巷旁充填留巷顶板结构分析与围岩控制技术

贾 靖，卢志敏，任 伟，杨洪增

(1.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北 邢台 054000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北充填采矿技术有限公司，河北 邢台 054000；4.河北省充填采煤技术创新中心，河北 邢台 054000)

沿空留巷是无煤柱开采中一种典型的巷道布置形式，完全取消了回采工作面区段之间的煤柱，可最大限度的回收煤炭资源，同时大幅度减少了巷道掘进工程量，技术经济效益显著[1]。很多学者对沿空留巷覆岩结构开展了卓有成效的研究[2-5]，宋振骐院士[6]根据传递岩梁理论提出了工作面周围内外应力场，以此确定了留巷位置；何满潮院士[7]提出了切顶自成巷无煤柱开采理论，形成了无煤柱自成巷N00工法及配套技术与装备；张农、韩昌良等[8，9]提出了沿空留巷覆岩楔形结构模型，揭示了该结构承载机制；李迎富等[10]构建了沿空留巷关键块结构模型，研究了留巷最佳位置，探讨了巷旁支护阻力计算方法。冯超等[11]研究了切顶条件下留巷充填体的承载特征，得到了充填体宽度的确定方法。孙垒等[12]制备了混凝土-高水材料试样，分析了不同比例下的强度。

不同的巷道顶板条件形成的顶板结构各不相同。在当前研究的基础上，通过现场调研分析，构建了沿空留巷覆岩悬板结构，分析悬板结构的稳定性，并提出了相应的支护技术，现场应用取得了较好的效果。

1 沿空留巷悬板结构模型与分析

1.1 沿空留巷顶板悬板结构

工作面开采后，采空区覆岩顶板破断形态为O-X板式破断，大量的无煤柱开采研究表明，无论是沿空留巷或是沿空掘巷均布置在弧形三角块或弧板的下方[13-16]，如图1所示。该块体是否稳定决定了其下部巷道的稳定，现场实践表明一般在下区段开采时该三角块的活动剧烈，造成巷道围岩变形大。

图1 弧形三角板与留巷关系Fig.1 Relationship between arc triangle plate and retaining roadway

实践表明，在一定条件下，沿空留巷上方顶板形成“悬臂梁”结构，采空区基本顶岩层的垮断线为网格状形态，在“悬臂梁”结构存在的条件下，在周期性垮断线之间保留巷道上方的顶板则会形成一块小的“悬板”N，如图2所示。工作面回采结束后，保留巷道的顶板由若干个小的“悬板”组成。在斜拉锚索和巷旁支护对顶板(悬板)有效控制下，并在巷旁支护的采空侧实施顶板超前爆破预裂切顶[13]，将基本顶的周期性垮断线在预裂切顶线处阻断，使顶板周期性垮断线不能贯通至巷道上方或实体煤帮上方顶板中，由此，在保留巷道上方顶板沿回采方向形成一个大的“悬板”，悬板在下部煤帮和巷旁支护的支撑下，以及顶板斜拉锚索的悬吊作用，使得大“悬板”产生“吊桥效应”，这样的留巷支护结构可使巷旁支护的承压减小，巷内和巷旁支护变得更为容易，如图3所示。

图2 沿空留巷小“悬板”理论支护机理模型Fig.2 Theoretical support mechanism model of small “hanging plate” in gob-side entry retaining

图3 沿空留巷大“悬板”理论支护机理模型Fig.3 Theoretical support mechanism model of big “hanging plate” in gob-side entry retaining

1.2 悬板结构分析

平行于工作面方向，沿空留巷一侧为采空区一侧为实体煤，根据留巷顶板形成悬板结构特点，可将沿空留巷顶板“悬板”简化为一对边固支简支、另一对边自由的板边界条件和一对边简支、另一对边自由的板边界条件[17，18]，如图4所示。

图4 沿空留巷顶板悬板力学模型Fig.4 Mechanical model of roof hanging plate in gob-side entry retaining

基本假设：顶板岩层为水平、且各向同性；岩层为薄层状分布；岩体具有弹性材料特征。

以图4(a)为例，板边界条件为：

简支边：

固支边：

自由边：对于y=0自由边，

对于y=b自由边，

薄板的弹性曲面控制方程为：

4w=q/D

(7)

式中，w为薄板挠度；My0、Myb为薄板弯矩；Vy0、Vyb为薄板剪力；D为抗弯刚度，MPa；q为覆岩载荷，MPa。

1)一对边简支另一对边自由板挠度方程。根据矩形薄板莱维解原理[17]，设薄板挠度w的表达式为：

将式(8)代入式(7)中得，

将式(9)右边q/D按傅里叶级数展开为，

将式(10)代入式(9)解该微分方程得，

式中，fm(y)为任意特解；Am、Bm、Cm、Dm分别为任意常数，与自由边的边界条件有关。将式(11)代入式(8)中得挠度的表达式。

将该类条件下的自由边边界条件代入式(12)中，可求得式中的Am、Bm、Cm、Dm，由此得挠度方程：

2)一对边固支简支、另一对边自由板挠度方程。设薄板挠度w的表达式为：

将式(14)代入式(7)中得，

将式(10)代入式(15)解该微分方程得，

式中，fm(y)是任意特解，Am、Bm、Cm、Dm是任意常数，与自由边的边界条件有关。将式(16)代入式(14)中得挠度的表达式。

将该类条件下的自由边边界条件代入式(17)中，可求得式中的Am、Bm、Cm、Dm，由此得挠度方程：

3)薄板失稳判据及其应力分析。将上述求出的薄板挠度函数w(x，y)，代入到弹性薄板内应力表达式(19)中，后将应力表达式代入到薄板内任意一点最大、最小主应力表达式中，得到两类条件下薄板最大、最小应力分布。

得到，一对边简支一对边自由条件薄板最大最小主应力表达式为：

一对边固支简支一对边自由条件薄板最大最小主应力表达式为：

岩石张拉破坏强度最小，由最大拉应力理论，将式(21)、(22)中最大主应力与岩石抗拉强度比较，即应力比例系数f(x，y)，进一步判断板是否发生破坏[19]。

式中，σ1为悬板内最大主应力，MPa；σt为岩板抗拉强度，MPa。

2 沿空留巷悬板结构控制技术

2.1 巷旁支护特点

基于对留巷悬板结构的分析，巷旁支护具有以下特点：

1)不需要巷旁充填体提供切顶阻力。因在留巷期间，已经在工作面超前区域实施了切顶，巷道顶板更易于形成了悬板结构，巷道上方顶板基本与采空区顶板失去了接触，不再传递水平力，故留巷中的充填体可以不考虑切顶阻力。实体煤帮与巷旁支护体共同承担的顶板载荷用下式表示：

FN=k1GZ+k2GJ

(24)

式中，FN为实体煤帮、巷旁支护体承担的顶板载荷，kN；k1为直接顶承载系数；GZ为直接顶载荷；k2为基本顶载荷传递系数；GJ为基本顶载荷，kN。

2)巷旁支护体需具有可缩性。工作面开采顶板破断下沉是不可避免的，留巷侧顶板会相应的发生回转下沉；同时，巷道底板岩层在水平应力作用下，也会形成底鼓，向上压缩巷旁支护体。因此，巷旁支护体必须具有一定的可缩性，否则巷旁支护体极易发生折损破坏。巷旁支护体的可缩量可用下式表示：

U=U1+U2+U3

(25)

式中：U为巷旁支护体需承担的变形量；U1为直接顶的给定变形；U2为基本顶给定变形；U3为底板底鼓量。

2.2 顶板斜拉锚索支护

现场工程实践表明，沿空留巷顶板采用斜拉锚索加强支护对留巷围岩的控制效果十分理想。图5为沿空留巷斜拉锚索与悬板之间相互作用形成的类似吊桥效应的结构[20，21]。可以看出，斜拉锚索在整个支护体系中是上覆稳定岩层与下部被控制岩板的联系纽带，上部稳定岩板对下部需控岩板的拉拽作用通过斜拉锚索完成。斜拉锚索是控制顶板形成完整板结构的关键。

图5 悬板-斜拉锚索组合作用Fig.5 Combination effect of hanging plate-cable

2.2.1 拉锚索作用机理

1)顶板斜拉锚索对基本顶断裂位置控制范围较大。顶板斜拉锚索可以有效降低基本顶发生断裂的概率，即使岩体中已存在裂隙，斜拉锚索与岩层断裂面的正向交角增大，也可以增大锚索预紧力对岩层断裂面正向压力，从而有利于控制岩石的旋转下沉，有效抑制裂隙扩展，保持基本顶的整体性，有利于顶板形成悬板结构。

2)顶板斜拉锚索产生水平分力。斜拉锚索通过预紧力，不仅对基本顶起到悬吊作用，而且可以在煤体侧产生水平分力。这一水平分力对顶板产生向煤体的压紧作用，能够有效抑制锚索控制区域外断裂裂隙的发生以及断裂岩块旋转下沉，从而保证巷道顶板能够形成“悬臂梁”结构。如图6所示。

图6 顶板斜拉锚索作用机理模型Fig.6 Mechanism model of roof cable-stayed anchor cable

斜拉锚索提供的主动控制围岩力，可分解为水平和垂直两部分，见下式：

式中，σ为锚索受力，kN；σx为水平分力，kN；σy为垂直分力，kN；α为锚索与水平面垂直方向的夹角，(°)。

根据式(26)可知，如果岩层离层量大，则可通过减小锚索与水平面夹角，提高锚索垂直分力，这样可以防止顶板离层；如果岩层垂直裂隙较多，则可通过增加锚索与水平面夹角，提高锚索水平分力，可以起到对岩层的压紧作用。通过调整角度灵活保证顶板形成悬板结构。

2.2.2 斜拉锚索有效性保障措施

为保证斜拉锚索在留巷加固支护体系中的有效性，必须确保斜拉锚索具有以下三个方面的有效作用：

1)保证斜拉锚索锚固高度。在普通巷道支护体系中一般要求锚固到稳定的厚层岩层中，主要“悬吊”直接顶的重量和水平应力造成顶板下沉变形的压力。实施沿空留巷后，采空区顶板已经冒落，顶板在采空侧失去了对水平应力的约束，基本不受采空区顶板回转压力，锚索承担的“悬吊”作用只剩下顶板岩石重量。普通巷道支护锚索锚固的稳定岩层大多为煤层开采后的基本顶，留巷时锚索的锚固层如果仍选择在这一层位，锚索就会随着垮断的基本顶一同下沉而起不到“悬吊”作用，基本顶也就形不成“悬板”。因此，留巷时锚索应锚固到基本顶之上更稳定的岩层(弯曲下沉带)中，这样，锚索“悬吊”岩石的重量不只是直接顶岩石的重量，基本顶岩石的重量也加载其中。基本顶加载于锚索的重量，取决于基本顶“悬臂梁”结构存在的状态，即基本顶“悬臂梁”是处于整体弹性弯曲下沉状态，还是处于垮断下沉状态。如果是处于垮断下沉状态，其岩石重量会全部加载于锚索上，如果是处于整体弹性弯曲下沉状态，则仅部分岩石重量加载于锚索上。现阶段矿用高强锚索材料和钻孔机具施工这类锚索已经没有技术障碍。锚索锚固稳定层的高度与工作面开采高度有关，可用下式估算。

Lm≥hm

(28)

式中，hm为垮落带高度，m；M为工作面开采高度，m；Kp为岩石碎胀系数；Lm为锚索长度，m。

其中采空区垮落岩石碎胀系数根据岩石性质不同，一般Kp在1.5～1.3之间，因此，采空区垮落带高度hm与采高M之间的关系为hm=(2-3.3)M。工程实践表明，因基本顶厚度不同，一般认为开采后较稳定的岩层为平均采高的3～5倍。

2)合理设计斜拉锚索参数。在普通巷道支护设计时，锚索的设计一般是根据巷道宽度和顶板岩性的不同，将锚索布置成单排或多排锚索，锚索一般垂直顶板岩层。如果斜拉锚索按常规方法布置设计则不能起到有效控制顶板的作用。因此，斜拉锚索布置的位置、角度和数量是否合理直接影响到控制顶板的整体效果。

斜拉锚索位置。斜拉锚索加固位置的选择，需要考虑悬板应力比例系数和现场施工的可操作性综合确定。首先根据理论分析，获得留巷悬板内应力比例系数分布，大于1的区域即为布置斜拉锚索的初步位置；后根据现场空间和施工的可操作性，进一步优化斜拉锚索位置。现场工程实践表明，一般靠近巷道实体煤帮的一排锚索，锚固端要尽可能进入巷道煤帮以里1.0 m以上；另外，靠近采空侧的一排锚索，钻孔开孔位置距切顶线不宜超过0.5 m。

斜拉锚索角度。在现场施工条件允许的情况下，一般斜拉锚索与顶板岩层层面的夹角，应控制8°～15°范围内。夹角过小，锚索横向有效控制顶板破断范围小；夹角过大，虽有利于有效控制顶板破断范围，斜拉锚索容易受顶板岩层剪切应力作用，造成锚索剪切破坏。另外，在控制顶板岩层高度方面，夹角过大，斜拉锚索进入基本顶以上稳定岩层中会相应增加锚索长度，采高越大对现场施工越不利。

3 现场应用

3.1 工程概况

冀中股份梧桐庄矿主采煤层为2号煤，平均厚度4.0 m，煤层顶底板岩性如图7所示。

图7 2煤层顶底板岩性Fig.7 Roof and floor lithology of No.2 coal seam

为提高煤炭资源的回收率，拟将182605下工作面运输巷沿空留巷保留下来，作为182605上工作面回风巷使用，留巷总长度为639 m。

182605下工作面运输巷断面为矩形，净断面尺寸为4600 mm×3300 mm(宽×高)，沿煤层顶板掘进，采用长短锚索组合配合锚杆支护。

3.2 悬板结构破坏特征

根据182605下工作面运输巷的地质条件，顶板粉砂岩抗拉强度为5.2 MPa、弹性模量10.5 GPa、泊松比0.18，中粒砂岩抗拉强度为6.7 MPa、弹性模量11.8 GPa、泊松比0.21，顶板载荷q为1.5 MPa，留巷后巷道净宽度为2.9 m，留巷充填体宽度为1.5 m。按两种边界条件分别计算，得到顶板不同区域的应力比例系数。对于一对边固支简支条件下沿空留巷悬板中应力比例系数大于1有三个区域，分别是靠近实体煤侧0.8～1.1 m范围内，悬板内最大主应力为7.5 MPa；巷道中部位置，悬板内最大主应力为9.3 MPa；靠近采空区侧0.4～0.7 m范围内，悬板内最大主应力为6.5 MPa；而一对边简支条件下沿空留巷悬板中比例系数大于1有两个区域，分别是靠近实体煤侧0.7～0.9 m范围内，悬板内最大主应力为6.9 MPa，靠近采空区侧0.5～0. 7 m范围内，悬板内最大主应力为6.8 MPa。应力比例系数大于1区域需要重点加强支护。

3.3 支护方案

3.3.1 锚索支护参数的计算

根据图7，2号煤的顶板岩性以砂岩为主，碎胀系数取1.4，代入式(27)可得，垮落带高度hm为10 m。根据式(28)，锚索的长度Lm不应小于垮落带高度，考虑到锚索外露及预留一定富余系数，锚索长度确定为11 m。

为保证斜拉锚索的悬吊效果，其锚固端头位于巷帮上方的岩体中的深度不应低于500 mm，以中间加固锚索计算，其倾斜角度为12.7°，结合工程经验及现场施工的方便，确定倾斜角度为15°。

3.3.2 切顶充填留巷方案

根据计算结果，在原巷道中补打锚索进行加固，切顶留巷充填总体方案如图8所示。

图8 切顶充填留巷方案(mm)Fig.8 Scheme of roof cutting and filling in gob-side entry retaining

1)锚索加固。巷道顶板采用∅21.8 mm×11000 mm的锚索进行补强支护，每排布置3根，排距为1300 mm，间距为1000 mm，靠近实体煤帮两根锚索向煤帮方向倾斜15°，另外一根垂直顶板布置。实体煤帮补打∅21.8 mm×7000 mm的锚索，每排一根，排距为4000 mm。

2)爆破切顶。炮眼深度为13000 mm，离帮100 mm，与铅垂线夹角为15°，间距为600 mm。采用特制双向聚能管，特制聚能管外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长1500 mm。聚能爆破采用三级煤矿乳化炸药，炸药规格为直径∅32 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。聚能管安装于爆破孔内，每孔6根聚能管，采用“3+2+2+2+2+2”的装药方式。

3)巷旁充填。采用超高水材料进行巷旁充填，水灰比为1.5∶1，充填体的宽度为1500 mm，高度为4000 mm，长度按工作面日推进度确定。

3.4 应用效果

182605下工作面回采过程中设置测站进行矿压观测，结果表明，留巷充填体的纵向变形约为65 mm，横向鼓出量为36 mm。在充填体底部安设应力传感器表明，在工作面后方20 m左右充填体受力最大，最大值为4.8 MPa，40 m左右稳定在2.7 MPa。巷道顶板下沉量小，最大下沉量为28 mm，实体煤帮变形量在56～85 mm之间，底臌量相对较大，达86～123 mm，后期扩帮时挖底即可满足使用要求。

4 结 论

1)锚网索支护沿空留巷顶板能形成悬板结构，该结构可能具有一对边简支一对边自由和一对边固支简支一对边自由两种边界条件。

2)以弹性力学薄板理论为基础，构建了沿空留巷悬板力学模型，推演了两种条件下悬板主应力表达式，以应力比例系数为依据，获得了快速判别悬板破坏依据。

3)基于沿空留巷悬板结构，提出了巷道掘进期间锚网索支护、留巷期间巷内顶板斜拉锚索加固支护、巷旁超高水材料薄墙复合支护的综合沿空留巷支护技术，现场工程实践表明，该技术能保证留巷复用期间正常使用。