薄煤層開(kāi)采沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)研究

趙法森 吳城樂(lè) 林科文 劉飛翔

摘 要：為了確定堅(jiān)硬頂板下薄煤層沿空留巷切頂鉆孔爆破參數(shù)及圍巖控制方案，以山東某礦21602工作面運(yùn)輸巷為工程背景，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段進(jìn)行了研究。論文將沿空留巷劃分為三個(gè)階段，并基于計(jì)算結(jié)果給出了相應(yīng)的巷道圍巖支護(hù)方案。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：合理的鉆孔爆破高度為4.5m，切頂角度為70°；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施爆破后，留巷穩(wěn)定后頂板累計(jì)變形量為118mm，底板累計(jì)變形量為344mm，實(shí)體煤側(cè)累計(jì)變形量為402mm，能滿(mǎn)足留巷后期使用要求。相關(guān)研究成果已在21602工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，為同等條件下實(shí)施沿空留巷提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：切頂留巷；薄煤層；堅(jiān)硬頂板；巷道圍巖控制

傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開(kāi)采方式不僅在經(jīng)濟(jì)方面不占任何優(yōu)勢(shì)，還造成大量煤炭資源浪費(fèi)，由于所留設(shè)的煤柱往往出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起巷道圍巖變形破壞，不利于巷道的維護(hù)使用[1-4]。因此，沿空留巷技術(shù)是解決上述問(wèn)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(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限，大幅度降低掘進(jìn)率，緩解采掘接替矛盾。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，沿空留巷可提高煤炭回收率10％以上，巷道掘進(jìn)率可降低30％左右，明顯改善采掘接續(xù)關(guān)系[9-10]。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、留巷速度快的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)堅(jiān)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(shù)大于8、平均厚度4.6m的堅(jiān)硬灰?guī)r。為盡可能回收?qǐng)?jiān)硬煤層下薄煤層的煤炭資源并緩解采掘接續(xù)緊張問(wèn)題，采用爆破切頂沿空留巷技術(shù)來(lái)提高煤炭資源的回收率。以21602工作面運(yùn)輸巷為工程背景，采用數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)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(guān)鍵技術(shù)參數(shù)并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)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(zhǎng)度為233m，傾斜長(zhǎng)度為200m，采用綜合機(jī)械化開(kāi)采。煤層及頂?shù)装鍘r性詳細(xì)情況見(jiàn)表1，直接頂和基本頂為堅(jiān)硬灰?guī)r，厚度3.5-5.8m，硬度系數(shù)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(duì)21602工作面運(yùn)輸巷部分區(qū)段進(jìn)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(yùn)輸巷沿煤層頂板掘進(jìn)，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(jù)工作面以往巷道實(shí)際來(lái)壓情況及支護(hù)設(shè)計(jì)[12-13]，確定21602運(yùn)輸巷工作面超前未切頂區(qū)巷道支護(hù)形式為“錨桿+六角菱形網(wǎng)”支護(hù)方式。其具體支護(hù)參數(shù)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(wǎng)支護(hù)；錨桿托盤(pán)規(guī)格為：100×100×10mm。

二、21602工作面運(yùn)輸巷切頂留巷關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)確定

（一）理論分析

1.切頂高度計(jì)算

在無(wú)煤柱沿空留巷過(guò)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(duì)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(yīng)綜合考慮上覆堅(jiān)硬頂板的結(jié)構(gòu)與高位巖層的破斷運(yùn)移特征，保證難垮落頂板在采動(dòng)應(yīng)力作用下順利沿切頂弱面切落。切頂高度的計(jì)算過(guò)程具體如下[16]：

假設(shè)切頂高度范圍內(nèi)有i層巖層，巖層編號(hào)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(shù)（ｋｉ為第ｉ層頂板巖層碎脹系數(shù)）；kp為加權(quán)平均碎脹系數(shù)，取1.3~1.4；代入式（4），可得最合適的切頂高度應(yīng)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(duì)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小（

），側(cè)向懸臂附加應(yīng)力越大，同時(shí)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(zhuǎn)變形；切頂與水平方向角度越大（

），會(huì)對(duì)爆破線(xiàn)附近的錨桿索產(chǎn)生擾動(dòng)破壞，不利于巷道穩(wěn)定[17]。因此，最合適的切頂角度應(yīng)在70°至90°之間。

（二）數(shù)值模擬及參數(shù)選擇

1.模型構(gòu)建

本模型以21602工作面地質(zhì)生產(chǎn)條件為背景，建立沿空留巷FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸為長(zhǎng)×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(gòu)模型，各巖層厚度及基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。模擬巷道開(kāi)挖尺寸為200m×4m×2.6m，工作面開(kāi)挖尺寸為50m×80m×1.35m，在模型中需要切頂?shù)膮^(qū)域賦予空模型，以達(dá)到模擬中的切頂效果。待工作面開(kāi)采后，對(duì)采空區(qū)實(shí)施自然垮落法進(jìn)行頂板管理。

表2 21602工作面圍巖基本力學(xué)參數(shù)

2.切頂高度選取

通過(guò)理論計(jì)算可知，最合適的切頂高度應(yīng)為3.4~4.5m，據(jù)此設(shè)計(jì)切頂高度模擬方案，即切頂高度為無(wú)切頂、3.5m、4m和4.5m時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)不同切頂高度下的應(yīng)力集中位置及峰值大小進(jìn)行對(duì)比分析，以得出最佳切頂高度，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

無(wú)切頂時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征如圖2（a）所示。工作面開(kāi)挖后，巷道實(shí)體煤側(cè)內(nèi)部集中應(yīng)力距巷道表面距離小于3m，最大集中應(yīng)力為35MPa。巷道頂板圍巖承受拉應(yīng)力大小及范圍分別為1.1MPa和4.5m；巷道頂板圍巖承受拉應(yīng)力大小及范圍分別為0.9MPa和2m；巷道實(shí)體煤側(cè)圍巖承受拉應(yīng)力大小及范圍分別為1.1MPa和3m，根據(jù)巷道圍巖抗拉強(qiáng)度大小，可判斷巷道實(shí)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(yīng)力分布特征如圖2（b）~（d）所示。當(dāng)切頂高度為3.5m和4m時(shí)，留巷實(shí)體煤側(cè)內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域距巷道表面約4~5m，最大集中應(yīng)力分別為32MPa和30MPa；當(dāng)切頂高度為4.5m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)與離巷道表面距離大于6m，最大集中應(yīng)力為28MPa。應(yīng)力集中位置隨切頂高度的增加逐漸向?qū)嶓w煤內(nèi)部轉(zhuǎn)移且應(yīng)力集中峰值越小，表明切頂高度越大，對(duì)巷道維護(hù)越有利。

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

圖2 不同切頂高度下垂直應(yīng)力分布圖

3.切頂角度選取

在上一節(jié)中，通過(guò)理論分析可知，最合適的切頂角度應(yīng)為70~90°，據(jù)此設(shè)計(jì)切頂角度模擬方案，即切頂角度為90°、80°和70°時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)不同切頂角度下的應(yīng)力集中位置及峰值大小進(jìn)行對(duì)比分析，以得出最佳切頂角度，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

切頂角度為90°、80°和70°時(shí)，實(shí)體煤側(cè)內(nèi)部應(yīng)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(yīng)力分別為28MPa、29MPa和30MPa。結(jié)果表明隨著切頂角度減小，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向?qū)嶓w煤內(nèi)部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中峰值雖然有所增大，但對(duì)巷道表面圍巖影響較小。巷道表面圍巖最大拉應(yīng)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(yīng)力逐漸降低，有利于巷道圍巖穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)比，最優(yōu)的切頂角度為70°。

圖3 不同切頂角度下垂直應(yīng)力分布圖

三、沿空留巷圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

（一）工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)，在頂板自重應(yīng)力及切頂應(yīng)力雙重作用下，頂板巖層原有的連接被切斷，頂板煤壁側(cè)不能承受彎矩，導(dǎo)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(hù)的基礎(chǔ)上，增加錨索梁對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[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(zhǎng)2.7m；錨索托盤(pán)的規(guī)格為：300×300×16mm。支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 工作面超前鉆孔爆破切頂區(qū)支護(hù)方案

（二）工作面滯后動(dòng)壓區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

在工作面滯后動(dòng)壓區(qū)，由于采空區(qū)垮落矸石沒(méi)有壓實(shí)，對(duì)巷道頂板產(chǎn)生不到支撐效果，此時(shí)頂板活動(dòng)劇烈，需要大量的向上支撐載荷來(lái)保持巷道頂板的穩(wěn)定性。該階段應(yīng)力峰值主要施加在巷內(nèi)支護(hù)體上，要求支護(hù)體本身的支護(hù)阻力大于頂板周期來(lái)壓時(shí)的最高壓力[3]，巷道最小支護(hù)阻力計(jì)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(shù)，取1.3；d為巷道寬度，取4m；L為支護(hù)長(zhǎng)度，取1.2m，代入式（5），可得巷內(nèi)所需最小支護(hù)阻力為572kN。

因此，21602運(yùn)輸工作面滯后動(dòng)壓區(qū)頂板支護(hù)應(yīng)采用如下形式：?jiǎn)误w液壓支柱+U型鋼支腿+鋼筋網(wǎng)支護(hù)。其具體支護(hù)參數(shù)為：幫部采用U型鋼支腿掛鋼筋網(wǎng)支護(hù)，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(shè)的單體液壓支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，柱距900mm，排距分別為500mm和700mm，支護(hù)方案如圖5所示。每根單體支柱可提供支護(hù)阻力200kN，每根錨索可提供支護(hù)阻力20kN，該支護(hù)方案可提供支護(hù)總阻力為660kN，能滿(mǎn)足支護(hù)需求。

圖5 工作面滯后動(dòng)壓區(qū)支護(hù)方案

（三）工作面滯后穩(wěn)壓區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移逐漸趨于平緩，巷道頂板所受壓力將分為兩種情況。當(dāng)工作面機(jī)頭滯后進(jìn)入頂板穩(wěn)定區(qū)后，可撤除第三階段的巷內(nèi)臨時(shí)單體液壓支柱，支護(hù)方案如圖6所示。當(dāng)?shù)V壓顯現(xiàn)明顯時(shí)，不回撤單體液壓支柱，采用“錨索梁+工字鋼棚”進(jìn)行復(fù)合支護(hù)，選用12#礦用工字鋼距兩組錨索梁之間插空居中布置，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形實(shí)際情況，棚梁寬度3300mm，棚腿長(zhǎng)2200mm，棚距1500mm，與最不穩(wěn)定的動(dòng)壓區(qū)支護(hù)保持一致。

圖6 工作面滯后穩(wěn)壓區(qū)支護(hù)方案

四、工業(yè)應(yīng)用效果分析

（一）鉆孔爆破切頂

采用聚能管反向裝藥預(yù)裂爆破切頂技術(shù)，切頂位置位于21602工作面運(yùn)輸巷煤壁側(cè)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(zhǎng)度為3m、封孔長(zhǎng)度為1.5m、裝藥密度為0.45kg/m，每次起爆5~20個(gè)孔。從圖7可以看出，現(xiàn)場(chǎng)爆破后形成的預(yù)裂面效果較好，爆破后巷道表面裂縫聯(lián)通情況也相對(duì)理想，如圖8所示。

圖7 爆破前后鉆孔內(nèi)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(cè)

為掌握21602工作面運(yùn)輸巷（沿空留巷區(qū)段）在工作面推進(jìn)期間圍巖變形特征，在運(yùn)輸巷內(nèi)布置位移測(cè)站監(jiān)測(cè)巷道表面位移，留巷圍巖變形量隨工作面推進(jìn)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(guò)程圍巖變形可劃分為四個(gè)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(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定，幫部及頂?shù)装逦匆?jiàn)明顯變形，下工作面?zhèn)葞筒坷塾?jì)變形量為10mm，底板累計(jì)變形量為12mm，頂板累計(jì)變形量為8mm。

2.階段Ⅱ：超前工作面0~20m范圍內(nèi)。因在此范圍內(nèi)進(jìn)行爆破切頂，巷道圍巖結(jié)構(gòu)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_(dá)到107mm，底板變形量達(dá)到80mm，頂板變形量為26mm。

3.階段Ⅲ：滯后工作面0~80m范圍內(nèi)。工作面開(kāi)采過(guò)后，采空區(qū)覆巖發(fā)生垮落并折斷，留巷頂板采空區(qū)側(cè)失去支撐，巷道圍巖變形量迅速增大，隨著采空區(qū)覆巖運(yùn)移趨于穩(wěn)定，圍巖變形速度逐漸減低，此階段結(jié)尾處工作面?zhèn)葞筒孔冃瘟窟_(dá)到382mm，底板變形量達(dá)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(jìn)，采空區(qū)覆巖運(yùn)移接近平緩，垮落矸石逐漸壓實(shí)，留巷頂板得到支撐，巷道圍巖變形增幅較小，到最后檢測(cè)位置處下工作面?zhèn)葞筒孔冃瘟繛?02mm，底板變形量達(dá)到344mm，頂板變形量為118mm。

五、結(jié)論

（一）通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)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(duì)堅(jiān)硬頂板下薄煤層沿空留巷開(kāi)采設(shè)計(jì)，考慮巷道圍巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，將其劃分為三個(gè)支護(hù)區(qū)段，并給出了相應(yīng)的巷內(nèi)及巷旁支護(hù)方案，有效解決了21602工作面切頂卸壓沿空留巷支護(hù)問(wèn)題。

（三）21602工作面采用鉆孔爆破切頂后，能夠?qū)⑾锏篮筒煽諈^(qū)上覆關(guān)鍵巖層間的應(yīng)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(jì)下沉量為118mm，低鼓累計(jì)量為344mm，實(shí)體煤側(cè)累計(jì)變形量為402mm，說(shuō)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。