黔西高瓦斯工作面沿空留巷“卸-支-护”技术研究

2022-05-16王晓鹏刘东亮曹春晓倪惠宁

中国矿业 2022年5期

王晓鹏，刘东亮，曹春晓，倪惠宁

(1.永贵能源开发有限责任公司新田煤矿，贵州毕节 551500； 2.中国矿业大学，江苏徐州 221116； 3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221116)

大规模、机械化的煤炭开采使我国煤炭资源日益紧缺[1]。传统长壁采煤法留设区段煤柱不仅存在着大量资源浪费与工作面接替的问题[2]，同时随着矿井开采深度的增加，也面临着区段煤柱应力集中造成巷道大变形难以支护的困境[3]，严重影响着煤炭资源的安全高效开采。近年来，沿空留巷技术得到了迅速发展，胡涛等[4]研究了爆破切顶后巷道围岩应力与位移的作用关系，有效控制了巷道围岩变形；TAN等[5]分析了不同顶板组合条件下留巷矿压显现特征，提出合理的沿空留巷留巷围岩综合控制技术。在诸多学者的研究下，沿空留巷技术已近趋于成熟，极大地提高了煤炭资源的回收率，改善了采掘环境[6]。本文以1404工作面为工程背景，基于上一工作面沿空留巷中存在的诸多问题，进一步提出了沿空留巷“卸-支-护”技术，为合理确定沿空留巷技术参数，解决围岩控制与瓦斯突出问题提供解决思路。

1 工作面概况

新田煤矿1404工作面地面标高+1 349.8～+1 419.0 m，井下标高+911.0～+951.4 m。 1404工作面走向长925 m，倾斜长120 m。煤层厚度为1.4～6.0 m，平均煤层厚度为3.1 m，煤层倾角0°～10°，4#煤层为煤与瓦斯突出煤层，1404工作面煤层为不易自燃煤层，自燃倾向性为Ⅲ类，煤尘不具爆炸性。1404工作面东南侧为1402工作面采空区，西南侧为1406未采工作面。1404工作面共布置两条巷道，其中1404工作面胶带运输巷确定留设沿空留巷，通过“Y”型通风解决高瓦斯条件下的通风问题，工作面布置及煤层柱状图如图1所示。

图1 1404工作面巷道布置及煤层柱状图Fig.1 Roadway layout and coal seam histogram of 1404 working face

2 沿空留巷“卸-支-护”支护技术

1404工作面相邻的1402工作面沿空留巷利用了密集切顶钻孔技术，配合预制混凝土砖和传统的锚网索进行支护，支护效果十分不理想，顶板及两帮发生严重变形，通过扩帮才得以继续使用。因此，为了1404工作面的成功留设，在1402工作面沿空留巷的技术基础上，提出了由深孔预裂卸压、注浆锚索支护和柔模袋墙体护帮组成的沿空留巷“卸-支-护”支护技术。

2.1 深孔预裂卸压

工作面推进过程中，工作面后方逐渐成为采空区，其上方的顶板会发生大面积冒落。沿空留巷上部的顶板可以视为固支梁结构，其中靠近煤体的一侧为固支端，顶板会以该侧煤体中的某一点为中心轴发生回转或弯曲下沉，这一现象会导致沿空留巷顶板产生强烈的支承应力集中，使得沿空留巷的顶板及两帮发生较大变形与破坏，严重影响沿空留巷的质量，其未切顶顶板断裂结构如图2所示。

深孔预裂切顶卸压即提前打设深孔，填入炸药后通过爆破形成一个弱面，顶板受压时就会沿这一弱面发生滑切断裂。切顶预裂能够切断顶板之间应力的传递，使得沿空留巷的顶板受采空区内顶板弯曲、下沉、垮落的影响大大降低，同时使留巷顶板弯曲下沉的中心轴转移到切缝位置，有效消除了顶板可能存在的支承应力集中现象，其切顶卸压顶板断裂结构如图3所示。

图2 未切顶顶板断裂结构Fig.2 Uncut roof fracture structure

图3 切顶卸压顶板断裂结构Fig.3 Fracture structure of roof cutting and pressure relief

新田煤矿1402工作面沿空留巷采用的密集切顶钻孔深度较小，同时未采用爆破预裂，预裂高度较小，不能有效切断顶板之间应力传递，仍会导致支承应力集中的发生，影响到沿空留巷的稳定。1404工作面直接顶厚4.8 m，基本顶厚5.2 m，在进行预裂爆破时应当保证直接顶和基本顶能够有效切断。

2.2 锚杆及注浆锚索支护

除了正常打设锚索之外，在工作面超前阶段还打设了注浆锚索。同传统的锚网索相比，注浆锚索能实现提高围岩强度、浆液黏结围岩裂隙、减小围岩松动圈、防止岩层风化、变被动支护为主动支护的效果。锚固支护的主要作用有：悬吊作用，将下方不稳定岩层悬吊于上方稳定岩层中，减小岩层的变形；组合梁理论作用，通过锚杆将破碎的岩层挤压连接在一起，增加层间摩擦力，使岩层变形协调。注浆锚索可以将破碎的岩层更好地黏结挤压在一起，同时悬吊在上方的稳定岩层中，增强了顶板的稳定性。

2.3 柔模袋墙体护帮

沿空留巷过程中，在靠近采空区一侧采用柔模袋与泵送充填混凝土的方式来筑设柔模墙体，柔模墙体不接顶，为顶板变形预留缓冲空间。通过筑设柔模体墙进行沿空留巷，采用“Y”型通风很好地解决了上隅角瓦斯问题，还可以有效阻挡采空区的矸石，起到护帮的作用。柔模墙体的完整性良好，能够较好地封闭采空区，防止采空区自然发火和漏风等问题的发生。同传统的混凝土砖墙相比，柔模袋墙体的强度和密闭性都更加优越，同时其本身还具有支设速度快、透水不透浆、容易自成型、支持尺寸自制等优点。

3 切顶沿空留巷围岩结构力学分析

在进行切顶卸压之后，切顶侧的顶板被切断，煤壁侧顶板依旧完好，此时的巷道顶板可以认为是悬臂梁结构。假设顶板岩梁为均质连续结构，对顶板建立围岩结构力学模型(图4)。

图4 顶板切顶围岩结构力学模型示意图Fig.4 Cutting roof top model for the structural mechanics of surrounding rock

顶板在受到上覆岩层的均布载荷作用下，会发生弯曲变形，柔模墙体会在接顶后对顶板提供一个支撑力，将其视为一个均布载荷。同时切顶侧顶板垮落后，堆积的顶板会对切顶侧顶板提供一定的支撑力。当0

ω=

(1)

由式(1)可知，x=l1-l2时，顶板变形最大，顶板岩梁的最大挠度计算公式见式(2)。

4Fsinα(2l1+l2)+2q1l2(l2-4l1)]

(2)

式中：qr为上覆岩层荷载，kN/m；q1为柔模墙体的支护荷载，kN/m；F为垮落矸石支撑力，kN；l1为巷道宽度，m；l2为柔模墙体宽度，m。

由式(2)可知，柔模墙体宽度l2与挠度成反比，角度α与挠度大小成正比。因此，为了减小巷道顶板的最大挠度，在巷宽确定的情况下，可以适当增大柔模墙体的宽度或者减小切顶钻孔与垂向的夹角α，即增大切顶角度。其中，柔模墙体的宽度应当满足式(3)。

(3)

式中：ω为柔模墙体的宽度，m；s为墙体的终凝强度，MPa，取25；k1为墙体强度的降低系数，通常取0.25；k2为动压影响的可靠性系数，取1.2；k3为墙体的设计安全系数，取1.35。

结合相邻1402工作面实测荷载数据，经计算可得，ω=0.57 m，即柔模墙体的最小宽度为0.57 m。

4 留巷最优参数的确定

4.1 数值模拟方案设计

为了使沿空留巷取得良好的效果，同时兼顾经济成本，需要确定沿空留巷爆破切顶及柔模袋墙体的合理参数。设计方案采用单一变量法，以柔模袋宽度、切顶角度及切顶钻孔深度为变量，设计了三组对比实验进行研究，具体见表1。

表1 数值模拟实验方案Table 1 Numerical simulation experiment scheme

4.2 模型建立

采用FLAC3D数值模拟软件，根据新田煤矿1404工作面实际条件，取工作面一半宽度建立沿空留巷切顶及柔模袋支护的数值模型，如图5所示。模型尺寸为150 m×70 m×37 m，下边界垂直方向固定，四周边界水平固定，上表面施加垂向应力。模型上顶面埋深取430 m，上覆岩层容重设为2 500 kN/m3，模型的本构模型为Mohr-Coulomb模型。

图5 数值模拟模型示意图Fig.5 Schematic diagram of numerical simulation model

4.3 确定最优参数

图6～图8为数值模拟所得曲线。由图6(a)可知，顶板的垂直移近量在由煤壁侧逐渐靠近柔模袋侧的时候，呈现出先增后减的整体趋势。A1曲线最为明显，在煤壁侧垂直移近量为24.45 cm，在巷宽3.9 m处达到最大值45.06 cm，之后移近量逐渐减小。柔模袋墙体的强度要大于煤壁强度，和顶板间预留一定的变形空间，能够在卸去顶板部分压力的同时提供良好的支撑。由于A1曲线的柔模袋宽度较小，曲线和其他方案存在明显差别。由图6(b)可知，整体移近量呈现先增后减趋势，最大移近量出现在巷帮中部。其中A1曲线变形较大，水平移近量达到12.19 cm，A2曲线～A4曲线基本一致，最大移近量分别为6.53 cm、6.46 cm和6.65 cm。

由图7(a)可知，B1曲线在煤壁侧垂直移近量为36.72 cm，在3.3 m处达到最大垂直移近量56.78 cm，柔模袋侧的垂直移近量为45.23 cm。 B2曲线和B3曲线在煤壁侧垂直移近量分别为33.32 cm和25.97 cm，最大移近量为52.55 cm和40.21 cm，趋势同B1曲线基本一致，但峰后移近量出现大幅度减小。B4曲线较为平整，煤壁侧垂直移近量12.87 cm，最大垂直移近量17.31 cm，明显小于B1曲线～B3曲线。由图7(b)可知，B1曲线～B4曲线的最大水平移近量分别为16.75 cm、15.88 cm、12.74 cm和6.50 cm。曲线整体呈现先增后减趋势，在巷帮中部达到最大水平移近量，通过B1曲线～B4曲线比较发现，随着切顶角度增大，巷帮的垂直及水平移近量都是逐渐减小的。

图6 不同柔模袋宽度巷道变形曲线Fig.6 Deformation curve of roadway with different width of flexible mold bag

图7 不同切顶角度巷道变形曲线Fig.7 Deformation curve of roadway with different cutting angles

图8 不同切顶深度巷道变形曲线Fig.8 Deformation curve of roadway with different cutting depth

由图8(a)可知，C1曲线在煤壁侧垂直移近量45.73 cm，峰值移近量77.93 cm；C2曲线在煤壁侧最大移近量为24.20 cm，峰值移近量35.28 cm。C3曲线～C5曲线整体变化趋势基本一致，煤壁侧垂直移近量分别为12.87 cm、12.11 cm和11.53 cm，峰值移近量分别为17.14 cm、16.31 cm和15.28 cm，随着切顶钻孔深度的增大，垂直移近量逐渐减小。由图8(b)可知，C1曲线～C5曲线的最大水平移近量分别为21.95 cm、12.05 cm、6.50 cm、5.62 cm和5.86 cm。曲线整体呈现先增大再减小的趋势，在巷帮中部达到最大水平移近量。通过C1曲线～C5曲线数据及1404工作面顶板岩层可知，切顶钻孔深度为7 m和9 m时，未能将直接顶和基本顶有效切断，依旧会发生明显的应力集中造成巷道的变形与破坏，在切顶深度达到11 m及以上时，切顶效果明显得到了提高。

综合考虑数值模拟的结果，同时兼顾到维护巷道稳定的需要及相关经济成本等因素，最终确定柔模袋宽度为1.2 m，切顶角度为75°，切顶钻孔深度11 m，并以此参数在1404工作面展开工业性试验。

5 工程应用及效果分析

5.1 沿空留巷“卸-支-护”技术参数设计

在1404工作面胶带巷回采帮超前回采工作面10 m肩窝处施工切顶钻孔，切顶钻孔直径为48 mm，切顶角度75°，切顶钻孔深11 m。

在挡矸切顶单体柱平行距离1 200 mm处打设一排用3.5 m单体柱，通过单体柱对柔模袋进行形态控制。柔模袋充填宽度为1.2 m，充填高度为3.1 m，每隔12 m在两个柔模混凝土柱间上方预埋瓦斯抽放筛孔管，防止采空区的瓦斯积聚。

超前段巷道顶板每排布置3根注浆锚索，锚索间排距为1 700 mm×1 600 mm。注浆锚索规格为Φ22×8 500 mm。巷道回采侧布置Φ22×2 500 mm的高强锚杆护帮，间排距840 mm×800 mm；非回采侧布置Φ22×4 250 mm的注浆锚索对巷帮进行注浆加固，间排距1 680 mm×1 600 mm，超前段支护设计如图9所示。

图9 1404运输巷超前支护Fig.9 Advanced support of 1404 transport roadway

工作面回采后，在轨道巷沿空留巷施工两排走向抬棚，左抬棚距帮600 mm，右抬棚距柔模袋1 400 mm。在靠近柔模袋侧打设三根Φ22×8 300 mm锚索，间距分别为1 200 mm和1 700 mm，并在柔模墙体上部布设工字钢一根，留巷段支护设计如图10所示。

图10 1404沿空留巷支护Fig.10 Support of 1404 along goaf retaining roadway

5.2 1404沿空留巷围岩变形规律分析

在工作面前30 m处设立测站观测顶板及两帮的移近量，观测截止到工作面推过测点100 m后，测站采用十字测点法进行测量。测量所得数据如图11所示，由图11(a)可知，在工作面推过之前，底鼓和顶板下沉量增长较快，分别达到67.5 mm和168.8 mm。在工作面推过之后，底鼓量的增长速率大幅降低，在工作面后100 m处仅仅增长到103.5 mm。顶板下沉的速率有所放缓，在工作面后100 m处达到310.5 mm，整体顶底移近量在100 m处为414.0 mm。

由图11(b)可知，工作面推过前，右帮最大移近量为56.5 mm，左帮最大移近量为69.0 mm，两帮移近量最大值为125.5 mm。在工作面推过后，右帮被架设的柔模袋墙体所替代，进入到沿空留巷段。左帮的移近量逐渐增加，在58.0 m后趋于平缓，在工作面后100 m处最大的移近量为187.7 mm。柔模袋墙体强度要强于煤体，同时还有对拉锚杆等维持其形态，所以墙体侧的移近量很小且增长缓慢，在100 m移近量仅为23.8 mm。两帮整体移近量在工作面前最大值为125.5 mm，工作面后100 m处最大值为211.4 mm。