复合顶板切顶沿空留巷围岩变形分区及耦合支护技术

高喜才，马腾飞，范 凯，肖前昌，胡 彬，王灿华

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.四川华蓥山龙滩煤电有限责任公司，四川 广安 638020；3.四川华蓥山广能(集团)有限责任公司，四川 广安 638027)

在煤炭资源回采过程中，切顶沿空留巷作为无煤柱护巷方式之一，能够减少资源损失，降低巷道掘进率，实现Y型通风[1，2]。因此，研究切顶沿空留巷具有重要的理论与现实意义。

许多专家学者开展了关于切顶沿空留巷的理论发展与现场应用的研究工作。在理论研究方面，何满潮等[3]建立不同顶板位态下“围岩结构-巷旁支护体”力学模型并推导得出了巷旁支护阻力的计算方法，为选择切顶沿空留巷支护方案提供理论依据；张农等[4]提出留巷围岩区域应力优化及整体强化的切顶沿空留巷结构控制原理；何满潮等[5，6]将切顶沿空留巷围岩结构分为煤体支撑区、动压承载区、成巷稳定区；杨军等[7]认为厚煤层切顶沿空留巷杨围岩稳定性分布规律可分为压力变化区、压力趋稳区和压力稳定区三个阶段；马资敏等[8]对挡矸支护所受侧向应力和矸石对顶板的支撑力进行了分析计算；杨军等[9]将切顶沿空留巷短臂梁运动过程分为前期、中期、后期三个阶段，提出了“巷内及时高强支护+切顶方案优化”的阶段性主控因素控制对策；冯国瑞等[10]研究了工作面回采期间沿空巷道巷旁充填体的应力分布和变形特征；谢生荣等[11]分析锚固深梁结构和两帮协同承载机理，从而揭示锚固深梁结构稳定性承载机制。杨朋等[12]分析深井复合顶板条件下切顶沿空留巷围岩变形破坏机理及裂隙动态演化特征，提出“各阶段逐级强化”和“强化护表”的动-静结合顶板关键支护技术。

在现场应用方面，为解决切顶沿空留巷围岩变形周期长、变形量大、围岩控制难等问题，何满潮等[13]运用理论分析、数值模拟结合现场实测的方法设计深部高应力复合破碎顶板切顶关键参数；郭志彪等[14]利用数值模拟结合数学计算的方法进行薄煤层切顶参数设计；陈金明等[15]和杨军等[16]采用理论分析和现场研究相结合的方法确定了切顶沿空留巷的合理爆破参数。通过现场观测，王亚军[17]认为动压承载临时支护的主要作用是控制下位顶板产生的扩容变形或离层；陈上元等[18]构建了深井切顶沿空留巷围岩协同控制体系；高玉兵等[19]针对正断层影响下切顶沿空留巷矿压显现规律随留巷过程具有明显的阶段性特征设计一套新型支护体系；张盛等[20]总结了中国30多个代表性矿区切顶沿空留巷定向爆破孔的关键参数并分析了留巷效果，对切顶沿空留巷技术的推广具有重要的工程参考价值。

相较于常见的顶板类型，复合顶板切顶沿空留巷具有顶板易破碎、下沉量大等特点，对支护体的支护强度、刚度等参数提出更高要求。本文以龙滩煤矿3124S工作面风巷为工程背景，研究复合顶板切顶沿空留巷围岩变形特征，结合耦合支护原理提出分区域多介质耦合支护技术，有效地降低了顶板下沉量，对提高留巷速度有实际意义。

1 工程概况

龙滩煤矿位于华蓥山中段煤田北部，井田内含煤层2层(分别为K1、K2煤层)，主采K1煤层。矿井现开采312采区3124S工作面，工作面走向长1486m，倾向长200m，煤厚0.7～2.57m，平均厚度1.55m。煤层倾角3°～7°，平均5°。伪顶为深灰色薄层砂质泥岩，岩层强度较小，随采随冒；直接顶为深灰色砂质泥岩，岩层较为坚硬；基本顶为深灰色层状泥晶灰岩、深灰色泥岩，强度大，厚4.95～7.4m。

从3214S工作面风巷顶板钻孔窥视结果如图1所示，由图1可知，巷道顶板复合特征显著，岩层组合变化大且分布规律不明显。浅部1.5m范围内含有不同程度的离层破碎现象，顶板2～5m深度位置存在厚度不一的坚硬岩层，该坚硬岩层为致密性较好的砂质泥岩和砂岩，其断裂状态决定了切顶沿空留巷的稳定性。

图1 3214S工作面风巷钻孔柱状图(右)与窥视图(左)

3214S工作面风巷巷道断面为梯形，净宽4.6m，净高2.5m，净面积10.58m2。回采巷道原支护方案采用锚网索支护。其支护方案及参数如图2所示。

图2 3214S工作面风巷支护断面图(mm)

巷道顶板支护方案：顶板采用“树脂锚杆+锚索+塑钢网+钢筋梯”联合支护。树脂锚杆参数为∅20mm×L2200mm，间排距800mm×800mm；锚索参数为∅15.24mm×L7500mm，间排距1600mm×1600mm；塑钢网参数为80mm×80mm，菱形网孔；钢筋梯采用∅20mm螺纹钢焊接而成。

巷道两帮支护方案：两帮采用“涨壳锚杆+金属网+竹笆片”联合支护。涨壳锚杆参数为∅16mm×L1800mm间排距800mm×800mm；金属网参数为100mm×100mm，菱形网孔。

2 复合顶板沿空留巷围岩变形分区特征

2.1 顶板变形监测

为了全面掌握3124S工作面风巷围岩变形情况，在风巷顶板布置两处顶板位移监测站(超前工作面50m处、150m处分别布置1#、2#测站)，安装顶板深部位移监测计监测0～6m层位顶板位移情况。监测结果如图3所示。

图3 3124S工作面风巷顶板下沉量监测曲线

监测期间，顶板变形现象显著，1#测站监测范围内变形速度为0.1～3.4mm/m，最大位移量约为132mm；2#测站监测范围内变形速度为0.2～3.3mm/m，最大位移量约为154mm。监测结果显示直至测站滞后工作面约80m时顶板下沉量趋于零，顶板基本稳定。

两处测站顶板位移变形均出现两次突变区。初次突变区为1#、2#测站超前工作面约35m位置处开始，直至工作面推进至距测站约20m时趋于稳定。由于巷道受到超前支承压力的影响，1#测站顶板位移变形速率由0.8mm/m突增至2.2mm/m，2#测站顶板位移变形速率由0.5mm/m突增至2.3mm/m；二次突变区为1#、2#测站滞后工作面约40m位置处开始，直至测站滞后工作面距约80m时趋于稳定。此时测站处于留巷区域内，受顶板坚硬岩层运动的再次影响，1#测站顶板位移变形速率由0.5mm/m突增至3.4mm/m，2#测站顶板位移变形速率由0.2mm/m突增至3.3mm/m。

由现场监测可知，监测期间出现两次突变区，两处测站监测顶板最大下沉量约为150mm，且风巷顶板破碎情况严重，锚杆锚索存在失效现象，留巷顶板存在安全隐患。

2.2 围岩变形分区

根据复合顶板切顶沿空留巷巷道顶板位移变形监测结果，将切顶沿空留巷分为四个变形区域，如图4所示。

图4 复合顶板切顶沿空留巷围岩变形分区

1)原风巷支护区(超前工作面50m以外)。此区域顶板位移变形速度为0.1～0.4mm/m，巷道顶板变形加速度基本不变。变形主要是由于巷道开挖破坏原围岩应力平衡状态，浅部顶板中软硬互层的复合结构在其周围岩体应力的作用下开始出现离层现象。

2)超前影响区(超前工作面0～50m范围)。此区域巷道顶板位移变形速度由0.4mm/m突增至2.3mm/m，巷道顶板变形加速度剧增。巷道受超前支承压力影响，在第一阶段变形的基础上，直接顶中、上部岩层出现离层现象，部分锚杆、锚索失效。

3)滞后留巷区(工作面后方0～80m范围)。此区域巷道顶板位移变形速度经历两个变化过程，一是工作面后方0～40m范围，顶板变形速度为0.2～0.5mm/m，巷道顶板变形加速度基本不变；二是工作面后方40～80m范围，顶板变形速度为0.2～3.4mm/m，巷道顶板变形加速度突增；此区域处于切顶沿空留巷区，采空区侧直接顶上部顶板出现变形、断裂、运动现象，巷道直接顶上部岩层依次出现离层现象，塑钢网由部分鼓包现象。

4)永久成巷区(工作面后方80m以外)。此区域顶板位移变形速度为0.1～0.2mm/m，巷道顶板变形趋于稳定。

2.3 围岩变形机理

3124S工作面风巷围岩变形破坏的原因：

1)复合顶板结构易离层破碎，浅部主动锚杆索锚固效果不足。据3124S工作面风巷顶板窥视钻孔揭露显示，巷道顶板存在软硬互层、离层破碎现象，造成部分锚杆失效。因此，风巷围岩支护方案及参数应考虑复合顶板条件，适当改进锚杆结构，增加加强支护构件，调整支护参数等。

2)切顶参数难以适应复合顶板条件的复杂变化，切顶效果不佳。3124S工作面采用预裂爆破的方式卸压成巷，切顶钻孔的角度、深度、间排距、装药量等参数的选取严重影响切顶连通率。3124S工作面顶板夹杂多层破碎岩层，破碎夹层中含有大量结构面和结构体，炸药爆破后，大部分冲击能量消耗在破碎岩层传播过程中，导致高位顶板和坚硬岩层未能充分切断，造成留巷采空区侧长距离窄边顶板悬顶，后期这部分岩体的运动严重威胁留巷巷道围岩稳定状态，制约留巷速度与效率。

3)顶板运动具有运动时间效应，支护强度不够。切顶沿空留巷巷道在服务过程中，顶板运动受一次采动过程影响，按层位关系可分为浅部运动、中部运动、深部运动；浅部运动主要是巷道顶板受采空区侧直接顶垮落和基本顶弯曲下沉的影响，在自重及上覆岩层重力作用下，巷道顶板发生一个小挠度变形运动；中部运动(如图5所示)是在浅部运动的基础上，采空区侧直接顶充分垮落后，基本顶在其上覆岩层的重力作用下开始断裂下沉形成稳定的砌体梁结构，关键层承载上部岩层的重力作用，切顶沿空留巷巷道在基本顶砌体梁结构保护下处于应力降低区，应力向煤体前方深部转移，留巷巷道变形以直接顶和基本顶回转失稳为主；深部运动主要以基本顶上部岩层逐层破断下沉为主，深部岩层通过应力分流将应力转移到下部岩体及采空区矸石上，采空区侧支承压力峰值增大，留巷巷道顶板变形以平行下沉为主。现场监测发现，在发生中部和深部运动过程中，留巷内部分支护构件陷入顶板内，部分锚杆失效，主要是由于支护构件单一，支护体支护强度不够，支护构件之间没有耦合作用，没有整体性。

图5 复合顶板切顶沿空留巷顶板运动

最后是初采和收尾阶段，采空区上、下三角存在垮落不充分、充填不完全、顶板压力大的问题。在靠近边界煤柱区域，采空区顶板上、下三角区存在弧形三角板结构，顶板垮落矸石不能完全充填采空区导致顶板压力过大，在此区域应进行加强支护处理以免留巷在服务期间变形较大而影响下一工作面生产。

3 复合顶板切顶沿空留巷耦合支护技术

依据复合顶板切顶沿空留巷顶板变形破坏分区域特征以及变形机理，提出复合顶板切顶沿空留巷分区域多介质耦合支护技术。

3.1 技术原理

分区域多介质耦合支护技术是针对复合顶板的结构类型，结合复合顶板切顶沿空留巷巷道顶板变形的明显分区域、分层位特征，利用主动支护加强锚索增加巷道顶板的强度和结构的整体性，被动支护构件单体支柱和戗柱吸收巷道顶板变形释放的变形能量；同时，提高支护体与围岩的耦合性，加强支护体与围岩强度、刚度以及结构稳定性，实现集中应力向煤体深部转移；最终形成“锚杆锚索主动固顶+单体支柱戗柱护帮+钢带槽钢组合梁护顶”的完整支护体系。

分区域多介质耦合支护技术能够适应复杂地质围岩条件随时间场表现出的应力场、位移场相互耦合的效应，综合利用不同支护介质之间的物理、力学性能差异，改善切顶沿空留巷围岩力学形态，保证在采场围岩发生变形移动的过程中留巷巷道能够保持稳定。

3.2 关键技术

3.2.1 增效锚固结构

在主动支护构件端头增加锚固增效结构，该结构由搅拌装置和封堵装置组成，搅拌装置顶部设搅拌齿，确保锚固药卷初期的搅拌均匀，搅拌装置的内部孔剖面为锥形，便于搅拌装置套装于锚索端部；封堵装置主要结构是封堵导升装置，确保锚固剂全部封存在锚固增效结构中，实现加强主动支护构件的锚固力，保证锚固效果。

3.2.2 超前加固支护

为增强主动支护构件锚杆索的锚固效果，保证主动支护构件“拉得住”切顶短臂梁，需超前工作面50m布置单排长度9.2m的加强锚索，锚索间距1.6m，锚索距回采面煤壁西帮0.5m，每根锚索采用3条ck2370树脂锚固剂锚固，锚索下端必须安装好锁具、托梁和碟状托盘，使用拉力器紧固。超前工作面20m布置“一梁三柱”抬棚支护超前加固巷道，即11#工字钢+DW35-250/100X单体液压支柱支护，钢梁垂直工作面走向均匀布置，间距0.8m，支柱垂直顶底板。

3.2.3 调整切顶参数

切顶沿空留巷的切顶参数的选择直接影响留巷效果，针对复合顶板类型浅部顶板较破碎，深部顶板较硬的软硬互层现象，切顶参数必须保证“切得开，下得来”。在3124S工作面风巷靠工作面侧沿巷道走向布置预裂爆破孔，钻孔距工作面煤壁侧200mm处，钻孔间距为500mm，钻孔直径为50mm，钻孔深度为9m，切顶角度15°(与竖直方向夹角)。

3.2.4 强化碎石帮

工作面后方对采空区侧进行喷浆处理，保证“护得住，封得严”且应严格遵守三个原则，一是严格按照级配进行配料，且要保证水泥、速凝剂等均未失效；二是喷浆总厚度不得小于50mm且保证遮盖住锚杆托盘、塑钢网、钢筋网等，初喷不得滞后工作面煤壁25m，复喷不得滞后工作面煤壁40m。喷浆前每50m预留气体取样孔，预埋孔距留巷顶板不超过0.5m；三是保证喷浆后的墙体要保证严实不漏风且墙体平整，否则，应进行二次补喷，直至达标即可。

3.3 技术方案与工艺

根据复合顶板耦合支护技术原理及变形分区机理，结合切顶沿空留巷“拉得住、切得开、下得来、护得住、封得严”的核心理念，针对超前影响区(加固切顶)、滞后留巷区(立柱挂网护帮)、永久成巷区(抬棚喷浆加固+收尾砌墙接顶支护)设计的新方案与工艺，对3124S风巷原支护进行分区域加强支护。

3.3.1 超前影响区支护方案

在超前工作面煤壁50m位置处施工单排加强支护长锚索，并安装增效锚固结构增加锚固效果。超前工作面煤壁40m位置，采用锚索+14#槽钢+“W”钢带+单体支柱组成“一梁三柱”的耦合支护结构。

3.3.2 滞后留巷区支护方案

随着工作面的推进，在切顶沿空留巷采空区侧沿巷道走向布置立柱+钢筋网+金属网+戗柱进行立柱挂网挡矸，立柱紧贴采空区布置，间距800mm，靠采空区一侧将钢筋网用8#铁丝悬挂于立柱上，间隔4m布置一根戗柱，防止立柱倒滑，达到加强支护的效果。

3.3.3 永久成巷区支护方案

为了加强碎石帮的整体强度和密闭性，紧跟滞后留巷区边缘喷注C20混凝土墙，选取材料为机制沙(0.08～0.5mm)、瓜米石(0.5～1mm)、水泥(32.5R)、以及早强剂和水，严格按照水泥∶机制沙∶瓜米石∶早强剂∶水=1∶2∶2∶0.03∶0.45的配合比进行配料。

混凝土墙养护20d以后，回收成巷区的工字钢梁、单体支柱、戗柱等。成巷区的支护由锚索、锚杆、混凝土墙等组成，而对于靠近边界煤柱的初采或收尾段，为避免上、下三角存在垮落充填不充分造成采空区顶板压力过大等问题，在工作面初采、首尾段用块砖进行砌墙，墙体采用灰浆对砌块之间进行勾缝，确保墙体的密封性。

4 工程实践

3124S回采工作面实施分区域多介质耦合支护技术后，为了验证切顶沿空留巷的留巷效果，在切顶沿空留巷巷道顶板布置双基点深部位移监测仪进行深部位移监测。基点深度为2m、8m，从切顶沿空留巷成巷后1～2d内布置的测站，同时进行监测，共布置8组测站，每组测站相隔20～30m。3124S回采工作面留巷2#、5#测站处顶板深部位移监测结果如图6所示。

图6 3124S工作面切顶沿空留巷顶板位移监测曲线

由图6可知，在监测期间，0～2m处顶板下沉量处于20～41mm之间，0～8m处顶板下沉量处于37～62mm之间，与原支护方案相比降低了60%～75%。从变化趋势上看，留巷初期(成巷后0～20d)围岩变形量变化速率较大，多数测站顶板变形主要集中在0～2m的浅部围岩，切顶沿空留巷整体稳定性较好；留巷中期(成巷后20～40d)，围岩变形量变化速率逐渐减小，多数测站顶板变形主要集中在0～8m的浅部围岩；留巷后期(成巷后40～60d)，围岩变形趋于稳定，表明支护效果良好。

同时，在增加布置加强长锚索后，巷道内锚索锚固力合格率超过95%，切顶沿空留巷进度比之前提高了0.8～1.6m/d，提升了15%～40%。

5 结 论

1)根据3124S工作面切顶沿空留巷变形特征与变形机理，将切顶沿空留巷围岩变形区域分为原风巷支护区、超前影响区、滞后留巷区、永久成巷区四个变形区域，为针对性支护方案设计奠定了基础。

2)根据划分的变形区域，设计具有针对性的各区域支护方案，合理利用支护构件的力学性能，有效控制巷道围岩的变形量，吸收和转移变形能量。提出“锚杆锚索主动固顶+单体支柱戗柱护帮+钢带槽钢组合梁护顶”的耦合支护技术，增加支护构件与围岩的整体性。

3)现场监测结果表明，3124S工作面切顶沿空留巷顶板下沉量处于33～62mm之间，多数测站顶板变形主要集中在0～2m的浅部围岩，切顶沿空留巷整体稳定性较好，大幅提高了留巷效率。