屯兰煤矿厚煤层沿空留巷充填体上方顶板稳定性控制研究

曹俊文

（1.山西焦煤集团有限责任公司屯兰煤矿，山西太原 030052；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州 221116）

沿空留巷技术是无煤柱开采的重要发展方向，因具有提高煤炭回收率、降低巷道掘进率、实现Y型通风，便于解决隅角瓦斯等优点广受应用，也是煤炭资源绿色、安全、高效的最有前景的开采技术之一[1-3]，但沿空留巷需要经历2 次采动影响，原岩应力和采动应力的叠加使得顶板破碎加剧，强度明显降低，易出现离层、垮落。破碎顶板降低了充填体上方顶板向下传递上覆岩层的载荷与变形、向上传递充填体支护阻力的能力[4-5]，充填体不能及时提供足够的切顶阻力切断顶板，导致顶板回转下沉严重[6-7]，维护困难。研究表明，高水材料因其增阻快、强度高、塑性强等优点基本解决了沿空留巷巷旁支护的问题。巷内支护技术由被动棚式支护发展到高强度锚杆支护，解决了很多煤巷支护的技术难题[8-14]。高强、高预应力锚杆（索）也广泛应用于沿空留巷围岩控制。韩昌良[15]通过叠加岩梁理论分析得到了锚杆支护锚固区内外顶板离层计算式；唐建新[16]通过顶板离层与顶板变形形态的关系计算了顶板离层临界值，总结出留巷顶板离层机理；李迎富[17]研究得到了关键块滑落失稳及挤压变形失稳的判别依据；郭育光[18]给出了沿空留巷初期控制直接顶与基本顶离层所需的最低支护阻力、切顶阻力及其充填体增阻速度计算公式；张自政[19-20]采用位移变分法研究了多因素作用下沿空留巷上方直接顶的位移变形规律及其离层公式。但上述研究均未对厚煤层沿空留巷充填体上方顶板稳定控制进行系统研究。

顶板问题严重制约了屯兰矿沿空留巷的安全、高效生产。为此，以屯兰煤矿22301 大采高工作面沿空留巷为背景，运用理论分析、现场实践的方法系统地分析了厚煤层沿空留巷充填体上方顶板受力与离层特征，提出了充填体上方顶板分区动态加固控制技术，维护了留巷顶板的稳定，为厚煤层沿空留巷顶板离层控制提供参考。

1 工程概况

试验巷道为西山煤电屯兰煤矿22301 大采高工作面，工作面埋深为357～458 m，采2#煤层，煤层赋存稳定，平均厚度4.75 m，倾角为4°，其采掘工程平面图如图1。

图1 22301 工作面采掘工程平面图Fig.1 Mining plan of 22301 working face

试验巷道为22301 工作面运输巷，断面为矩形，施工净宽为4.5 m，净高为3.5 m，沿2#煤顶板掘进，直接顶为0.8 m 厚的砂质泥岩，基本顶为2.9 m 厚的细粒砂岩，具有缓波状层理，极易离层。巷道采用锚杆锚索和金属网联合支护。

2 厚煤层沿空留巷充填体上方顶板受力与变形特征

2.1 厚煤层沿空留巷充填体上方顶板受力特征

根据厚煤层巷旁充填沿空留巷特点，充填体上方顶板往往包括顶煤、直接顶甚至是基本顶。可以将充填体上方顶板受力阶段分为以下4 个阶段：①巷道超前动压影响阶段；②液压支架支撑阶段；③单体液压支柱支撑阶段；④巷旁充填体支撑阶段。充填体上方顶板分阶段受力如图2。

图2 充填体上方顶板分阶段受力Fig.2 Staged stress on the roof above the filling body

1）巷道超前动压影响阶段。工作面开采引起上覆岩层大范围的移动和岩层应力重新分布，在工作面前方一定距离（2～10 m 范围）巷道上方顶板支承应力（垂直应力）逐渐升高到峰值，而峰值点到煤壁内，充填体上方顶板处于卸压状态，垂直应力逐渐降低直至煤壁处的峰后状态；而充填体上方顶板水平应力由三向等压的静水压力逐渐降低至煤壁处为0，在垂直应力增加、水平应力降低的应力环境下，围岩黏聚力和内摩擦角均出现降低，强度弱化明显，引起充填体上方顶板易出现压剪破坏。由于开采侧煤体的采出与另一侧煤体的支撑作用，充填体上方顶板开始出现下沉并向采空区侧倾斜的不对称变形。

2）液压支架支撑阶段。煤体采出后，充填体上方浅部顶板受工作面液压支架移动期间的反复加卸载作用，此时浅部顶板仅处于峰后状态，支架反复的加载（支撑）和卸载（降架）会破坏浅部顶板的完整性，极易发生小范围的漏冒，甚至大面积垮落。此时，由于基本顶与直接顶、直接顶与顶煤之间岩层黏聚力小，充填体上方顶板岩层之间出现离层的概率加大，发生抽冒的风险加大，充填体上方顶板需加固并防止顶板发生漏冒。

3）单体液压支架支撑阶段。液压支架后方巷旁充填体未构筑前，充填体上方顶板自稳能力进一步减弱，充填体上方直接顶经前2 个阶段的影响后，强度进一步弱化，此时通常采用单体液压支柱临时支撑顶板，补偿垂直应力的缺失，但此时充填体上方顶板受到采空区大范围的岩层垮落影响，水平应力几乎为0，不对称变形加剧，充填体上方顶板岩层离层再次加大。

4）巷旁充填体支撑阶段。由于充填体的支护形式属于被动支护，当充填构筑后，增阻需要一定的时间，在此时间内，充填体上方顶板仍会发生强烈的旋转下沉变形，但此时充填体上方顶板有充填体支撑，不会发生冒落。在充填体增阻至较高的强度的过程，充填体承受的载荷不断增加，同时向上对覆岩传递作用力，充填体上方顶板在覆岩载荷、充填体支撑及采空区垮落等的多重作用下，处于单峰后状态充填体上方顶板易产生垂直方向的裂隙。随着采空区顶板岩层的切落和逐渐稳定，充填体上方顶板垂直应力和水平应力均增大，围岩受力状态改善，充填体上方顶板容易保持稳定。

2.2 厚煤层沿空留巷充填体上方顶板离层特征

根据厚煤层沿空留巷充填体上方顶板受力的阶段特征，充填体上方顶板易发生离层，尤其是顶煤和直接顶、直接顶和基本顶之间。建立的充填体上方顶板离层力学模型如图3，模型假设上方顶板为固支悬臂梁，层间离层为相邻岩层挠度之差，且离层在充填体采空区侧边缘达到最大。

图3 充填体上方顶板离层力学模型Fig.3 Mechanical model of roof separation above filling body

根据叠加法，上覆岩层载荷q0和基本顶岩层自重ρmghm作用、非采煤帮支撑载荷σyf作用、巷内支护载荷p1作用、充填区域外侧临时支护载荷q+p2作用、待充填区外侧临时支护载荷p0作用，充填体中部直接顶挠度wq0+ρmghm、wσyf、wp1、wq+p2、wp0分别为：

式中：Ei为直接顶弹性模量；Ii为直接顶岩梁的惯性矩，Ii=hi3/12；hi为直接顶厚度，m；ρm为基本顶的密度，kg/m3；hm为基本顶厚度，m；px为煤帮支护强度，MPa；λ 为侧压力系数；d0为充填区域外侧临时支护宽度，m；a 为留巷宽度，m；b 为充填体宽度，m；L1为煤帮塑性区宽度，m。

因此，充填体上方直接顶在充填体中部的挠度wi为：

同理，将式（1）中的EiIi替换成EmIm，且忽略基本顶的自重（令式（1）中的ρmg hm=0），即可得到充填体上方基本顶在充填体中部的挠度wm；将式（1）中的EiIi替换成EcIc，且考虑直接顶的自重（将式（1）中的ρmghm替换成ρmghm+ρighi），即可得到充填体上方顶煤在充填体中部的挠度wc。其中，Em为基本顶的弹性模量；Im为基本顶岩梁横截面的惯性矩，Im=hm3/12；ρi为直接顶密度；hi为直接顶厚度；Ec为顶煤的弹性模量；Ic为顶煤岩梁横截面的惯性矩，Ic=hc3/12；hc为顶煤厚度。

因此，在充填体中部的直接顶与基本顶的离层△im、直接顶和顶煤的离层分△ci为：

当充填区域提前采用锚索支护将顶煤、直接顶与基本顶锚固在一起时，基本顶岩梁的等价弹性模量为（Eihi+Emhm+Echc）/（hi+hm+hc），等价惯性矩Im为（hi+hm+hc）3/12。

由上述计算过程可知，充填体上方的直接顶和基本顶离层的大小不仅与充填区域内和充填区域外的支护强度、非采煤帮支护强度、巷内顶板支护强度等支护因素有关，而且与留巷宽度、充填体宽度、充填体外侧临时支护宽度有关。

3 厚煤层沿空留巷充填体上方顶板稳定控制对策

通过前面的分析，在充填体上方顶板受力变形的4 个阶段，充填体上方顶板主要发生离层变形及旋转下沉变形。因此，围岩控制对策不仅要控制该区域顶板的离层，而且要控制顶板的旋转下沉变形。为此，提出了厚煤层沿空留巷充填体上方直顶板的分区动态加固控制技术，主要内容如下。

1）在巷道超前采动影响区以外，非采煤帮基本支护采用锚网索支护提高对留巷顶板的支撑，基本顶破断线有可能向煤体内转移，减缓充填体上方顶板下沉和不对称变形。

2）在液压支架支撑阶段，在液压支架前方采用高预应力锚网索支护将充填区域上方直接顶和基本顶锚固成整体，提高直接顶和基本顶的层间结合力和同步位移；充填区域范围内的液压支架带压移架，抑制直接顶和基本顶的离层。

3）在单体液压支柱支护阶段，充填区域采用高阻力单体液压支护弥补因采煤缺失的支护，抑制顶煤、直接顶和基本顶的离层及下沉变形；在充填区域外侧临时支护区域，采用挡矸支架提高对顶板的支护强度；确定合理的一次充填区长度，尽快恢复充填体上方顶板岩体的三向受力状态。

4）在巷旁充填体支撑阶段，采用增阻速度快的充填材料充填能有效阻止直接顶的离层与下沉；在充填体外侧沿巷道走向打设1 排密集卸压孔，有可能将基本顶破断线置于充填体外侧。

4 工程应用

4.1 充填体上方顶板控制技术

为了控制充填体上方顶板离层和选择下沉变形，根据矿上生产地质条件和围岩控制效果比较，确定的支护技术与参数如图4。

图4 充填体上方顶板支护示意图Fig.4 Roof support diagram above the filling body

1）非采煤帮补强。提前工作面40 m 以上，每排锚杆在帮角处距底板250 mm 左右处补打1 根向下倾角20°规格为φ20 mm×2 400 mm 锚杆，再在非采煤帮每2 排锚杆补打2 根规格为φ21.6 mm×5 000 mm 锚索，配合φ16mm 的横向钢筋梯子梁。

2）巷内顶板补强支护。每2 排锚杆补强3 根φ21.6 mm×6 300 mm 锚索，锚索间排距为1 500 mm×1 800 mm，距两帮分别为750 mm，锚索托盘规格为250 mm× 250 mm × 20 mm，并配合φ16 mm 的走向钢筋梯子梁，梯子梁规格为4 000 mm× 50 mm。

3）充填体上方顶板支护。在充填区域液压支架架前铺设8 m 宽的柔性塑料网护顶，并在液压支架前方每割1 刀煤打设5 根锚杆（索）护顶，具体参数为：锚杆采用φ20 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆，排距860 mm。每2 排锚杆位置第1 根和第3 根锚杆换成锚索，规格为φ21.6 mm×6 300 mm，采用规格为φ16 mm 钢筋梯子梁护顶，梯子梁规格为3 700 mm×50 mm。

4）充填体参数。采用高水材料作为巷旁充填材料，高水材料水灰比确定为1.5∶1，充填体宽度为2.2 m，高度为端头采高3.5 m，紧跟液压支架后方即时充填，根据工作面日推进长度，一次充填长度确定为2.6 m 或3.4 m（0.865 m 的截割深度）。

4.2 控制效果

矿压监测结果表明：工作面后方0～20 m 范围内，顶板几乎无下沉，围岩变形较小；工作面后方20～120 m 范围内，围岩变形强烈；120 m 以外围岩变形趋于稳定，顶底板最大移近量为800 mm 左右，其中最大顶板下沉量为140 mm，底鼓量660 mm；两帮移近量最大为350 mm。根据留巷顶板离层监测，在工作面后方150 m 后，0～6 m 累计离层量为16 mm、0～2.5 m 累计离层量为14 mm。整体上，围岩变形主要以底鼓为主，大采高沿空留巷取得了较好的围岩控制效果。

5 结 语

1）沿空留巷充填体上方顶板起着向下传递上覆岩层的载荷与变形、向上传递充填体的支护阻力，保持充填体上方顶板稳定是沿空留巷成功的关键因素之一。

2）根据充填体上方顶板受力过程将其分为4 个阶段：①巷道超前动压影响阶段；②液压支架支撑阶段；③单体液压支柱支撑阶段；④巷旁充填体支撑阶段。分析了每个阶段充填体上方顶板受力特征与离层特征。

3）提出了保证充填体上方顶板稳定的分区域动态加固控制对策，并成功应用到屯兰煤矿22301 大采高工作面沿空留巷中，取得了较好的围岩控制效果。