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薄煤層開采沿空留巷關鍵技術研究

趙法森 吳城樂 林科文 劉飛翔

摘 要：為了確定堅硬頂板下薄煤層沿空留巷切頂鉆孔爆破參數及圍巖控制方案，以山東某礦21602工作面運輸巷為工程背景，運用理論分析、數值模擬及現(xiàn)場實測的手段進行了研究。論文將沿空留巷劃分為三個階段，并基于計算結果給出了相應的巷道圍巖支護方案?，F(xiàn)場應用結果表明：合理的鉆孔爆破高度為4.5m，切頂角度為70°；現(xiàn)場實施爆破后，留巷穩(wěn)定后頂板累計變形量為118mm，底板累計變形量為344mm，實體煤側累計變形量為402mm，能滿足留巷后期使用要求。相關研究成果已在21602工作面進行了現(xiàn)場應用，為同等條件下實施沿空留巷提供了借鑒。

關鍵詞：切頂留巷；薄煤層；堅硬頂板；巷道圍巖控制

傳統(tǒng)的留設煤柱開采方式不僅在經濟方面不占任何優(yōu)勢，還造成大量煤炭資源浪費，由于所留設的煤柱往往出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，引起巷道圍巖變形破壞，不利于巷道的維護使用[1-4]。因此，沿空留巷技術是解決上述問題的主要方式之一。沿空留巷取消了煤柱，提高了礦井的回采率[5-8]，延長了礦井的服務年限，大幅度降低掘進率，緩解采掘接替矛盾。相關數據表明，沿空留巷可提高煤炭回收率10％以上，巷道掘進率可降低30％左右，明顯改善采掘接續(xù)關系[9-10]。切頂卸壓沿空留巷技術具有工藝簡單、性價比高、留巷速度快的優(yōu)點，尤其對堅硬頂板下沿空留巷具有明顯的優(yōu)越性[11]。

山東某礦主采平均厚度為1.35m的16#煤層，其直接頂為普氏系數大于8、平均厚度4.6m的堅硬灰?guī)r。為盡可能回收堅硬煤層下薄煤層的煤炭資源并緩解采掘接續(xù)緊張問題，采用爆破切頂沿空留巷技術來提高煤炭資源的回收率。以21602工作面運輸巷為工程背景，采用數值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測相結合的研究手段，確定了爆破切頂、巷道圍巖穩(wěn)定性控制等關鍵技術參數并在現(xiàn)場進行了成功應用。

一、工程概況

山東某礦21602工作面主采16#煤層，煤層平均厚度為1.35m，平均傾角為4°，平均埋深535m。該工作面走向長度為233m，傾斜長度為200m，采用綜合機械化開采。煤層及頂底板巖性詳細情況見表1，直接頂和基本頂為堅硬灰?guī)r，厚度3.5-5.8m，硬度系數f=8~10。

表1 21602工作面主要圍巖情況

為緩解工作面采掘接替緊張，對21602工作面運輸巷部分區(qū)段進行沿空留巷作業(yè)，將其作為21606工作面材料巷，沿空留巷區(qū)段如圖1所示。運輸巷沿煤層頂板掘進，為半煤巖巷道，巷道斷面為矩形，凈高4m，凈寬2.6m。

圖1 工作面布置平面圖

工作面超前未切頂區(qū)，巷道頂板穩(wěn)定性良好，根據工作面以往巷道實際來壓情況及支護設計[12-13]，確定21602運輸巷工作面超前未切頂區(qū)巷道支護形式為“錨桿+六角菱形網”支護方式。其具體支護參數為：頂部錨桿為兩排螺紋錨桿，規(guī)格為φ20×2000mm，頂板錨桿間排距為：1400×1500mm；幫部錨桿為金屬螺紋錨桿，規(guī)格為φ16×1600mm，幫部錨桿間排距為：1000×1200mm，并掛六角菱形網支護；錨桿托盤規(guī)格為：100×100×10mm。

二、21602工作面運輸巷切頂留巷關鍵技術參數確定

（一）理論分析

1.切頂高度計算

在無煤柱沿空留巷過程中，巷道圍巖的穩(wěn)定受到多種因素的綜合影響，其中切頂高度對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)具有非常顯著的影響[14-15]。切頂高度應綜合考慮上覆堅硬頂板的結構與高位巖層的破斷運移特征，保證難垮落頂板在采動應力作用下順利沿切頂弱面切落。切頂高度的計算過程具體如下[16]：

假設切頂高度范圍內有i層巖層，巖層編號自下向上依次為1、2、…、i，則：

式（1）可表示為：

（2）

已知：

（3）

則有：

（4）

式中，hq為切頂高度，m；H1…Hj為1…j層頂板巖層厚度（Ｈｊ為第ｊ層頂板巖層厚度），m；M為采高，取1.35m；k1…ki 為1…i層頂板巖層碎脹系數（ｋｉ為第ｉ層頂板巖層碎脹系數）；kp為加權平均碎脹系數，取1.3~1.4；代入式（4），可得最合適的切頂高度應為3.4~4.5m。

2.切頂角度分析

將切頂角度α定義為切頂與水平方向的夾角，切頂角度的大小對沿空留巷的圍巖穩(wěn)定和頂板下沉量的控制有一定的影響，切頂與水平方向角度越?。?/span>

），側向懸臂附加應力越大，同時斷裂面下采空區(qū)的充填效果差，巷道頂板易出現(xiàn)較大旋轉變形；切頂與水平方向角度越大（

），會對爆破線附近的錨桿索產生擾動破壞，不利于巷道穩(wěn)定[17]。因此，最合適的切頂角度應在70°至90°之間。

（二）數值模擬及參數選擇

1.模型構建

本模型以21602工作面地質生產條件為背景，建立沿空留巷FLAC3D數值計算模型。模型尺寸為長×寬×高=200m×140m×62.6m，模型四周約束水平位移，底部約束水平和垂直位移，頂部施加均布載荷。載荷的大小為模型頂部巖層的重量，100m深巖石自重取2.6MPa，施加均布載荷的大小為12.3MPa，模型單元采用Mohr-Coulomb本構模型，各巖層厚度及基本物理力學參數見表2。模擬巷道開挖尺寸為200m×4m×2.6m，工作面開挖尺寸為50m×80m×1.35m，在模型中需要切頂的區(qū)域賦予空模型，以達到模擬中的切頂效果。待工作面開采后，對采空區(qū)實施自然垮落法進行頂板管理。

表2 21602工作面圍巖基本力學參數

2.切頂高度選取

通過理論計算可知，最合適的切頂高度應為3.4~4.5m，據此設計切頂高度模擬方案，即切頂高度為無切頂、3.5m、4m和4.5m時進行數值模擬，并對不同切頂高度下的應力集中位置及峰值大小進行對比分析，以得出最佳切頂高度，數值模擬結果如圖2所示。

無切頂時巷道圍巖垂直應力分布特征如圖2（a）所示。工作面開挖后，巷道實體煤側內部集中應力距巷道表面距離小于3m，最大集中應力為35MPa。巷道頂板圍巖承受拉應力大小及范圍分別為1.1MPa和4.5m；巷道頂板圍巖承受拉應力大小及范圍分別為0.9MPa和2m；巷道實體煤側圍巖承受拉應力大小及范圍分別為1.1MPa和3m，根據巷道圍巖抗拉強度大小，可判斷巷道實體煤幫及底板極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

不同切頂下巷道圍巖垂直應力分布特征如圖2（b）~（d）所示。當切頂高度為3.5m和4m時，留巷實體煤側內部應力集中區(qū)域距巷道表面約4~5m，最大集中應力分別為32MPa和30MPa；當切頂高度為4.5m時，應力集中區(qū)與離巷道表面距離大于6m，最大集中應力為28MPa。應力集中位置隨切頂高度的增加逐漸向實體煤內部轉移且應力集中峰值越小，表明切頂高度越大，對巷道維護越有利。

綜合以上分析可得切頂高度為4.5m時，巷道圍巖穩(wěn)定效果達到最優(yōu)，其應力集中范圍距離巷道較遠，同時巷道圍巖不易發(fā)生失穩(wěn)破壞，有利于巷道維護。

圖2 不同切頂高度下垂直應力分布圖

3.切頂角度選取

在上一節(jié)中，通過理論分析可知，最合適的切頂角度應為70~90°，據此設計切頂角度模擬方案，即切頂角度為90°、80°和70°時進行數值模擬，并對不同切頂角度下的應力集中位置及峰值大小進行對比分析，以得出最佳切頂角度，數值模擬結果如圖3所示。

切頂角度為90°、80°和70°時，實體煤側內部應力集中區(qū)域距巷道表面距離分別為6m、6.5m和7m，最大集中應力分別為28MPa、29MPa和30MPa。結果表明隨著切頂角度減小，應力集中區(qū)域逐漸向實體煤內部轉移，應力集中峰值雖然有所增大，但對巷道表面圍巖影響較小。巷道表面圍巖最大拉應力值分別為0.5MPa、0.4MPa和0.3MPa，隨著切頂角度降低，巷道表面圍巖拉應力逐漸降低，有利于巷道圍巖穩(wěn)定，通過對比，最優(yōu)的切頂角度為70°。

圖3 不同切頂角度下垂直應力分布圖

三、沿空留巷圍巖支護設計

（一）工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)支護設計

工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)，在頂板自重應力及切頂應力雙重作用下，頂板巖層原有的連接被切斷，頂板煤壁側不能承受彎矩，導致穩(wěn)定性降低。為了增加頂板的穩(wěn)定性，在未切頂頂板穩(wěn)定階段支護的基礎上，增加錨索梁對頂板進行補強支護[18-19]。錨索規(guī)格為φ21.6×4500mm，間排距為1000×1500mm，錨索與巷道頂板的夾角是90°，錨索梁為寬度270mm的W鋼帶，全長2.7m；錨索托盤的規(guī)格為：300×300×16mm。支護方案如圖4所示。

圖4 工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)支護方案

（二）工作面滯后動壓區(qū)支護設計

在工作面滯后動壓區(qū)，由于采空區(qū)垮落矸石沒有壓實，對巷道頂板產生不到支撐效果，此時頂板活動劇烈，需要大量的向上支撐載荷來保持巷道頂板的穩(wěn)定性。該階段應力峰值主要施加在巷內支護體上，要求支護體本身的支護阻力大于頂板周期來壓時的最高壓力[3]，巷道最小支護阻力計算如下：

式中，n為壓力比，取1.1； 

為覆巖容重，取25kN/m3；M為采高，1.35m；K為碎脹系數，取1.3；d為巷道寬度，取4m；L為支護長度，取1.2m，代入式（5），可得巷內所需最小支護阻力為572kN。

因此，21602運輸工作面滯后動壓區(qū)頂板支護應采用如下形式：單體液壓支柱+U型鋼支腿+鋼筋網支護。其具體支護參數為：幫部采用U型鋼支腿掛鋼筋網支護，U型鋼棚排距900mm，規(guī)格為：φ6.5×1000×1600mm，在頂部增加3排垂直支設的單體液壓支柱進行補強支護，柱距900mm，排距分別為500mm和700mm，支護方案如圖5所示。每根單體支柱可提供支護阻力200kN，每根錨索可提供支護阻力20kN，該支護方案可提供支護總阻力為660kN，能滿足支護需求。

圖5 工作面滯后動壓區(qū)支護方案

（三）工作面滯后穩(wěn)壓區(qū)支護設計

隨著工作面推進，采空區(qū)上覆巖層運移逐漸趨于平緩，巷道頂板所受壓力將分為兩種情況。當工作面機頭滯后進入頂板穩(wěn)定區(qū)后，可撤除第三階段的巷內臨時單體液壓支柱，支護方案如圖6所示。當礦壓顯現(xiàn)明顯時，不回撤單體液壓支柱，采用“錨索梁+工字鋼棚”進行復合支護，選用12#礦用工字鋼距兩組錨索梁之間插空居中布置，結合現(xiàn)場圍巖變形實際情況，棚梁寬度3300mm，棚腿長2200mm，棚距1500mm，與最不穩(wěn)定的動壓區(qū)支護保持一致。

圖6 工作面滯后穩(wěn)壓區(qū)支護方案

四、工業(yè)應用效果分析

（一）鉆孔爆破切頂

采用聚能管反向裝藥預裂爆破切頂技術，切頂位置位于21602工作面運輸巷煤壁側肩角處，鉆孔直徑為42mm、鉆孔深度為4.5m、鉆孔與頂板夾角為70°、鉆孔間距為0.5m、裝藥長度為3m、封孔長度為1.5m、裝藥密度為0.45kg/m，每次起爆5~20個孔。從圖7可以看出，現(xiàn)場爆破后形成的預裂面效果較好，爆破后巷道表面裂縫聯(lián)通情況也相對理想，如圖8所示。

圖7 爆破前后鉆孔內部裂隙生成情況

圖8 爆破后巷道表面裂縫聯(lián)通情況

（二）礦壓監(jiān)測

為掌握21602工作面運輸巷（沿空留巷區(qū)段）在工作面推進期間圍巖變形特征，在運輸巷內布置位移測站監(jiān)測巷道表面位移，留巷圍巖變形量隨工作面推進的變化情況如圖9所示。

圖9 留巷圍巖變形量

由圖9可知，沿空留巷全過程圍巖變形可劃分為四個階段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。

1.階段Ⅰ：超前工作面20m之前。巷道上覆巖層保持較好的完整性，圍巖結構處于相對穩(wěn)定，幫部及頂底板未見明顯變形，下工作面?zhèn)葞筒坷塾嬜冃瘟繛?0mm，底板累計變形量為12mm，頂板累計變形量為8mm。

2.階段Ⅱ：超前工作面0~20m范圍內。因在此范圍內進行爆破切頂，巷道圍巖結構改變，在超前支承壓力作用下圍巖變形有所增大，工作面位置處下工作面?zhèn)葞筒孔冃瘟窟_到107mm，底板變形量達到80mm，頂板變形量為26mm。

3.階段Ⅲ：滯后工作面0~80m范圍內。工作面開采過后，采空區(qū)覆巖發(fā)生垮落并折斷，留巷頂板采空區(qū)側失去支撐，巷道圍巖變形量迅速增大，隨著采空區(qū)覆巖運移趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度逐漸減低，此階段結尾處工作面?zhèn)葞筒孔冃瘟窟_到382mm，底板變形量達到321mm，頂板變形量為113mm。

4.階段Ⅳ：滯后工作面80m之外。隨著工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)覆巖運移接近平緩，垮落矸石逐漸壓實，留巷頂板得到支撐，巷道圍巖變形增幅較小，到最后檢測位置處下工作面?zhèn)葞筒孔冃瘟繛?02mm，底板變形量達到344mm，頂板變形量為118mm。

五、結論

（一）通過理論計算和數值模擬分析，得到切頂爆破最佳鉆孔深度為4.5m，最佳鉆孔角度為70°。

（二）針對堅硬頂板下薄煤層沿空留巷開采設計，考慮巷道圍巖結構演化規(guī)律，將其劃分為三個支護區(qū)段，并給出了相應的巷內及巷旁支護方案，有效解決了21602工作面切頂卸壓沿空留巷支護問題。

（三）21602工作面采用鉆孔爆破切頂后，能夠將巷道和采空區(qū)上覆關鍵巖層間的應力聯(lián)系切斷。工作面后方80m后巷道圍巖變形基本穩(wěn)定，頂板累計下沉量為118mm，低鼓累計量為344mm，實體煤側累計變形量為402mm，說明沿空留巷取得良好效果。

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注：原文載自《煤炭工程》2023年第8期。