内，留巷断面可满足后续8508综采工作面回采需要。这表明文中所提留巷围岩控制方案具有显著的应用成果。

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