亿欣煤矿沿空切顶留巷围岩变形特征及控制技术

王 辉 孔惠会

（1.晋城金成矿山建筑工程有限责任公司，山西 长治 048000；2.陕西神东天隆矿建工程有限责任公司，陕西 西安 710000）

煤炭是目前我国能源供给体系中的主要能源，而煤炭资源的高效安全生产决定了我国能源稳定与能源战略的落实[1]。因此，采用新方法与新技术保障我国煤炭资源的高效供给是我国能源领域的重要发展方向。

我国主要使用的采煤方法为长壁采煤法，其中煤柱的留设方式直接决定了矿山压力的显现状态与资源回收率。采用“大煤柱”留设方案时，矿山压力的显现程度较低，但煤炭回收率会大大下降[2-3]。采用“小煤柱”留设方案时，矿山压力的显现程度较高，但可以提高煤炭的回收率[4-6]。以上两种方法均具备了完善的理论与工程实践经验。为进一步改善采场的矿压分布状态并提升煤炭的回收率，何满潮团队提出了无煤柱自成巷方法。无煤柱自成巷是通过预裂爆破技术将顶板进行切落，利用切落顶板代替巷旁充填体的采煤护巷技术[7-10]，也称为110工法，表示1 个回采工作面，仅需1 条巷道，煤柱个数为0。此外，还可以进一步衍生为N00 工法，即N 个回采工作面，0 巷道掘进，0 煤柱留设。此种新方法充分利用了顶板垮落充填的优势，利用碎胀矸石自动形成巷帮，避免了煤柱的留设与围岩应力集中问题[11-14]。

众多学者对无煤柱自成巷的矿压显现规律、工艺施工方式、覆岩运移特性、围岩变形特征进行了研究，为实际应用提供了大量的理论基础[15-18]。为优化亿欣煤矿回采工作面的矿压显现强度与煤炭回收率，拟采用矿井15 号煤层的XV1306 工作面结合运用数值模拟方法与工程实测方法进行试验分析。

1 工程地质概况

沿空切顶留巷试验工作面位于山西省亿欣煤矿，位于山西省沁水县，年产量为300 万t，主采煤层为2 号煤层与15 号煤层。煤层具有自燃倾向性，无煤尘爆炸危险性。试验工作面为15 号煤层的XV1306 工作面，上覆岩层厚度为182～356 m。煤层走向长度为200 m，煤层厚度为3 m，平均倾角为3°，留巷长度为461 m，留巷尺寸为5.2 m×2.6 m。在实施切顶留巷技术前采用“锚索+锚杆+塑料网”的联合支护方式。试验工作面上方为K2 灰岩基本顶，厚度8.9 m，基本顶上方为1.7 m 的砂质泥岩与0.4 m的14号煤层，工作面的直接底为1.8 m的泥岩。为探究亿欣煤矿试验工作面对于无煤柱自成巷（“沿空留巷”的一种特殊形式）切顶技术的适用性，采用数值模拟方法与工程实测方法对围岩变形特征与支护控制技术进行具体分析，以期为沿空切顶留巷技术提供工程技术指导。

2 无煤柱自成巷数值模拟分析

为探究传统回采条件下的未切顶采场开挖围岩变形与采用无煤柱自成巷技术的切顶采场开挖围岩变形的差异性特征，以亿欣煤矿XV1306 工作面为例，使用Rocscience-phase2 有限元数值模拟软件，建立采场开挖围岩变形数值模拟模型，如图1 所示。固定模型的左右边界与底部边界，对模型施加重力，并进行工作面的开挖，模拟两种不同开采方法下的采场应力、位移、塑性区分布情况。数值模拟的岩性参数见表1。

表1 数值模拟岩性参数表

图1 采场开挖围岩变形数值模拟模型

根据数值模拟软件计算结果对未切顶开挖采场与切顶开挖采场的数值模拟云图进行分析。根据图2（a）与图2（b）所示，未切顶开挖采场的覆岩应力表现出了对称分布特征，在采空区的上方出现了典型的拱结构应力分布形式，而巷道作为应力拱的底部支撑脚，承受了极大的支承压力，因此，应力的集中程度非常明显，此时巷道围岩的稳定性控制受覆岩运移的影响较大。当覆岩发生扰动二次破断，巷道围岩将会产生大量的变形。切顶开挖采场的覆岩应力由于切顶阻断了应力的连续传递性，在应力场分布上表现出非对称的特征，应力拱的底部拱脚由留巷位置向采空区内部转移，由此减轻了巷道围岩所承受的支承压力。当采空区内部覆岩发生破断与运移对留巷段的影响较小，采空区下方的应力影响范围相较于未切顶开挖采场也明显缩减。

图2 未切顶开挖采场与切顶开挖采场数值模拟计算结果

根据图2（c）与图2（d）所示的覆岩位移矢量分布图可知，未切顶开挖采场区域的位移移动量与影响范围极大，在煤层倾向上的影响范围约为采空区长度的1.5～1.8倍，由四周向采空区内部发生沉陷。切顶开挖采场的覆岩移动主要影响区域为采空区正上方的岩层，留巷段左侧围岩的位移矢量极小，在此条件下，巷道的围岩变形特征将会得到有效的控制。

根据图2（e）与图2（f）所示，未切顶开挖采场的塑性损伤区主要由巷道位置向采空区内部的覆岩方向发展，这与应力拱的卸压效果相同。采空区上方的地表下沉量较大，在沉陷处的低洼地区塑性损伤发育程度较高，将会对地表建筑设施、保护性设施以及地表水源产生危害性。相应的，切顶开挖采场的采空区覆岩空间内的塑性区发育形式较为相似，但发育程度较低，而地表区域的塑性区分布形式有明显不同，受切顶作用的效果，地表下沉区的两侧出现塑性损伤区，沉陷处的低洼地区塑性损伤发育程度较低，更加有利于对地表构筑物、建筑物以及水源的保护。

3 预裂爆破参数设计与技术应用

根据亿欣煤矿顶板的岩性参数特征，设计应用预裂爆破切缝参数与恒阻大变形锚索。预裂爆破分为两级，第一级预裂爆破主要用于切落巷道侧方顶板，根据煤层上方K2 灰岩的厚度为8.9 m，设计恒阻大变形锚索的长度为12.3 m，切顶高度为10 m，预裂爆破角度控制在75°。在部分石灰岩顶板厚度较大的区域调整恒阻大变形锚索的高度为15.3 m，相应的切顶高度为12 m，预裂爆破钻孔角度控制在75°，施工效果如图3 的（B-B）剖面所示。对于亿欣煤矿顶板覆岩的坚硬顶板，为加强采场的卸压效果，对采空区，即液压支架的上方实施二级预裂爆破，钻孔的布置深度为3 m，钻孔角度为85°±5°。切顶聚能预裂爆破的参数见表2。

表2 切顶预裂爆破设计参数

图3 聚能预裂爆破施工设计图（mm）

恒阻大变形锚索共施工三列，其中预裂爆破钻孔侧的锚索为第一列，距离帮部0.6 m，排距为1 m；巷道中间位置的锚索距离第一列的锚索1 m，排距为2 m，此为第二列锚索；第三列锚索靠近煤壁侧，距离第二列锚索1.7 m，排距为2 m。施工方式均垂直于顶板，并配套厚层平托盘与钢带联合支护。

4 巷道支护与挡矸支护

无煤柱自成巷切顶开采技术实施过程中，巷道支承压力的时空分布在煤层走向上有显著的差异性。工作面超前段受到较强的超前采动应力作用，在工作面扰动应力的作用下，采空区的顶板垮落与围岩变形较为剧烈，因此，需要采取临时加强支护措施以保证巷道围岩变形量在可控范围之内。当工作面推进到一定距离之后，巷道处于覆岩的卸压区后再将临时支护拆除。根据亿欣煤矿的矿压监测规律，巷道支护可以分为三种。第一种：超前工作面的临时支护区，一般为超前工作面30 m；第二种：工作面后顶板活动区，一般为工作面后方200 m 以内；第三种：工作面后顶板稳定区，一般为工作面后方200 m 以外。

对于超前工作面30 m 范围内的巷道受到超前支承压力的影响，采用单体液压支柱进行支护。液压支柱共设计两排，排距为1 m。在必要时可采用木垛配合支护。

工作面后方200 m 范围内，顶板的变形规律较为复杂，经历弯曲下沉、极限破断、矸石压实等过程，因此，对于巷道的支护要求更高，一般采用，“一梁四柱”的单体支柱配合U 型钢以及挡矸联合支护。

工作面后方200 m 范围内，矸石被完全压实，采空区顶板已经完全垮落并达到稳定状态，因此巷道内无需临时支护设施即可对巷道围岩进行有效管理。

根据亿欣煤矿XV1306 工作面的现场工程试验，成功对15 号煤层坚硬顶板进行了切顶以及护巷处理。为检验巷道的切顶留巷稳定性，对巷道顶底板移进量与顶板离层量进行监测。布置位移计5 个，离层仪2 个，绘制位移随工作面推进距离的演化曲线如图4 所示。顶底板移进量在工作面后方12 m发生剧烈运动，在50 m 之后运动趋于平稳，切顶留巷的顶底板最大移进量为324 mm，平均下沉量为245 mm。根据离层曲线，在工作面推进80 m 后达到稳定阶段。

图4 巷道顶底板移进量监测曲线

5 结语

1）切顶开挖采场的覆岩应力由于切顶阻断了应力的连续传递性，在应力场分布上表现出非对称的特征，减轻了巷道围岩所承受的支承压力，切顶开挖采场的覆岩移动主要影响区域为采空区正上方的岩层。地表下沉区的两侧出现塑性损伤区，沉陷量较低。

2）根据亿欣煤矿顶板的岩性参数特征，设计应用2 种预裂爆破切缝参数与恒阻大变形锚索，同时对采空区后方实施二级预裂爆破。根据工作面推进位置设计3 种支护形式，包括单体液压支柱支护、木垛支护、挡矸支护。

3）对切顶后的巷道顶底板移进量与顶板离层量进行监测，顶底板最大移进量为324 mm，平均下沉量为245 mm。巷帮无明显碎胀与片帮，验证了无煤柱自成巷技术取得了较好的工程实践效果。