坚硬顶板切顶巷道变形特征及其控制方法研究

李江龙

(山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

近年来，随着采煤技术的不断发展，无煤柱开采工艺在矿山得到了广泛应用，该技术在缓解矿山采掘衔接紧张、高效回收煤炭资源方面做出了巨大贡献[1-3]。对于无煤柱回采，工作面巷道往往采取沿空留巷方式，这就对巷道的稳定提出了更高的要求。随回采工作面推进如何保障工作面巷道的稳定性，一直是采矿学者们研究的重点[4-6]。

在这方面研究中，李雁等[7]分析了沿空巷道变形破坏机理，提出高强高预紧力锚杆(索)+W宽钢带的大断面沿空巷道围岩强化支护技术；赵志研[8]研究了巷旁充填体参数对沿空留巷围岩控制的影响，提出了沿空留巷锚杆不对称支护方案；李春意等[9]构建了能够反映沿空巷道受初次采动围岩形变规律的回归函数模型，探究了充填体上方顶板岩层的应力传递规律；张永杰[10]对郭庄煤矿3308工作面巷旁支护、待浇筑空间围护以及沿空留巷临时支护进行了研究，通过现场实践，支护方案稳定性符合要求。

综合文献分析，对于沿空巷道稳定的研究主要集中在普通顶板条件巷道支护技术及围岩变形规律，对于坚硬顶板条件下切顶巷道变形特征及其控制方法有待进一步研究。为此，本文以山西某矿坚硬顶板条件沿空巷道为工程背景，对巷道变形特征及其控制方法进行了系统分析，研究成果可为类似工程条件的矿山巷道变形控制提供工程指导与借鉴。

1 工程概况

某煤矿主采3号煤层，煤层倾角2～7°，平均倾角4°，煤层厚度为2.7～3.8 m，平均厚3.3 m，煤层中还有1～2层夹矸，煤层埋深355～403 m，采用综合机械化采煤技术，全部垮落法管理顶板，年产量1 200万t.煤层直接顶为泥岩，基本顶为细砂岩，基本顶上方主要为中砂岩，属于典型的坚硬顶板条件；煤层直接底为泥岩，基本底为粉砂岩，煤岩体综合柱状如图1所示。

图1 煤岩体综合柱状

目前3号煤层主要回采3104工作面，工作面倾向长135 m，走向长650 m，工作面回风巷道为宽×高=5.0 m×3.3 m的矩形断面，采取锚杆+金属网进行支护。回采过程中，对回风巷进行沿空留巷。由于煤层顶板坚硬，随回采工作面推进，其后方采空区不能及时垮落，致使支架后方存在大范围的悬顶情况；同时，在采动应力影响下，导致巷道底板及两帮变形严重，对工作面安全回采造成一定程度的威胁。为解决工作面回采过程中存在悬顶及巷道变形难题，计划实施切顶卸压方法，这就需要研究坚硬顶板切顶巷道变形特征，据此提出可靠的巷道变形控制方法。

2 切顶对巷道变形影响分析

2.1 切顶对巷道顶板变形影响

对沿空巷道实施切顶后，位于切顶侧顶板岩体会形成短臂梁结构，切顶巷道顶板的变形主要受控于块体B的变形程度，由此构建巷道顶板下沉分析模型，如图2所示。

图2 切顶巷道顶板结构

在悬臂梁作用下，巷道顶板沉降量最大位置位于切缝侧，此时切顶后方顶板最大沉降量表达式如下[11]：

(1)

式中：u1为块体B沉降稳定后，切顶端部下沉量，m；l1为近巷道侧煤体内部应力极限平衡宽度，m；l2为巷道宽度，m；L1为块体B破断长度，m.

其中：

u1=h1-h2(kc-1)

(2)

式中：h1为煤层厚度，m；h2为切顶高度，m；kc为采空区矸石碎胀系数。

近巷道侧煤体内部应力极限平衡宽度表达式如下：

(3)

式中：λ为侧压力系数；k为应力集中系数；γ为覆岩容重，kN/m3；H为煤层埋藏深度，m；c为煤体内聚力，MPa；φ为煤体内摩擦角，(°)；P为煤体支护强度，MPa.

块体B破断长度表达式如下：

(4)

式中：L为顶板周期来压步距，m；L0为工作面长度，m.

切顶前周期来压步距表达式如下：

(5)

式中：h3为关键层厚度，m；Q为关键层抗拉强度，MPa；q为未切顶时关键层对下部覆岩层施加载荷，MPa.

切顶后周期来压步距表达式如下：

(6)

式中：q1为切顶后采空区矸石对覆岩施加载荷，MPa.

通过公式(4)～(6)可以看出，切顶后周期来压步距要比切顶前小，块体B的破断长度随之减小，即切顶卸压有利于减小悬顶长度，缩短周期来压步距。当煤岩体力学参数及切顶高度一定时，结合公式(1)～(3)，顶板块体B破断长度减小后，切顶后方顶板最大下沉量随之增加，有利于切顶后方顶板充分垮落，减小悬顶高度，保障沿空巷道的稳定性。

2.2 切顶对巷道煤帮变形影响

受工作面回采应力扰动影响，切顶巷道煤帮侧一定深度位置的煤层达到应力极限平衡，此时巷道煤帮侧变形量表达式如下[12]：

(7)

式中：ks为煤与顶板界面切向刚度系数；E为煤体弹性模量，GPa.

通过公式(7)可以看出，煤帮侧的变形量受多种因素的影响，当巷道埋深与采高一定时，此时巷道煤帮侧变形主要受煤体弹性模量影响。对巷道实施切顶卸压后，可以部分切断采空区顶板对巷道煤帮的应力传导路径，提高煤帮侧煤体的弹性模量及应力承载能力，由此限制巷道煤帮变形的发展。

3 切顶卸压数值模拟分析

为进一步研究坚硬顶板切顶巷道应力及位移变化特征，以该矿3104工作面回采为工程背景，采用FLAC3D数值分析软件对工作面巷道切顶前后应力及位移变化情况进行数值模拟分析。构建的数值模型尺寸为长×宽×高=200 m×100 m×60 m，模拟巷道断面为5.0 m×3.3 m，模型采用摩尔库伦准则，对模型四周及底面进行位移约束，模型顶部施加载荷等效于上覆岩层容重，数值模拟用煤岩体力学参数，见表1.

表1 岩体力学参数

巷道切顶前后垂直应力变化情况如图3所示。切顶前巷道煤帮侧垂直应力集中显现强烈，在煤帮侧距巷道约3 m深度的煤体内部垂直应力最高可达12.5 MPa，不利于煤帮的稳定；同时，工作面上方顶板在13.5 m深度位置垂直应力最高可达6.6 MPa，不利于顶板稳定。切顶后巷道煤帮侧垂直应力集中显现范围明显减小，在煤帮侧距巷道约5 m深度的煤体内部垂直应力最高为10 MPa，可以一定程度上提高巷道煤帮侧煤体的稳定性；同时，在切顶范围内的顶板岩层卸压区域延伸至20 m，垂直应力达2.5 MPa，切顶卸压效果显著。

图3 切顶前后垂直应力云图

巷道切顶前后垂直位移变化情况如图4所示。切顶前巷道顶板垂直位移最高达620 mm，工作面后方顶板垂直位移最高达1 750 mm；切顶后巷道顶板垂直位移最高达75 mm，工作面后方顶板垂直位移最高达240 mm；与切顶前相比，巷道及工作面后方顶板垂直位移分别降低87.9%与86.3%.对巷道实施切顶可有效减小顶板下沉量。

图4 切顶前后垂直位移云图

巷道切顶前后水平位移变化情况如图5所示。切顶前巷道煤帮侧水平位移最高达150 mm；切顶后巷道煤帮侧水平位移最高达30 mm，同时切顶巷道上部顶板岩层以水平变形为主，最大水平位移为35 mm；与切顶前相比，巷道煤帮侧水平位移下降80%，对巷道实施切顶可有效减巷道煤帮侧位移量。

图5 切顶前后水平位移云图

综合分析，对巷道实施切顶卸压后，可有效降低煤帮侧煤体内部应力集中程度，增大巷道及工作面顶板卸压范围，减小巷道顶板下沉量与煤帮位移量，有效保障巷道的稳定性。

4 切顶巷道变形控制方法

4.1 巷道顶板变形控制方法

通过前面分析，提出采取切顶卸压方法对巷道变形进行治理，切顶高度为7.5 m，切顶角度为70°，由于顶板坚硬，在对顶板进行预裂爆破时，受工作面回采与爆破扰动影响，可能造成巷道顶板变形严重，而恒阻大变形锚索广泛应用于切顶巷道的支护，该锚索可以在一定程度上吸收顶板的部分变形势能，减缓顶板的变形程度。为此针对切顶巷道的支护，在巷道原有支护的基础上，提出在巷道切缝侧与顶板中心位置每排补加2根恒阻大变形锚索，恒阻锚索间距为1.65 m，锚索直径为21.8 mm，长度为8.5 m.在近煤帮侧巷道顶板补打1根钢绞线锚索，锚索直径为21.8 mm，长度为8.5 m，巷道顶板支护方法如图6所示。

图6 切顶巷道顶板支护(mm)

4.2 巷道两帮变形控制方法

为有效控制巷道煤帮侧变形发展，提出采用无纵筋螺纹钢锚杆对煤帮侧进行加强支护，采用的锚杆参数为D22 mm×1 500 mm，每排布置3根锚杆，其中,中间锚杆沿巷道煤帮中心垂直壁面布置，上下两根锚杆与巷道水平线夹角为15°，锚杆间排距为1 000 mm×1 200 mm，巷道煤帮侧支护方式如图7所示。

图7 切顶巷道煤帮侧支护(mm)

对于巷道矸石帮，实施切顶卸压后，采空区垮落矸石会对巷道矸石帮形成一定程度的冲击影响，同时由于顶板岩层坚硬，在采动应力扰动下可能导致巷道切顶侧顶板下沉严重。为此，对于巷道矸石侧的支护，提出采取“单体支柱+工字钢+金属网”交错支护方法，相邻工字钢与单体支柱间距均为450 mm，单体支柱布置2排，工字钢布置1排。工字钢的作用在于支撑垮冒矸石的冲击力，单体支柱的作用在于控制顶板的稳定性，巷道矸石侧现场支护情况如图8所示。

图8 巷道矸石侧现场支护

5 现场实践效果分析

为了进一步验证所提出的坚硬顶板切顶巷道控制方法的可靠性，对切顶巷道加强支护后位移变化情况进行现场监测，监测结果如图9所示。可以看出，巷道实施加强支护后，随着回采工作面推进，巷道变形表现为“S”形变化特征，巷道整体变形在滞后工作面170 m后趋于稳定。其中顶板最大沉降量为193 mm，煤帮侧最大移近量为86 mm，矸石帮侧最大移近量为105 mm，巷道整体稳定性良好，保障了工作面安全高效回采。

图9 切顶巷道变形监测结果

6 结 语

1) 通过理论分析，切顶后周期来压步距要小于切顶前，顶板破断长度减小，对巷道实施切顶卸压后，可以切断采空区顶板对巷道煤帮的应力传导路径，提高煤帮侧煤体的弹性模量及应力承载能力，可有效限制巷道的变形发展。

2) 通过数值模拟分析，对巷道实施切顶卸压后，可有效降低煤帮侧煤体内部应力集中程度，增大巷道及工作面顶板卸压范围，减小巷道顶板下沉量与煤帮位移量，以保障巷道的稳定性。

3) 针对切顶巷道变形控制，研究提出巷道顶板采用恒组大变形锚索、巷道煤帮侧采用无纵筋螺纹钢锚杆，以及巷道矸石侧采用“单体支柱+工字钢+金属网”交错布置加强支护方法。通过现场实践，切顶巷道顶板及两帮的最大位移量分别为193 mm、86 mm与105 mm，巷道整体稳定性良好，保障了工作面安全高效回采。