厚表土厚坚硬顶板无煤柱切顶留巷关键技术研究

周均民，申世豹，刘进晓，张 峰

(1.山东能源临沂矿业集团 菏泽煤电有限公司，山东 菏泽 271004；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

沿空留巷是在上区段工作面采过后，通过有效手段将上区段工作面运输平巷保留下来，供下区段工作面回采时使用。目前，我国学者在关于沿空留巷理论与技术方面做了大量的研究[1-7]，目前沿空留巷主要有两种方式，一种是巷旁充填沿空留巷，根据充填材料的不同沿空留巷又有多种形式，柏建彪等[8]提出采用膏体材料作为巷旁对顶板的支护体，建立了膏体材料巷旁充填沿空留巷的力学模型。雷鸣[9]等采用混凝土材料做为巷旁的支护体，取得了很好的留巷效果。汤建泉等[10]采用数值模拟计算和现场实测的方法，对沿空切顶成巷段巷道围岩支承压力分布及围岩变形规律进行分析。常利军、李西凡等[11，12]采用高水充填材料作为巷旁支护体，有效控制了巷道围岩变形。高明涛[13]等建立了由采场沿空巷道实体煤帮、巷旁充填体和采空区矸石共同承载无煤柱沿空巷道围岩结构力学模型。郝晓飞[14]等采用数值模拟的方法对中厚煤层沿空留巷巷旁充填体围岩变形情况进行分析，并通过充填体的承载力进行验算来确定柔模混凝土充填体的合理宽度。二是何满潮院士团队[15-19]提出的切顶卸压无煤柱沿空留巷，该团队在切顶留巷覆岩运动规律、大变形锚杆锚索让压支护、定向拉张爆破切顶卸压、切顶留巷关键技术参数等方面做出了重要的贡献，在此基础上，很多学者针对切顶卸压留巷进行了很多有意义的工作，华心祝等[20]对动静耦合作用下无煤柱切顶留巷顶板成缝与稳定机理进行了研究，陈立军[21]对一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术进行了研究。蔡峰[22]对坚硬顶板条件下切顶卸压无煤柱开采技术的切顶高度、切顶角度、爆破钻孔间距等关键参数进行了研究。虽然目前切顶留巷取得了一定的成果，但是对于深厚表土坚硬顶板条件下的沿空留巷尚有待探索和研究。

本文以郭屯煤矿深厚表土坚硬顶板切顶留巷为研究背景，首先采用相似材料试验模拟郭屯煤矿4307工作面顶板覆岩运动情况，通过控制不同长度的工作面，形成了不同结构的悬臂梁，并提出厚顶板切顶厚度、切顶角度和非对称支护等设计，对该条件下切顶留巷顶板结构与关键技术进行研究。

1 工程概况

郭屯煤矿4307位于四采区，工作面南、北两侧均为实体煤，西侧为4306工作面，东侧为实体煤(岩浆岩影响区)，4307工作面主采3下煤，3下煤层平均厚度约2.80m，煤层倾角平均4°，该区域煤层起伏变化较小，4307工作面长186m，推进长度966m。煤层埋深829～865m，3下煤顶板岩层厚度约100m，表土层平均厚度747m。煤层直接顶为厚10.68m的细砂岩，普氏系数f>11，基本顶为厚14.27m的粉砂岩，普氏系数f>5.5，底板的泥岩和细砂岩其普氏系数f均大于8，四采区地应力场水平主应力33.86MPa；垂直应力20.01MPa，水平应力为垂直应力的1.69倍，最大主应力为最小主应力的2.24倍。4307工作面布置与综合柱状如图1所示，对4307轨道运输平巷进行切顶留巷，4307轨道运输平巷断面形状为矩形，净宽4500mm，净高3400mm。

图1 4307工作面布置与综合柱状

2 厚层坚硬顶板侧向覆岩结构分析

2.1 厚层坚硬顶板相似材料模型建立

为了揭示坚硬顶板侧向覆岩结构的演化规律，对3下煤顶板运动过程进行了动态相似模拟。模型左右边界水平位移约束，在模型顶部用油缸进行加载用以模拟应力场。以郭屯煤矿4307工作面顶板赋存特征为对象，建立相似材料模型，模型几何相似比例系数为1∶100，重力相似比为2∶3，时间相似比为1∶10，速度相似比为1∶10，位移相似比为1∶100，强度、弹模、黏聚力相似比为1∶150，内摩擦角相似比为1∶1。模型尺寸为宽×高×厚=1.9m×1.50m×0.22m，模拟煤层顶板岩层100m，表土50m，煤层直接顶107mm，基本顶142mm，煤层厚度25mm，通过高分辨率相机进行拍照。模型从右侧边界向左侧开挖，分析上覆岩层运动。

2.2 厚层坚硬顶板侧向覆岩结构

从相似材料模拟试验过程如图2—图5所示，随着工作面宽度的增加，上覆岩层呈现出不一样的结构，当工作面的宽度为50m时，直接顶垮落，基本顶成嵌固状态，由于直接顶为厚硬岩层，直接顶将在采空区方向形成“倒直角梯形”悬臂梁结构，如图2所示；当工作面宽度为80m时，直接顶在采空区方向形成“L”型悬臂梁结构，如图3所示；当工作面宽度为100m时，直接顶在采空区方向形成“三角形” 悬臂梁结构；当工作面宽度为120m及以上时，基本顶断裂，形成铰接结构，直接顶在采空区方向仍然存在“类三角形”悬臂梁结构。由于厚表土位于3下煤覆岩裂隙带之上的弯曲下沉带内，厚表土作为给定载荷基本对覆岩运动影响较小。可以看出，随着工作面长度的不同，直接顶悬顶存在不同的结构形态，虽然直接顶悬臂梁形态各异，但是在坚硬直接顶和基本顶的条件下，悬臂梁结构一直存在于采空区上方，如果采用沿空留巷的方式，必须对悬臂梁进行处理。

图2 直接顶初次垮落

图3 直接顶第二次垮落

图4 直接顶第三次垮落

图5 基本顶初次垮落

3 厚层坚硬顶板无煤柱切顶留巷关键技术

相似材料模拟表明，回采后坚硬顶板沿空留巷侧向顶板形成不易垮落的悬顶，如果不进行干预，在上覆岩层的作用下，悬顶回转下沉使沿空留巷围岩承受因悬顶而产生的附加应力，厚层坚硬顶板悬顶比一般顶板更大，产生的附加应力增加，巷道变形严重。因此必须在工作面前方进行预裂切顶，缩短顶板侧向悬臂长度，减弱侧向覆岩的应力传递，切顶范围内的岩层垮落后充填采空区，使得沿空留巷围岩变形能显著减小，并形成留巷的外帮(非采帮侧)，切顶留巷围岩结构如图6所示。

图6 切顶留巷围岩结构

对于厚层坚硬顶板无煤柱切顶留巷，要做到：①“充得满”，切顶后，在岩石碎胀作用下，切下来的悬顶充满工作面端头区域，形成非采帮，并限制高位岩层的运动；②“切得下”，通过设置角度合适的切顶缝，将顶板切下来；③“非对称”的主动支护和被动支护，沿空留巷区域的围岩结构是非对称的，要控制围岩变形，其支护也必须是非对称的，找准支护的关键区域；④“挡得住”，切下来的顶板要限制其位置，不能进入所留设的巷道中。

3.1 厚层坚硬顶板切顶厚度设计

对于厚层坚硬顶板，采用顶板定向切缝技术切断巷道侧上方直接顶或部分直接顶，当计算的高度高于直接顶，则需要切落部分基本顶，减少悬臂长度，使得冒落的悬臂在工作面端头区域形成垫层，具有碎胀特性的垫层能对上覆岩层起到有效支撑作用，保持基本顶的稳定。

切顶高度h根据碎胀系数按下式进行计算：

h=(m-Δh1-Δh2)/(K-1)

式中，m为煤层采高，m；Δh1为顶板下沉量，m；Δh2为底鼓量，m；K为顶板碎胀系数，直接顶的碎胀系数取1.35，不考虑顶板下沉量和底鼓量，采高最小2.8m，考虑一定的富裕系数，按照采高3m计算，考虑0.1m误差的情况下，可得h为8.7m，故切顶高度为8.7m。从柱状图来看，切顶厚度位于直接顶10.68m的细砂岩之内。

3.2 厚层坚硬顶板切顶角度设计

切顶角度是切缝线与垂直线之间的夹角，为了使切缝后采空区顶板能顺利垮落，切顶角度α要根据覆岩结构进行设计，当切落顶板厚度小于直接顶的厚度，由于直接顶在采空区形成悬顶，不存在铰接结构，因此直接顶在工作面回采后容易垮落，其切顶角度α一般不大于10°，若切顶高度大于直接顶，要切落具有铰接作用的基本顶，则需要根据砌体梁和围岩结构S-R稳定理论计算切顶角度，所计算的切顶角度α一般要大于直接顶的切顶角度，切顶角度在15°左右。根据4307工作面所计算的切顶厚度的实际情况，切顶角度设计成8°夹角，距巷中1800mm(偏采帮)，距帮部450mm。为减少切顶爆破对顶板采帮侧锚索的破坏，孔间距为500mm。

采用双向聚能爆破预裂技术，将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定向上集中受拉，实现被爆破体按设定方向张拉断裂成型。预裂切缝使用隔孔爆破方式进行爆破，预每孔采用5根双向聚能管(6.7m)，共装14卷炸药进行预裂爆破，布置方式从上往下为“4-3-3-3-1”，炮泥封堵长度为2m，爆破孔位置位于巷道顶板两根锚索之间，与其相距600mm。

3.3 厚煤层坚硬顶板非对称支护设计

根据沿空留巷的围岩结构和工作面前后支承压力显现的不同，沿空留巷的补强支护和工作面前后的临时加强支护体现出非对称的支护特性。切顶留巷非采帮部不能有效支撑巷道顶板，虽然进行了切顶，但悬顶结构依然存在，悬顶结构仍受到上覆岩层载荷的作用，其变形仍然是非采帮侧顶板变形量大，因此，在顶板锚索补强、单元支架临时支护等均要采用非对称支护。考虑到工作面附近支承压力的特征、巷道围岩结构的变化等，运输平巷的临时支护可以分成三个区域，超前支护区，架后临时支护区和成巷稳定区，非对称支护设计如图7所示。

图7 非对称支护设计(mm)

3.3.1 巷道顶板非对称锚索补强支护

锚索长度设计为切顶高度8.7m+2.0m+外露长度150mm，锚索设计长度为10.85m。采用顶板打设三排∅21.8mm×10850mm普通锚索配合木墩支护，距巷中1.8m施工8700mm切顶孔，三排锚索中间排中线偏非采帮300mm，间距1000mm，采用W钢带连接成一条直线；采帮侧中线偏采帮1300mm，间距800mm，采用W钢带连接成一条直线；非采帮侧中线偏非采帮1800mm，间距1600mm。

3.3.2 巷道顶板非对称临时支护

根据以往深井工作面回采现场监测数据对不同支护区进行设计，超前支护区位于工作面前方120m，架后临时支护区在架后0～300m区间，成巷稳定区位于架后300m之后。

超前支护区巷道采用单元支架支护，采用一列ZQ4000/20.6/45型液压单元支架布置距巷中1.9m(偏非采帮)，间距4.0m。临时支护区巷道位于工作面后方影响区，根据4307工作面生产条件实际情况，留巷段采用一列单元支架+一列单体支柱支护，单元支架距巷中0.7m(偏采空侧)、间距4.0m，超前和临时支护区单元支架的初撑力为24MPa。单体液压支柱配合铰接顶梁支护，距巷中1.5m(偏非采帮)一梁两柱，单体液压支柱的初撑力为11MPa。留巷稳定区每隔2m保留一排“一梁两柱”。

3.3.3 巷道非采帮挡矸支护

挡矸采用钢筋网配合U型钢进行联合挡矸支护，U型钢排距500mm。钢筋网采用直径为6mm的钢筋焊接网，钢筋网尺寸为4200mm×2000mm，钢筋网与钢筋网之间重叠100mm，钢筋网与原支护的钢筋网搭接，之间布置废旧风筒布，用于采空区的防风，滞后30m进行喷浆支护。

U型钢长2.6m，采用两副特制卡揽连接，卡揽上下沿距U型钢搭接端头各100mm，搭接长度不小于0.7m。U型钢底部埋入底板以下不少于300mm，上部焊接300mm圆钢插入顶板不少于150mm。

4 无煤柱切顶留巷工程应用

4.1 留巷围岩变形分析

为了验证上述无煤柱切顶留巷关键技术在现场的应用效果，在4307工作面轨道运输平巷设计两个矿压监测断面，第一个位于工作面位置，该工作面距离切眼200m，在该断面设计6个观测点用来观测留巷顶板、两帮和底板的变形量，第二个位于工作面前方120m，在该断面设计2个观测点用来监测锚索工作阻力，断面内各观测点的位置如图8所示。

图8 监测断面设计(mm)

切顶留巷锚索工作阻力变化规律如图9所示，锚索在超前工作面50m时开始变化并迅速增大，工作面推过该断面后，在工作面后方40m之内锚索工作阻力变化明显，说明在该范围内覆岩运动剧烈，在工作面推过约240m后，锚索工作阻力趋于稳定。沿空侧和巷道中心线位置的锚索工作阻力的变化曲线表明，锚索工作阻力沿空侧顶板大于巷道中心位置，说明沿空侧顶板变形大于非沿空侧。切顶留巷顶板变形量如图10所示，滞后工作面30m之内顶板变形相对平缓，在30～100m范围内顶变形速度快，在100～240m范围内变形速度趋于平缓。留巷基本稳定后，顶板最大下沉量为沿空侧282mm。从实体帮侧、巷道中心线和沿空侧顶板下沉量变化规律可以看出，顶板变形量从实体帮侧向沿空侧呈增加趋势，稳定后可以看出沿空侧比实体帮侧下沉量增加约130mm。锚索工作阻力和顶板变形量均表明：坚硬顶板切顶留巷顶板受力和变形均呈现非对称特征，因此采用非对称支护的思路是正确的。

图9 切顶留巷锚索工作阻力

图10 切顶留巷顶板变形量

切顶留巷两帮的变形量如图11所示，工作面后部25～50m段两帮变形速度快，说明该段巷道在静压和动压的双重作用下，巷道两帮挤出严重。工作面后部100m处，两帮的变形趋于稳定，实体帮变形最大值约460mm，矸石帮变形最大值约270mm，底鼓量约380mm。在实体帮比矸石帮变形量大主要原因是顶板的载荷主要由实体帮承载，并转移至底板，造成了实体帮和底板变形量比矸石帮大。

图11 切顶留巷两帮变形量

4.2 留巷效果分析

4307轨道运输平巷留巷稳定后，巷道断面最终尺寸约为3970mm×3200mm，较原断面收缩约22.1%，由于4307轨道运输平巷在设计时已考虑留巷时的断面收缩，原断面设计比实际使用断面要大，通过对底鼓量较大的底板进行卧底、对变形较大的实体帮部进行刷帮等措施，处理后使得断面能满足使用要求。

5 结 论

1)相似材料表明，厚表土坚硬顶板采场侧向覆岩结构随着工作面长度不同呈现出“L”型、“三角形”和“类三角形”等悬臂梁结构，由于厚表土位于3下煤覆岩裂隙带之上的弯曲下沉带内，厚表土作为给定载荷基本对覆岩运动影响较小。厚层坚硬顶板的悬臂梁结构对沿空留巷影响较大，必须对悬臂梁进行切顶处理。

2)对厚层坚硬顶板无煤柱切顶留巷提出了“充得满”“切得下”“非对称”支护和“挡得住”四项关键技术，并根据4307工作面实际情况对这四项关键技术进行了设计，给出了确定设计参数。

3)厚层坚硬顶板无煤柱切顶留巷工程实践表明，滞后工作面30m内顶板变形相对平缓，在30～100m范围内顶变形速度快，在100～240m范围内变形速度趋于平缓。监测表明，实体帮和底鼓量变形较大，顶板和矸石帮变形较小。4307轨道运输平巷留巷稳定后，较原断面收缩约22.1%。由于4307轨道运输平巷在设计时已考虑留巷时的断面收缩，原断面设计比实际使用断面要大，因此留巷收缩后的断面基本能满足回采复用的要求。