大倾角煤层切顶成巷顶板结构演化及控制技术

2020-04-07张礼赵晶王栓林

矿业科学学报 2020年2期

张礼，赵晶，王栓林

1.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013

近几年来，随着冲击地压解危措施[1-2]及“110工法”的推广应用[3-6]，巷旁切顶技术及巷旁切顶沿空留巷技术已逐步成熟。沿空留巷的技术关键是控制巷道围岩变形，传统的沿空留巷巷旁支护方式主要有矸石袋垒墙、混凝土块、矸石混凝土、膏体充填、高水材料充填等[7-10]。与传统沿空留巷相比，切顶成巷关键技术在于预裂切缝技术和控制顶板冲击变形。孙晓明等[11]对预裂切缝关键参数进行了研究，对切顶成巷的稳态进行了分析。何满潮等[12]分析了切顶成巷工作面矿压分区特征，提出采用恒阻大变形锚索可有效控制巷道围岩变形。切顶成巷技术多用于近水平及缓倾斜煤层中，其在大倾角煤层中的应用还相对较少。大倾角煤层沿空留巷技术推广的难点是在留巷过程中易出现采空区飞矸伤人的问题[13]。而大倾角煤层切顶成巷技术可充分利用垮落矸石的堆积特性及其自身承载能力，将飞矸问题和巷旁支护问题巧妙地融合为一体。

本文以大倾角煤层切顶成巷技术原理为基础，对切顶成巷巷道的顶板结构和围岩应力分布特征进行了分析，有效利用大倾角煤层采空区矸石下滑堆积、“前柔后刚”的自承载特性，提出利用采空区矸石、巷道顶板梁结构和实体煤壁构建巷道围岩稳态控制体系的思路。以长沟峪煤矿1501工作面为工程背景进行现场试验，试验巷道顶底板累计变形量为177 mm，支柱支护阻力小于28 MPa，支柱未出现明显弯折情况，现场应用取得成功。

1 工程概况

长沟峪煤矿1501工作面开采太原组15号煤，煤层平均埋深为900 m，平均厚度为2.5 m，平均倾角为38°。工作面钻孔柱状图如图1所示。实验室测得顶底板物理力学参数见表1。1501工作面长度为90 m，推进长度为210 m。开采顺序沿倾斜方向由上往下开采，综合机械化采煤，垮落法控制顶板，1501运输巷采用沿空留巷，在1502工作面回采期间作为回风巷使用。

图1 1501工作面钻孔柱状图Fig.1 Borehole column diagram of 1501 working face

表1 煤岩体物理力学参数

2 大倾角煤层切顶成巷技术原理

大倾角煤层切顶成巷技术原理如图2所示。在超前巷道靠近工作面侧对煤层顶板实施预裂切缝，使巷道顶板结构变为一端固支一端简支的短悬臂梁。采煤后直接顶沿切缝处先行垮落，矸石在自重作用下滚落下滑，利用挡矸装置使其在工作面下部堆积。下位基本顶在矿山压力作用下沿着切缝位置滞后直接顶断裂，将堆积矸石压实。堆积矸石前期松散易压缩，后期被压实具有较强承载能力，表现出“前柔后刚”的自承载特性[14]。最终形成集采空区矸石、巷道顶板梁结构、实体煤壁三者为一体的巷道围岩稳态控制体系。切顶成巷技术无须额外构筑巷旁支护体，通过切顶技术提高采空区矸石的碎胀体积，借助矿山压力实现自动成巷。

图2 切顶成巷技术原理Fig.2 The technology principle of GERRC

3 不同留巷方式顶板结构及围岩应力差异性分析

通过简化的顶板梁力学模型分析巷道上方顶板结构的演化过程，研究发现：传统留巷和切顶成巷两种沿空留巷方式的顶板结构存在较大差异，预裂切顶的沿空留巷方式更有利于巷道的稳定。

3.1 顶板结构演化差异性分析

3.1.1 传统留巷顶板结构演化

将基本顶破断前[图3(a)]的受力简化为如图3(b)所示的顶板梁力学模型，垮落矸石未被压实前处于松散状态，支撑力较小，模型中不予考虑。图3中极限平衡区、巷道、巷旁支护体、采空区等四段上方对应的基本顶分别记做OA、AB、BC、CD段。

x0—极限平衡区宽度；a—巷道宽度；b—支护体宽度；c—支护体外侧悬臂长度；q—顶板梁自重荷载；Fa—极限平衡应力；Fb—巷旁支护体的支护阻力；l—基本顶侧向破断长度图3 传统留巷基本顶破断力学模型Fig.3 Mechanical analysis model of main roof breakage in traditional GER

对巷旁支护体两侧顶板梁的弯矩进行分析可知：

(1)

式中，MBC，max为基本顶BC段的最大弯矩，kN·m；MCD，max为基本顶CD段的最大弯矩，kN·m。

基本顶达到极限跨距后，只有当Fb足够大时才能保证MBC，max

传统留巷顶板结构演化力学模型如图4所示，顶板梁将先后经历两端固支、长悬臂梁(长臂梁)、两端简支等三种状态。悬臂越长，巷旁支护体需要承受的应力越高，巷道稳定性越差。图4中qi(i=1，2，3)为上覆岩层的均布荷载。

图4 传统留巷顶板结构力学模型演化Fig.4 Mechanical model evolution of roof structure

3.1.2 切顶成巷顶板结构演化

切顶成巷需超前工作面进行预裂切缝。随工作面的推进，采空区矸石先后经历垮落、压实、稳定等动态演化过程，对应的巷道顶板结构形态会发生改变。如图5所示，顶板梁先后经历两端固支、一端固支一端简支、短悬臂梁(短臂梁)、一端固支一端简支等状态。根据巷道顶板与4两帮支撑结构的连接状态不同，可将沿空切顶巷道划分为工作面超前区Ⅰ、切顶区Ⅱ、留巷动压区Ⅲ和留巷稳压区Ⅳ。在留巷动压区Ⅲ矸石不断被压实，承载力逐步升高，到达Ⅳ区域基本保持恒定。与传统留巷相比，巷道顶板预裂切缝后围岩结构形态及顶板应力分布发生明显的改变，顶板梁由两端简支变为一端固支一端简支，此时顶板梁处于超静定状态，更有利于巷道稳定。图5中qi(i=1，2，3，4)为上覆岩层的均布荷载。

图5 切顶成巷顶板结构力学模型演化Fig.5 Mechanical model evolution of GERRC structure

3.2 留巷围岩应力分析

基于1501工作面煤层赋存情况，利用UDEC5.0对传统留巷与切顶留巷两种方案进行数值模拟。初始模型尺寸为120 m×70 m，模型的两侧和底部采用固定边界，上部施加21 MPa垂直应力(上覆岩层重力)。在相同的巷内支护条件下，对留巷稳压区Ⅳ近采空区侧巷道的巷旁支护阻力及顶底板移近量进行监测。两种留巷方案巷道围岩应力分布如图6所示，巷旁支护阻力及顶底板移近量见表2。

图6 留巷区域应力分布Fig.6 Distributions of stress and deformation of GER

表2 巷旁支护阻力及顶底板移近量模拟结果Tab.2 Roadside support resistance and roof to floor convergence

采用传统留巷时[图6(a)]，在巷道采空区侧的基本顶呈倒台阶式的砌体梁状态，巷旁支护体所受垂直应力为24.3 MPa，巷道顶底板移近量为453 mm，巷道变形严重；采用预裂切顶后[图6(b)]，巷旁支护体所受垂直应力与顶底板移近量分别为19.2 MPa、224 mm，分别降低了20.9%、50.5%。切顶成巷巷旁支护体的受力和顶底板移近量均小于传统留巷。

4 切顶成巷不同阶段围岩稳定性分析

对切顶成巷顶板结构演化过程分析发现，不同留巷位置巷道顶板的稳定程度存在较大差异，主要体现在巷旁支护体对顶板短臂梁结构的稳固程度。高玉兵等[15]提出使用稳态系数λ来表征巷道顶板的稳定程度。

稳态系数λ的计算公式为

(2)

式中，Fs为巷旁支护体有效支撑力，kN；Fm为顶板岩梁失稳临界力，kN。

当λ>1时，巷道处于稳定状态；当λ=1时，顶板处于临界失稳状态。

切顶成巷全过程稳态系数的变化趋势如图7所示。

图7 不同留巷分区稳态系数变化趋势[15]Fig.7 Variation trend of the steady-state coefficient in different positions with GERRC

Ⅰ区域顶板未受切缝影响，巷道顶板处于两端固支状态，巷道稳定性最高，稳态系数最大；Ⅱ区域顶板受到切缝影响，Fs有所减小，但由于工作面煤体及顶板仍对短臂梁结构起支撑作用，巷道稳定性依旧很高；Ⅲ区域顶板为悬臂梁状态，矸石一直处于垮落、堆积、压实过程中，工作面支架后方的矸石最为松散，Fs最低，巷道最不稳定，随着与工作面距离的增加，堆积的矸石不断被压实，λ不断提高。已有研究发现矸石承载力与压缩量近似呈指数关系增长[16]；Ⅳ区域堆积矸石完全压实后，Fs再次稳定，λ不再变化，但Ⅳ区域稳态系数较Ⅱ区域有所减小。

综上分析，留巷动压区Ⅲ为留巷过程中最不稳定区域，有效提高动压区最低稳态系数、减少动压持续距离对留巷过程中的巷道稳定性控制极为关键。

5 切顶成巷顶板变形特点及围岩控制技术

5.1 顶板变形特点

通过大量工程试验发现，尽管对巷道顶板实施了预裂切缝，采空区顶板岩体的垮落并非按切缝深度一次性完全垮落，而是在周期来压作用下分批次垮落；预裂切缝对直接顶及基本顶下位岩层的垮落和碎胀具有一定的促进作用，但切缝影响有一定范围。基本顶未充分来压前，巷旁矸石支护体顶端与基本顶下位岩层之间存在少量未充填空间。基本顶来压后巷道顶板将发生少量的回转，直至将矸石压实。因此留巷加强支护和挡矸设备应能实现协同变形，可控让压。围岩稳定结构形成前期，支护结构应以让位为主，直至碎胀矸石有效承载。围岩稳定结构形成后期，支护结构应起主要支撑作用，最终在巷道围岩和支护结构共同作用下，形成稳定巷道。

5.2 围岩控制技术

围岩控制技术包括切顶工艺和支护工艺两方面。一是考虑顶板切缝的角度，避免顶板岩层形成铰接结构，并增大岩体的碎胀特性；二是考虑主动支护和被动支护的协调性，保证留巷过程中支护结构能协同变形可控让压，始终保持支护的可靠性。

5.2.1 切顶工艺优化

岩层因被切割而发生垮落时，块体垮落易形成铰接结构[17]，特别是大倾角煤层，因此切缝角度的优化至关重要。通常，垂直巷道顶板切缝时，顶板梁悬空范围最小，但矸石垮落过程中易与巷道顶板产生动态剪切力，阻碍岩块垮落。随着切缝角度增大，碎胀矸石对巷道顶板的支撑力增强，使顶板梁悬空范围变大，给留巷造成不利影响。合理的切缝角度不仅有利于采空区顶板垮落，还有助于优化围岩应力。在上述建立的初始模型的基础上，对垂直顶板、竖直方向、偏采空区方向(倾角60°)三种切缝角度的围岩应力进行数值模拟发现，偏采空区方向的切缝角度更利于巷道围岩稳定，如图8所示。

5.2.2 支护工艺优化

留巷加强支护和挡矸设备应能实现协同变形，可控让压。因此，在原有巷内基本支护的基础上，在巷道靠采空区一侧考虑使用恒阻大变形锚索做主动加强支护，使用密集单体支柱做被动加强支护和挡矸支护。

图8 三种切缝角度围岩应力分布Fig.8 Surrounding rock stress distribution for the three cutting angles

5.2.2.1 恒阻大变形锚索主动支护

恒阻大变形锚索主要由恒阻体、钢绞线、托盘和锁具等组成。当锚索受力小于恒阻值时，钢绞线处于弹性工作状态，受力超过恒阻值时恒阻套管内的锥形体沿着套管内壁滑移，利用恒阻器的结构变形抵抗外加荷载，直到围岩再次稳定。恒阻锚索结构与恒阻让位特性曲线如图9所示。

图9 恒阻锚索原理与工作特性曲线[18]Fig.9 Constant resistance anchor cable principle and characteristic operating curve

5.2.2.2 密集支柱挡矸支护

采空区破碎矸石因自身重力会向工作面下部滚落堆积，产生横向冲击力，挡矸结构应有足够的抗横向变形能力。此外，由于支护结构集中布置在切缝侧附近，切缝侧下沉较实体煤帮侧明显，因此巷旁支护需满足一定程度让位。单体液压支柱的工作特性如图10所示[19]，当受力超过工作阻力时，液压液外泄，柱长缩短，顶板岩层发生移动，具有很好的恒阻让压特性。

P0—始动阻力；PN—额定工作阻力；ΔP—变化量图10 单体支护工作特性曲线Fig.10 Working characteristics of the hydraulic prop

6 工程试验

6.1 原巷道支护

巷道原有支护为锚杆+钢网+锚索支护，支护参数如图11所示。顶板锚杆间排距为1 300 mm×1 000 mm，巷道帮锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，金属网由φ6 mm钢筋焊接而成，网孔尺寸为50 mm×50 mm。

图11 巷道原有基本支护(单位：mm)Fig.11 Original support of roadway(unit：mm)

6.2 设计参数

根据工作面工程地质条件及巷道控制的需求，确定参数(图12)如下：①预裂炮眼长度17 m，仰角60°，与巷道夹角90°，孔口间距5 m，预裂爆破采用“3+3+3+3+2”装药结构，正向装药；②巷道沿空侧采用恒阻锚索，锚索长度为9 m； ③巷旁采用密集支柱做挡矸支护，柱距为0.3 m；④选择灌木捆固定在支柱靠采空侧起缓冲作用并阻挡矸石溜入巷道；⑤留巷前期巷道中部增加一排单体支柱做临时加强支护，柱距为0.6 m。

图12 切顶成巷支护效果图(单位：mm)Fig.12 Support design of GERRC(unit：mm)

6.3 留巷效果

为了观测巷道的变形量与顶板压力，在回采工作面后方分别布置KY-82型顶板动态仪和单体支柱压力计，对留巷顶底板移近量和挡矸支柱的承载力进行观测，以研究切顶成巷的应用效果。承载力测点1、2、3分别布置在工作面后方5 m、20 m、 30 m处。

从图13中可以发现，沿空留巷初期阶段顶底板绝对移近量较大，后期逐渐稳定。留巷全过程巷道累计变形量为117 mm，变形较小。布置在工作面后方的3个测点在观测期支柱支护阻力基本保持在18～28 MPa之间。测点1处于留巷动压区，随着工作面的推进，第20 d时支柱支护阻力突然增大，支柱处于恒阻让位阶段，直至矸石有效承载；测点3处于留巷稳压区，支柱支护阻力很平稳基本保持在16～ 23 MPa之间。切顶沿空留巷现场实际效果如图14所示。