切顶卸压自成巷巷内支护及其稳定性控制

计庆辉，王昊昊

（1.皖北煤电集团公司 恒源煤矿，安徽 淮北 235100；2.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

关于巷旁充填沿空留巷技术，从充填体强度与基本顶岩层断裂关系的角度出发，采矿学者很早便提出了巷旁充填体支护强度的设计准则：即支护体对顶板的支护力应能够切落足够高度的顶板岩层并适应基本顶二次断裂后的偏转下沉[1]。在这种思想的指导下，研究者们在沿空留巷充填体材料强度[2-3]和巷旁充填体宽度[4-5]上进行了大量的研究，发展出了矸石砌墙、混凝土墙和高水材料充填等沿空留巷方式[6]，并在充填体沿空留巷工程应用等领域积累了大量的经验[7-8]。然而，采用在巷道靠近采空区一侧构筑充填体的方式进行沿空留巷，属于被动承载，即利用充填体的支护阻力来切断巷道和采空区顶板，这种留巷方法在巷道埋深不大、顶板条件较好时可以达到不错的留巷效果，但随着开采深度的增加或顶底板条件变差，留巷后往往出现充填体严重变形甚至压垮失效，巷道严重底鼓等大变形现象[9-10]。鉴于此种情况，考虑采用人工干预的手段主动切断巷道顶板，提前改变顶板结构的留巷方法逐渐受到重视，比较常用是水力切割、深孔爆破等切顶手段[11-13]。但是由于巷旁墙体的充填施工与工作面开采属于平行作业，不可避免的对生产造成影响，同时由于水力切割、深孔爆破等存在着施工工序复杂、工程量大等问题，巷旁充填沿空留巷的应用范围主要为薄煤层或浅埋深工作面。鉴于传统沿空留巷存在的种种问题，何满潮院士提出了切顶卸压自成巷方法，通过双向聚能张拉爆破提前切断巷道顶板，变巷旁充填体支撑巷道上覆岩层为利用采空区碎胀矸石支撑上覆岩层，同时采用恒阻大变形锚索对顶板补强加固，实现了切落顶板和适应基本顶偏转下沉的目标[14-15]。

目前，切顶卸压自成巷技术已经在薄煤层、中厚煤层及厚煤层中成功应用[16-18]，但应用在矿井大埋深的不多。为此以大埋深复合顶板为研究背景，研究切顶卸压的适用性，并对复合破碎顶板条件下的巷内支护强度和稳定性控制对策等进行深入分析，通过建立悬臂梁＋铰接岩梁的结构模型，进行大埋深复合顶板巷内支护设计，最终实现成功留巷。

1 复合顶板切顶卸压覆岩结构

1.1 工程概况

恒源煤矿位于淮北矿区西部，主采煤层为6#煤，平均煤厚 2.8 m，平均倾角 9.1°。选定 2632 工作面为切顶卸压留巷试验面，2632工作面位于Ⅱ63采区上部，为263采区的首采工作面，埋深为600～836.5 m，工作面倾斜长度为185 m，走向长度为1 725 m。2632工作面上煤巷为回风巷，下煤巷为机轨合一巷，下煤巷前1 200多m不进行留巷，顶板自然垮落，最后500 m进行切顶留巷。

1.2 围岩特征及结构

2632机巷沿6#煤顶板掘进，直接顶为泥岩或砂岩，平均厚度3.1 m，其间常常发育煤线，基本顶为细砂岩，平均厚度3.6 m。为进一步摸清巷道顶板岩性分布情况，在切顶留巷前通过在试验段巷道内施工顶板探查孔，对顶板岩性进行素描，2632机巷留巷段顶板素面图如图1。

由图1可知，试验段巷道顶板中普遍发育2～3条煤线，局部煤线距6#煤层顶板较近，可能形成伪顶，表现为巷道部分区域顶板破碎、下沉变形；试验巷道前半段的直接顶以泥岩和煤线的复合顶板为主，后半段是泥岩、煤线和砂岩复合的顶板，切顶时要根据具体的岩性设计对应的装药结构。

1.3 切顶卸压顶板结构模型

图1 2632机巷留巷段顶板素面图

预裂爆破的作用在于提前切断直接顶或者部分的基本顶，形成的切缝线即为岩层中的人为弱面，工作面开采后直接顶或软弱的下位基本顶沿切缝线垮落，巷道顶板受到的垮落冲击影响较小，直接顶垮落后基本顶岩层在自重及上覆岩层压力的作用下逐渐偏转下沉，当基本顶岩层受到的拉应力大于岩层抗拉强度时即产生破断，破断后的基本顶岩块相互挤压，形成岩块间的铰接结构，悬臂梁＋铰接岩梁顶板结构模型如图2。

图2 悬臂梁+铰接岩梁顶板结构模型

直接顶（切顶后垮落的下位基本顶也认为是直接顶的一部分）被切断后不会触矸，形成了力学上的悬臂结构，悬臂长度即为巷道宽度。

切顶后基本顶岩层的破断规律仍符合铰接岩梁的相关理论，岩块破断后相互铰接，岩块间仍能传递水平挤压力，同时直接顶岩层形成悬臂结构，这样切顶卸压后就形成了“悬臂梁＋铰接岩梁”的顶板岩层结构模型。

2 自成巷巷内支护强度的计算

2.1 小煤柱护巷巷内支护强度

直接顶垮落后，基本顶岩梁断裂前，基本顶载荷主要由巷道和护巷煤柱上方的直接顶承担，并传递到巷道及其周围岩体。为保证巷道围岩稳定，巷内支护和护巷煤柱必须能够抵抗基本顶变形及载荷，为此，建立了留煤柱护巷下的巷道围岩结构力学模型（图3），分析基本顶岩梁的受力特征及其稳定性。

图3 留煤柱护巷时围岩结构力学模型

图3中，Mo为基本顶岩梁在O点处所受弯矩，N·m；Fo为基本顶岩梁在 O 点处所受剪力，N；q1为基本顶岩梁自身及上覆岩层载荷集度，N/m；q2为直接顶对基本顶岩梁偏转下沉挤压的作用反力集度，N/m；σm为巷内支护强度，N/m；σn为煤柱支撑强度，N/m；a为煤巷宽度，m；b为护巷煤柱宽度，m；c为直接顶垮落后相对于煤柱的最大悬臂长度，m；d为基本顶侧向断裂后的跨度，m；α为基本顶岩梁的偏转下沉角度，（°）；△H为基本顶岩梁在直接顶悬臂处的偏转下沉量，mm。

基本顶岩梁偏转下沉挤压直接顶变形，直接顶最大压缩变形量为△H，考虑到此时基本顶岩梁尚未断裂，偏转下沉量不大，可以近似认为直接顶的压缩变形为弹性变形，则直接顶对基本顶的反作用力q2可以表示为：

式中：E为直接顶岩梁的弹性模量。

将q2代入到基本顶受力平衡关系中，可得留煤柱护巷下巷内支护强度的计算公式：

2.2 切顶卸压下巷内支护强度

采用预裂爆破技术，开采前提前切断巷道和工作面之间的顶板，待工作面开采后，采空区顶板沿切缝面垮落，借助岩石碎胀效应，垮落矸石充填满采空区，进而限制采空区基本顶的偏转下沉变形。

覆岩运动过程中，基本顶岩梁载荷逐渐向巷道一侧实体煤深处和采空区矸石转移，这样留巷巷道便处于低应力区，有利于巷道的稳定，为分析切顶卸压自成巷巷内支护强度对留巷稳定性的影响，建立了返修方案数值模拟位移模型（图4）。

图4 返修方案数值模拟位移模型

图4中，q3为采空区矸石对基本顶岩梁偏转下沉挤压的作用反力集度，N/m；e为切缝线在水平方向的长度，m；f为基本顶悬露长度，m；g为基本顶岩梁偏转触矸长度，m；△H为基本顶岩梁在直接顶切缝位置的偏转下沉量，mm。

认为基本顶偏转下沉对直接顶的压缩变形为弹性变形，则直接顶对基本顶的反作用力q2可表示为：

切顶卸压自成巷时巷内支护强度的计算公式：

式中：ξ为强度系数；k为碎胀系数。

然后，令：

式中：ξ1定义为留煤柱护巷下的巷内支护强度系数；ξ2为切顶卸压自成巷的巷内强度系数。

化简后比较可得：ξ1＜ξ2，所以，切顶卸压后的巷内支护强度要小于小煤柱护巷。

3 留巷稳定性的数值模拟分析

3.1 切顶高度对留巷稳定性的影响

为了研究切顶高度对留巷矿压显现规律的影响，利用有限差分软件FLAC3D建立了恒源煤矿切顶卸压计算模型，选择了3组不同的切顶高度：5、7、9 m，通过切顶高度的变化模拟围岩应力、位移分布特征，进而得到切顶高度对留巷稳定性的影响规律，模拟结果如图5～图8。

图5 切缝高度对留巷围岩应力显现规律的影响

图6 切缝高度对留巷围岩位移显现规律的影响

切顶高度越大，巷道顶板卸压区范围越大，说明切顶卸压对巷道顶板应力的影响范围与切顶高度成正相关。

切顶高度为5、7、9 m时，巷道顶板垂直位移最大值分别为460、320、240 mm，表明切顶高度越大，巷道顶板垂直位移越小，证明切顶卸压能够有效控制顶板围岩变形，保证巷道稳定。

图7 切缝角度对留巷围岩应力显现规律的影响

图8 切缝角度对留巷围岩位移显现规律的影响

3.2 切顶角度对留巷稳定性的影响

同样的，建立FLAC3D数值计算模型，选择3组不同的切顶角度进行模拟：0°、15°和 25°，通过模拟切顶角度的变化进而得到切顶角度对围岩应力、位移分布特征及留巷稳定性的影响。

切缝角度为0°时，采空区顶板垮落不彻底，采空区范围内垂直应力仍然较高；切顶角度为15°、25°时，采空区顶板垂直位移较大，采空区存在较大范围的低应力区，表明一定的切缝角度有利于采空区顶板垮落，从而达到利用垮落岩体充填采空区、支承上部岩层的目的。

切顶角度为 0°、15°、25°时，巷道顶板垂直位移最大值分别为230、330、470 mm，表明切缝角度越大，巷道顶板垂直位移越大，这是由于增大切顶角度同时也增大了巷道顶板悬臂梁的长度，容易使顶板变形量增大。

综上所述，切缝前应做好恒阻锚索顶板加固工作，并合理确定切缝角度和切缝高度，保证切断足够高度的顶板并减小顶板悬露长度，最终选取的切缝高度为7 m，切缝角度为15°。

4 工程应用

4.1 工程地质条件

2632工作面为Ⅱ63采区首采工作面，Ⅱ632机巷为工作面的进风巷，Ⅱ632风巷为工作面的回风巷，选取机巷的最后500 m巷道进行切顶卸压自成巷试验，Ⅱ632工作面巷道布置图如图9。

图9 Ⅱ632工作面巷道布置图

Ⅱ632机巷设计断面为异矩形，巷道净断面巷高2.8 m，巷宽5.2 m，巷道顶板采用锚网索支护，巷道补强支护设计断面图如图10。煤层平均倾角约9.1°。留巷段工作面埋深为 627～815 m。

4.2 留巷设计方案

为确保留巷期间巷道稳定，留巷前，采用3列φ21.8 mm×9 500 mm恒阻大变形锚索对巷道顶板进行补强加固，锚索恒阻值为（330±20）kN，允许变形量为350 mm。其中，补强恒阻锚索沿顶板铅垂方向布置，与原锚索间隔布置，恒阻锚索布置情况如图10，施工时要求恒阻锚索预紧力不小于280 kN。

巷道顶板补强加固后，采用聚能爆破的方式预裂顶板，预裂切缝孔深度为7 000 mm，间距500 mm，在巷道回采帮肩窝处施工。为保证顶板预裂切缝效果，考虑到2632机巷留巷段顶板岩性的不连续发育特征，在实际爆破施工过程中，当顶板岩性发生较大变化是，需要根据顶板实际岩性再次进行爆破参数试验，及时对爆破参数进行调整，预裂爆破钻孔的设计装药结构图如图11。

图10 巷道补强支护设计断面图

图11 预裂爆破钻孔的设计装药结构图

4.3 应用效果

采用预裂切缝爆破技术切断了巷道顶板，施工恒阻大变形锚索提前对巷道顶板进行补强加固，工作面开采后，采空区顶板垮落自动形成了巷道新的一帮，现场试验后留巷效果总体良好，切顶留巷试验的成功缓解了恒源煤矿接续紧张的压力，取消区段煤柱的同时少掘一条巷道，带来了可观的经济效益，该项新技术的成果应用，为淮北乃至安徽地区类似条件矿井开展自成巷实践提供了借鉴。

5 结论

1）基于恒源煤矿大埋深、复合破碎顶板的条件，建立了切顶卸压下的“悬臂梁＋铰接岩梁”顶板结构模型。

2）通过计算2种留巷模式下的巷内支护强度，发现切顶卸压自成巷的巷内支护强度要明显小于留煤柱护巷，切顶对围岩的卸压作用明显。

3）经过数值模拟计算发现，切缝高度为7 m，切缝角度为15°时围岩的卸压作用最好，留巷后巷道变形量小

4）现场工程应用表明，切顶卸压自成巷能够适应大埋深、复合破碎的条件，可为类似条件下的自成巷应用提供借鉴。