砌块充填沿空留巷底鼓大变形控制技术研究

孔庆军

(兖矿贵州能化有限公司，贵州 贵阳 550022)

贵州省煤炭资源储量丰富、煤种齐全，具有很好的开采价值，但却存在很多开采技术难题。如地质条件复杂围岩控制难度大，瓦斯含量高抽采瓦斯工程量大，导致采掘接续严重紧张，矿井达不到设计生产能力。沿空留巷技术的实施实现了无煤柱开采，提高了资源的回收率，降低了矿井万吨掘进率，缓解矿井采掘接替紧张，因此得到大力推广。

但目前采用的沿空留巷开采技术主要以巷旁砌墙或充填支护形式为主，砌墙留巷由于未改变顶板应力传递结构导致留巷后产生应力集中，造成围岩变形量大，其中主要以底鼓为主，约占顶底板移进量的60%～80%。巷道底鼓影响煤矿的行人运输及正常通风，需多次返修，制约了矿井的高效生产。针对上述难题，我国学者展开了大量研究工作，研究表明[1-14]：巷道围岩的顶底板及两帮是一个相互租用的共同体，所以仅对底板进行加固是难以有效控制底鼓的，实现底鼓有效控制不能仅从底板单一着手，而应当充分考虑整体围岩的作用。但是传统沿空留巷多采用砌墙作为巷旁充填体，并没有改变上覆岩层的传力结构，没有从根本上解决巷道的围岩应力条件。因此亟需探寻有效的充填沿空留巷底鼓大变形控制技术来解决上述难题，实现安全高效生产。

1 工程概况

发耳煤矿位于贵州省六盘水地区，目前主采10#煤层。10#煤层直接底为泥岩，厚度2.6m；老底为细砂岩，厚度8.42m。煤层顶板由下往上依次为厚0.1m的碳质泥岩，厚2.1m的粉砂质泥岩，厚6.98m的细砂岩等。煤层倾角为8°～24°，平均厚度1.8m，容重1.3×103kg/m3。

31004工作面设计采高1.8m，倾向长度217.8～105.8m，走向长度983.9m。该工作面采煤方法为一次采全高综采，全部垮落法处理顶板。巷道掘进宽度4700mm，掘进高度2600mm。31004工作面布置如图1所示。

图1 31004工作面平面布置

2 传统砌块充填沿空留巷技术

2.1 砌块充填沿空留巷工艺

砌块充填沿空留巷工艺流程如图2所示。具体工艺如下：

图2 砌块充填沿空留巷工艺流程

1)工作面割煤→端头液压支架铺设顶网→锚杆加固充填区域顶板→移架→架后单体液压支柱临时支护充填区域顶板。

2)根据推进长度，每天构筑1～2垛充填体：清理浮煤→立层数杆、挂线→砌块就位校正→制浆→竖缝灌砂浆→充填→回收单体液压支柱。

3)清理现场，准备下一循环。

2.2 砌块充填沿空留巷底鼓大变形规律

在留巷过程中砌墙留巷出现了底鼓、片帮、顶板下沉、墙体破坏等现象，对生产造成了严重影响。初步分析是因为煤体被掘后，上覆岩层压力逐渐作用于巷道直接顶，并导致直接顶倾斜下沉，作用于砌块的压力逐渐增大，此后覆岩压力通过直接顶传递给两帮，同时由于顶板的支护强度不足，导致顶板正上方压力向两帮转移；应力经过实体煤帮和砌块巷帮传递至巷道底板，并产生向巷道中部底板挤压的应力，在挤压应力的作用下导致了底板的持续大变形。

顶板压力是造成巷道底鼓的根本原因，砌块及实体煤下方底板受压后产生的横向压力是造成巷道底鼓的直接原因；顶板压力通过砌块和实体煤帮不断传递至底板，导致巷道底板受到两侧的横向挤压作用而产生底鼓大变形；相比实体煤帮而言，混凝土砌块侧压力对底鼓的影响更为明显。这是由于实体煤帮受压后高应力可以向煤帮深部转移，因此对底板压强较小，而砌块侧砌块宽度一定，压力只能传递至单位面积的底板，导致底板更容易发生塑性变形所致。

通过矿压监测得到传统砌墙留巷段的围岩变形规律，巷道顶底板移近量670mm，其中底鼓变形量520mm，占比78%。滞后工作面130m范围内，围岩运动剧烈；滞后工作面130～445m，顶板进入缓慢运动阶段；滞后工作面445m时留巷围岩才基本稳定，围岩变形规律曲线如图3所示。最终传统砌墙留巷段巷高约为1500mm，巷宽2800mm；需要经过多次卧底、返修才能满足使用要求。

图3 传统砌块充填沿空留围岩变形规律

3 砌块留巷底鼓大变形控制技术

3.1 顶板预裂爆破卸压技术

砌块充填留巷围岩的变形动力源为顶板压力，因此减弱顶板压力，控制顶板的下沉是解决巷道底鼓的关键。提出对巷道采空区侧顶板进行爆破预裂切顶技术措施，优化留巷区域围岩应力与顶板结构。双向聚能拉张爆破是定向预裂爆破的一种，有别于传统的预裂爆破，采用传统矿用炸药，置于聚能管内，聚能管上留设聚能浅槽和聚能孔，实现了爆破后爆轰波沿聚能方向形成切向拉应力，从而形成有效的顶板切缝面[15]。聚能拉张爆破作用原理如图4所示。

图4 聚能拉张爆破原理

预裂切缝钻孔深度与采高、顶板下沉量及底鼓量有关，一般通过如下方式确定[16，17]：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

式中，ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；k为碎胀系数，根据顶板岩性取1.3～1.5。

本设计k取1.4，在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，工作面采高H煤为1.8m时，计算得H缝=4.5m。考虑切缝孔倾斜角度综合上述计算结果，预裂切缝孔深度设计为H缝=5m。切缝钻孔中线距离回采侧帮为200mm。钻孔与铅垂线夹角为0°，切缝孔间距500mm。

以5m切缝高度进行现场数值模拟研究，并对切顶卸压前后工作面及实体煤帮顶板竖向压力进行分析比较，结果如图5所示。

图5 切顶前后工作面及实体煤帮顶板竖向压力分布云图

由数值模拟结果得出，切顶卸压对顶板压力的减弱主要表现在回采工作面前方顶板、留巷巷道顶板两个位置，其中切顶卸压对工作面超前煤帮压力及走向实体煤顶板压力均由明显的减弱作用，切顶前压力平均值为3.8×106Pa，切顶后压力平均值为1.5×106Pa，与切顶前相比降低了60%，卸压效果显著。

3.2 顶板关键部位加强支护技术

在实际工程中由于岩层结构、巷道断面大小形状以及围岩应力分布状态等具有很大的差异。一些关键部位便会变得比较薄弱，从关键部位开始的巷道破坏变得越来越严重，因此使得整个巷道的逐渐失稳影响生产。因此在进行支护设计时应先预判出其关键部位，对关键部位进行相应的加强支护措施来保证巷道的稳定。

为了保证爆破时及顶板断裂来压时巷道的稳定性，超前切顶进行锚索补强加固支护。锚索长度一般设计主要原则是高于切缝，主要布设于切缝侧对于顶板支护更为有利。设计锚索长度7m，第一列锚索距切缝线600mm，第二列锚索距切缝线1800mm，锚索间距1600mm，如图6所示。

图6 补强锚索支护方案(mm)

3.3 砌块墙体双控锚杆支护技术

使用锚杆配合钢筋梯的方式进行加固沿空留巷的墙体，以致墙体的整体性得到了有效的增强作用达到了预期的效果。混凝土墙体厚度为1300mm，锚杆需外露墙体100mm，故锚杆选用∅18mm×1600mm锚杆。锚杆施加预应力后，在混凝土墙体中以45°角形成压应力区，因此锚杆的最大间排距为[18]：

Lj=2×1/2(L-L1)tan45°

式中，L为锚固长度，1300mm；L1为锚杆外漏长度，200mm。

计算得Lj=1100mm。综合考虑巷道原支护参数，故锚杆间排距为1000mm×1000mm。

3.4 砌块上方柔性让压支护技术

为提高巷帮充填体的让压，提出了在巷旁砌块与顶板间加入厚300mm柔膜混凝土材料。柔膜袋设计规格为长×宽×高=3.0m×1.3m×0.3m根据已有的工程经验及计算。柔性让压结构如图7所示。

图7 柔性让压结构

3.5 工艺流程

砌墙留巷底鼓控制技术工艺流程如图8所示。具体工艺流程如下：①施工超前切顶锚索；②超前切顶锚索支护后，在工作面前方一定距离紧接着施工聚能爆破钻孔，并进行双向聚能拉伸爆破，靠采空区侧顶板形成一预裂切缝面；③混凝土砌块砌墙，在墙体顶部与巷道顶板放置300mm的柔性垫层，在墙体内部布设双控锚杆。

图8 砌墙留巷底鼓控制技术工艺流程

4 现场应用效果

为了更好的对比切顶砌墙留巷和未切顶砌墙留巷的效果，在0～435m范围内进行未切顶砌墙留巷实验，在435～564 m范围内进行切顶砌墙留巷。顶板预裂爆破卸压技术实施的装药参数及爆破后孔内裂缝效果如图9所示。现场确定最佳装药结构为“3+2+1”，聚能管长度依次为“1.5m+1.5m+0.5m”，三级乳化炸药规格∅32mm×300mm，爆破后孔内裂缝率达到85%。

图9 装药参数及孔内裂缝效果

根据矿方的现场施工情况以及工作面推进情况，在两区段范围内监测了锚索受力情况，得到了其受力变化规律，如图10所示。监测结果表明砌块充填留巷锚索应力值普遍达到最大应力状态，切顶后锚索应力值明显减小，锚索应力值稳定在40MPa左右，较切顶卸压前降低34%。表明切顶后减弱了顶板压力，切顶卸压效果显著。

图10 锚索受力变化曲线

通过矿压监测得到传统砌墙留巷段的围岩变形规律，如图11所示。巷道顶底板移近量160mm，其中底鼓变形量120mm，较传统砌块充填留巷减小77%。围岩在工作面后方70m范围内为顶板剧运动剧烈阶段；70～180m范围内顶板运动进入缓慢阶段；滞后工作面180m时留巷围岩基本稳定。切顶砌墙留巷段巷高约为2300mm，巷宽3300mm，满足复用使用要求。

图11 切顶砌墙留巷围岩变形规律

5 结 论

1)传统砌块充填留巷由于顶板应力集中、围岩不耦合支护导致围岩应力大，围岩呈现以底鼓为主的大变形，改变顶板结构及优化支护形式是改善围岩受力环境、减小底鼓大变形的重要途径。

2)提出了砌块充填留巷底鼓大变形综合控制技术体系，利用“顶板预裂爆破卸压技术”切断了顶板应力传递途径，实施“顶板关键部位加强支护技术”及“砌块上方柔性让压支护技术”实现了耦合支护效果，联合“砌块墙体双控锚杆支护技术”保障了充填墙体的稳定性及整体强度。

3)砌块充填留巷底鼓大变形综合控制技术实施后，巷道动压影响区段明显减小，巷道稳定速度加快。巷道锚索应力值降低34%，底鼓变形量降低77%，巷道高度和宽度满足安全生产需求。