挖金湾矿无煤柱自成巷技术关键参数研究与应用

谷伟强

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037042）

1 概况

挖金湾煤业公司山4#层一盘区8106 工作面煤层厚度平均1.8 m，为两巷布置的“U”型工作面，2106 皮带顺槽、5106 辅助运输顺槽均沿山4#煤层顶底板掘进，煤层顶底板岩性特征详见表1 所示。8106 工作面采用后退长壁开采法，全部垮落法管理采空区。本次留巷设计为5106 辅助运输顺槽，供下一8108 工作面使用。

表1 工作面顶、底板岩性特征表

2 切顶成巷关键参数模拟分析

2.1 切顶高度对矿压显现影响

为了分析沿空巷道切顶后其顶板岩层垮落特征，采用UDEC 软件进行模拟研究[1-4]。与传统的有限元和有限差分方法相比，UDEC 具有更好的表征岩体几何不连续特征和模拟节理张开、块体滑动、崩塌等大位移的优点。考虑到岩体的抗拉强度远小于抗压强度，因此选用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型来构件煤岩层。该模型能够考虑抗拉强度，当块体承受的拉应力超过其抗拉强度时，块体将会发生拉伸破坏。此外，该模型还采用了面接触库仑滑移模型，因此非常适合地下工程岩体的开挖模拟。应用UDEC 软件建立计算模型，煤层厚度在1.6～2.0 m 之间，平均厚度1.8 m，切顶留巷设计为山4#煤层8106 工作面辅助运输顺槽。该煤层直接顶为均厚1.64 m 的灰色粉砂岩，其下为均厚3.39 m 的黑灰色中厚层状粉砂质泥岩和2.39 m 的灰白色中厚层状长石砂岩。切顶高度模拟过程中其他参数保持不变，切顶高度分别取5.5 m、7.0 m、8.5 m，模拟得到围岩结构形态如图1 所示。

图1 不同切顶高度围岩结构形态及变形规律

通过分析不同切顶高度下覆岩运移结构形态和垂直位移分布云图，可以得出以下结论：预裂切缝有效地切断了巷道顶板与采空区顶板岩层之间的连续结构，使得采空区顶板在切缝最高处发生垮落和折断，从而降低了沿空巷道的维护难度。在不同切顶方案下，巷道顶板都形成了切顶短臂结构，而采空区内则由底部垮落的岩层和上位较为完整的基本顶组成。采空区上位和沿空巷道上方基本顶出现轻微程度的错位变形，仍然是一个整体结构。1）当切顶高度为5.5 m 时，垮落的岩层滚落至沿空巷道采空侧并形成碎石帮。垮落堆积的碎石与上部轻微下沉的完整基本顶岩层之间存在较大空隙，这表明切顶高度过小，垮落的岩层碎胀堆积后未能与上位顶板接触形成良好支承结构，导致上位岩层在自重及覆岩载荷的作用下逐渐下沉。在采空区上位顶板下沉期间，首先会导致巷道短臂结构回转下沉，并且会导致悬臂岩梁与上部岩层之间出现明显的离层，均会增大沿空巷道围岩控制难度。在此方案条件下，留巷顶板下沉量较大，最大可达725 mm，采空区顶板与下位垮落堆积岩层之间的离层可达2315 mm，沿空巷道围岩稳定性较差，变形量较大。2）当切顶高度为7.0 m 时，采空区内垮落岩层的厚度更大，在碎胀效应下垮落堆积的岩层与上部基本顶间的空隙很小，这表明切顶高度增大后有利于采空区空间的充填。上位基本顶岩层仅需轻微的下沉即可接触下部堆积岩石，堆积岩石压实后重新对上位岩层起到支承作用，快速形成新的稳定平衡结构。在此方案条件下，沿空巷道顶板岩层的下沉量整体较小，最大约为214 mm，与切顶高度为5.5 m 条件下相比减小70%，沿空巷道围岩稳定性显著提高，巷道围岩控制难度较小。3）当切顶高度为8.5 m 时，切落的岩层在碎胀效应下基本能充填采空区，可消除与上位基本顶间的离层。但是沿空巷道顶板形成的切顶短臂厚度较大，其自身的重量加大，在自重作用下回转下沉运动会更强烈，因此可能引起沿空巷道顶板更大的下沉，因此相较于切顶高度7.0 m条件下，对于沿空巷道稳定性的提升效果非常微弱，并且会增加施工成本和难度。综上所述，切顶高度为7.0 m 是最合理的选择。

2.2 切顶角度对矿压显现影响

为提高采空区垮落堆积碎石对沿空巷道切顶悬臂的支承效果[5-7]，切缝通常会向采空区偏斜一定角度。为确定最佳的偏斜角度，借助数值软件进行不同切顶角度条件下留巷围岩垮落形态的研究分析。设计切缝向采空区偏斜角度为0°、15°、30°三种方案，模拟结果如图2 所示。

图2 不同切缝角度围岩结构形态及变形规律

根据图2 模拟分析结果，可得出以下结论：采用竖直切缝时，巷道顶板下沉量为745 mm，顶板下沉变形较严重，说明该切缝角度对巷道围岩的稳定性不利。当切缝线偏向采空区方向15°，顶板最大变形仅为214 mm，巷道顶板变形量明显减小，说明碎胀矸石不仅能够对上位基本顶起到一定支承作用，而且对沿空巷道上部的短臂岩梁结构起到一定的斜撑作用，大大提高了沿空巷道的稳定性。继续增大偏斜角度至30°，顶板下沉量非但没有继续减小反而增大，最大变形可达到531 mm。这表明，切缝角度过大时，沿空巷道顶板的短臂岩梁结构体积和重量会增大，其下沉趋势和下沉量会更大，致使沿空巷道顶板下沉量也更大，不利于巷道顶板的稳定。因此，切顶角度设计为15°最合理。

3 恒阻大变形锚索支护分析

传统的锚索支护方法只能承受围岩的一次变形，并且需在较小范围内。但是，当工作面采用无煤柱切顶卸压开采技术时，巷道支护结构至少需要承受围岩的三次受力和变形：1）顶板进行爆破预裂切顶时产生的应力波冲击；2）本工作面开采期间超前支承压力及采动的影响；3）下个工作面回采期间超前支承压力及采动的影响。为解决这个问题，何满潮院士团队设计了一种新型锚索—NPR 恒阻锚索[8-11]。这种锚索不仅支撑阻力大、结构变形允许量大，并且能够持续提供相对稳定的支撑阻力，可适应围岩的缓慢大变形及多次变形，吸收岩体的变形能量，减少顶板垮塌等安全隐患。因此，在巷道支护设计中，为适应顶板岩层反复变形的要求，采用恒阻大变形锚索。5106 辅运顺槽围岩变形的关键部位为切缝侧，在靠近切割缝一侧安装恒阻大变形锚索，垂直于顶板方向设置，共补强布设2 列恒阻锚索和1 列普通锚索。恒阻锚索直径取为21.8 mm，恒阻器长 450 mm，直径79 mm，恒阻值为（33±2） t。靠近实体煤帮侧补强普通锚索，由于该位置锚索距切缝侧较远，第三列普通锚索排距4000 mm，长度8300 mm。顶板补强锚索支护如图3 所示。W 钢带长2600 mm，宽250 mm，第一列切缝侧锚索的槽钢扩3 个孔，托盘规格 300 mm×300 mm×20 mm，中间扩孔直径（100±1 ）mm。

图3 恒阻锚索补强支护示意图（mm）

4 无煤柱自成巷碎石帮控制及封堵技术

根据切顶卸压自动成巷方案，在工作面端头架移架后，切缝线外的顶板（采空区）随即垮落，需要及时挂网、挡矸支护。在机头架后位置，作业人员不能进入空顶作业。因此，在留巷侧端头架尾梁后部软连接挡矸钢板，起到对顶板落矸的阻挡和抗冲击作用，给工作人员留出空间进行挂网、挡矸支护施工。沿空巷道围岩压力随着其埋深的增大而逐渐增大，挡矸支护的难度也逐渐增加，支护体的变形往往不能与留巷围岩在刚度和强度上达到耦合状态，导致支护体发生弯曲变形，无法保障沿空巷道围岩的稳定。参考某矿山最初采用工字钢梁进行挡矸支护的情况，在实际使用过程中发现，工字钢梁对顶板变形的适应能力较差，经常造成弯曲变形，支护效果较差。何满潮院士提出了“可伸缩U 型钢”切顶自动成巷留巷采空区侧挡矸支护技术[5-7]，该技术通过自身的收缩来适应围岩的变形，避免了顶板垂直压力引起的支护结构弯曲变形，提供了足够的顶板支承能力，形成了形态良好的采空区侧巷帮。U 型钢是冷弯型钢，具有较高的支撑强度和经济性，整体抗弯能力强，抗阻碍能力强。两个U 型钢夹紧在一起，具有拉伸和压缩的力学性能，能适应留巷初期的大变形，充分发挥围岩的自支撑能力。29U型钢棚埋入底板以下不少于 300 mm，插入顶板不少于150 mm。

为了减少采空区漏风，碎石帮稳定后需对其进行封堵。除采用表面喷浆技术外，高分子密封材料也被广泛应用于采空区封堵。KA-GK 系列煤矿用快速密封喷涂材料是一种双组分、多用途、汽胶基复合材料，其技术指标符合当前煤矿安全要求，操作简便，降低成本，采用阻燃、无毒、无味的无机复合材料配制而成，使用过程中不释放甲醛等有毒气体。它不使用酸作为催化剂，不被强酸腐蚀，反应时间短、速度快，膨胀系数高达10～30 倍。该反应物附着力好，固化后具有良好的气密性、韧性、弹性，不开裂、不剥落、不粉化，能承受一定的地质变化，能有效防水、防潮、防止气体泄漏。

5 应用效果综合分析

根据图4 所示的围岩变形曲线可以看出：沿空巷道采空侧顶底板移近量最大为54.1 mm，实体煤帮侧33.6 mm，围岩变形量较小，留巷围岩稳定性良好。根据分析，留巷的测点基本稳定在滞后工作面200～250 m 左右，切缝侧与煤柱侧顶底板移近量趋于稳定，保留巷道完全满足安全和使用要求。回收煤柱产生效益：每采1 m 煤多回收：1.8 m（煤柱煤厚）×20 m（煤柱宽度）×1.27 t/m3（煤炭密度）=45.72 t。按煤炭售价 655 元/t 计算，则工作面每回采1 m 煤柱可多获得效益为：45.72 t×655 元/t=29 946.6 元。8106 工作面实施110 工法后，可多回收煤柱资源约 4.25 万t（煤柱长930 m），回收煤柱产生的经济效益达2781 万元。

图4 巷道顶底板移近量监测结果

6 结论

以挖金湾矿8106 工作面为背景，借助理论分析、数值模拟及现场监测等多种手段，进行厚层砂岩顶板条件下无煤柱自成巷关键技术研究，利用UDEC软件模拟研究不同切顶参数条件下沿空巷道围岩垮落和变形规律，确定合理的切顶深度为7.0 m、角度为15°（向采空区侧偏斜），结合沿空巷道原有支护方式的基础上设计恒阻大变形锚索补强支护方案，并设计采空区侧挡矸支护及封堵措施。应用阶段进行矿压监测，本次研究确定方案保证了留巷围岩稳定，取得理想的围岩控制效果，可以实现无煤柱开采，可多回收煤柱资源约4.25 万t，取得了良好的经济效益，可为相似条件下无煤柱开采技术的应用提供参考。