厚硬岩层直覆沿空留巷顶板关键块结构及控制

厚硬岩层直覆沿空留巷顶板关键块结构及控制
白志雄
【摘要】基于沿空留巷围岩大、小结构稳定原理,分析了厚硬岩层直覆条件下沿空留巷顶板关键块所形成的结构及其围岩所处应力环境,并讨论了不同关键块长度围岩大结构的形式及对巷旁充填体所产生的影响,认为合理关键块长度是控制围岩稳定性的关键.结合平煤十二矿地质条件数值模拟了不同关键块长度控制下厚硬顶板直覆留巷围岩大结构稳定的不同形式,得出了其关键块体的合理长度,并基于厚硬顶板运动特征提出了控制关键块体长度的倾向小水平转角钻孔群切顶控制技术.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(035)003
【总页数】6页(P345-349,356)
【关键词】厚硬顶板;沿空留巷;关键块;合理长度
【作者】白志雄
【作者单位】蒙泰不连沟煤业有限公司不连沟煤矿,内蒙古准格尔旗 017100;中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083
【正文语种】中文
【中图分类】TD322
沿空留巷技术以其资源回收率高、巷道掘进量小、易于维护等优点在我国得到了广泛的应用。

近年来，国内外学者对不同条件下的沿空留巷进行了深入的研究，取得了一系列研究成果[1-6]，但对于厚层坚硬顶板直覆开采条件下沿空留巷相关技术
研究还不够充分，有待于进一步研究。

厚硬顶板直覆条件下沿空留巷除顶板大面积冒落对留巷墙体的冲击破坏外，顶板破断块度的增加及采空区缺乏破碎矸石形成的缓冲垫层而使关键块回转幅度的加剧均造成沿空留巷围岩小结构应力集中程度增加，给围岩稳定性控制带来很大难度。

本文从理论分析入手，计算了厚硬顶板条件下留巷围岩所处应力环境分析了不同关键长度控制下围岩大结构稳定的不同形式，以及各种形式对充填体应力及变形的影响。

结合具体地质条件数值模拟了平煤十二矿顶板关键块承载结构及关键块B的合理长度，并提出一种促使沿空留巷充分卸压的
顶板控制方法，为厚硬顶板条件下留巷围岩控制提供借鉴。

沿空留巷一侧为实体煤帮，另一侧为充填体，上区段工作面推过后，老顶岩层往往断裂成规则块体，块体间相互挤压咬合形成“砌体梁”结构，并于采空区侧向形成A，B，C等3个关键块体[2-3]，如图1所示。

对于软弱或较软弱直接顶开采条件而言，采空区覆岩直接顶随采随冒，冒落的矸石作为关键块B和关键块C在采空区的缓冲垫层和支撑点，使得关键块体B在较小
的回转角θ就能和关键块A，C形成稳定的“拱结构”，自实体煤帮至采空区工
作面倾向形成如图1所示的5个应力区，沿空留巷围岩则处于拱结构保护下的应
力低值区。

然而，对于厚硬顶板沿空留巷条件而言，由于其为基本顶直覆或顶板直接顶强度较高，加之厚度较大，顶板直接顶的垮落必将出现新的特点，顶板运动与巷道来压将呈现出特殊性。

1.1 厚硬顶板受力分析
根据砌体梁理论，可得
式中：h为坚硬直接顶岩层的厚度，m；m为煤层采高，m。

则厚硬直接顶可以形成稳定的砌体梁结构，其关键块体B的长度可由现场实测或
根据直接顶的极限跨距两种方法确定。

结合现场直接顶垮落步距及相似模拟实验结
果可建立厚层坚硬顶板条件下顶板及围岩的受力模型，如图2所示。

根据现场实测，关键块体B破断长度较大，随工作面的推进，块体B旋转下沉的过程中向巷道围岩(尤其是巷旁墙体)不断施加压力，直至触底稳定，此时关键块体B在采空区侧将无破碎矸石缓冲支撑而直接由底板支撑，墙体直接支撑坚硬老顶，使采空区侧向形成7个应力区，墙体位置出现应力集中区，而将两侧分成内外两个低值应力区，而前后应力集中区的应力集中系数明显高于有较厚软弱直接顶的情况，充填体由于承受较大载荷而产生大变形。

1.2 关键块B合理长度理论分析
对于厚硬顶板条件下沿空留巷而言，覆岩关键块体B可以通过实施爆破预裂等卸压技术来控制长度，其长度应该控制在一个合理的范围[7-10]。

老顶岩块在形成“砌体梁”结构前，关键块体并非一直以相互挤压“咬合”的形式运动，而是有一个分离的过程，考虑关键块体对沿空留巷最不利状态时，悬臂越长则墙体需要承受的应力越高，若保证墙体承受的应力小于其强度，则悬臂长度必须小于一定的数值。

但关键块体B的长度过小，也会给沿空留巷的控制带来不利影响，具体可分为两种形式：关键块体在采空区触底后稳定；关键块体在采空区未触底前即形成新的平衡结构。

(1)关键块体B在采空区触底后稳定。

若过短的关键块体B在采空区触底后稳定，此时关键块体B的回转角θ′则大于原来关键块体的回转角θ，导致充填体最终处于较大“给定变形”状态，给沿空留巷控制造成不利的影响。

(2)关键块体B在采空区未触底前即形成新的平衡结构。

若关键块体B过短，其在采空区未触底前即形成如图3所示平衡结构。

关键块C一端支撑点位于采空区底部，另一端则与关键块体B相互挤压而保持平衡，此时块体C要对块体B向下施加较大的剪力，其与关键块体B覆岩载荷及自重共同作用于留巷围岩，造成留巷
围岩的大变形。

这种情况也对留巷的控制形成不利的影响，因此，合理的关键块体长度对厚硬顶板沿空留巷的控制尤为重要。

2.1 工程背景
平煤十二矿沿空留巷试验巷道为己14-31010工作面下进风巷，巷道埋深平均1 081 m，南邻己14-31010上进风巷，北邻己1531010进风巷，该工作面作为己15煤层的上保护层主采己14煤层，其具体布置情况如图4所示。

己14-31010工作面所采煤层均厚约0.6 m，煤层倾角平均5.5°，根据保护层开
采需要，工作面回采高度为1.8 m，工作面长度150 m，己14-31010下进风巷
走向长度为592 m，工作面采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法控制顶板的
综合机械化采煤工艺。

煤层直接顶为0～10 m细砂岩，硬度为5.7，基本顶为3～18 m厚中粒砂岩，硬度为9。

2.2 数值模型的建立
为得到平煤十二矿厚硬顶板条件下关键块体合理长度参数，采用离散单元法理论的计算软件UDEC对其展开数值分析。

建立的模型尺寸：宽×高=150 m×60 m，模型两边和底边分别采用水平位移约束和位移约束，模型上部岩层用大小为24.59 MPa垂直载荷替代，侧压系数按实际测定取0.7。

选用Mohr-Coulomb本构模型，具体所建模型如图5所示。

沿空留巷设计断面尺寸为4.6 m×3.6 m。

巷旁充填墙体宽度2.4 m。

直接顶为厚9.6 m坚硬细砂岩，模拟不同关键块体长度对围岩变形及位移的影响(通过预置切
口控制关键块在充填体外悬臂长度实现)。

共设计6种方案：悬臂长度由2.5 m～15 m，以2.5 m递增。

2.3 模拟结果分析
回采结束后，选取三种不同悬臂长度下沿空留巷围岩运动状态并对不同悬臂下沿空巷道顶底板及两帮围岩变形进行监测，其中图6为留巷围岩运动状态及其位移分
布，图7为不同悬臂长度下留巷围岩变形。

由图6～7可知，关键块体B悬臂2.5 m时，顶板在墙体外缘附近直接切断，由于切口空间影响，关键块C不能充分滑落，最终与关键块体B相互咬合并将部分压力施加于键块体B上，造成留巷充填体承受较高的应力，变形监测显示其围岩变形较大。

关键块体B悬臂7.5 m时关键块C下沉较为充分，关键块体C成为内侧块体的支撑点并承担其部分压力，此时两关键块形成的“拱结构”对沿空留巷维护来说为“最优拱结构”，顶板对留巷的给定变形最小，变形监测也很好地证明了这一点。

关键块体B悬臂15 m时关键块旋转下沉量已经足够大并接触底板，留巷处于较大的给定变形状态，其对沿空留巷的围岩控制也是不利的。

3.1 倾向小水平转角钻孔群切顶方案
对于厚硬顶板沿空留巷而言，其围岩控制应注重减弱大跨度关键块大幅回转下沉对沿空留巷围岩的时空不利影响，优化留巷区域应力场[11-12]。

因此，在分析厚硬顶板沿空留巷围岩结构运动特征的基础上，结合平煤十二矿现有条件，提出倾向小水平转角钻孔群顶板控制方案控制沿空留巷充填体外侧顶板悬臂长度，其优点在于可实现厚硬顶板的充分卸压及较为精准的顶板关键块长度控制。

方案采用2组共6个超前预裂钻孔，具体炮孔布置及布置参数如图8及表1所示。

3.2 控制效果
未采用倾向小水平转角钻孔群顶板控制前，沿空留巷在相邻工作面推过后顶板一直以较大速率下沉，充填墙体内倾严重；顶板关键块优化卸压后，留巷围岩位移现场实测如图9所示，上区段工作面推过后充填体虽然有较大变形，但留巷总体保持稳定，尤其工作面推过监测点约160 m后，围岩位移趋于稳定，两帮移近量控制在500 mm以内，顶底板移近量控制在800 mm以内。

现场工作面周期来压也明显减小，沿空留巷关键块形成“最优拱结构”，留巷矿压显现剧烈程度减弱；有效弱化了留巷区域高应力，保证了充填墙体的完整与稳定。

(1)厚硬顶板直覆条件下沿空留巷，其直接顶破断直接形成块度较大的关键块，自实体煤帮至上区段采空区形成7个应力集中区，沿空留巷充填体位于高应力区。

(2)顶板关键块B的长度决定关键块铰接结构的稳定性及稳定位态，关键块B长度的过大与过小均不利于关键快铰接结构的稳定，合理的关键块长度是保证厚硬顶板直覆条件下沿空留巷的关键。

(3)通过UDEC数值模拟关键块体B不同长度时厚硬顶板所形成的不同结构形式及留巷围岩变形位移，得出了平煤十二矿顶板条件下沿空留巷合理关键块体B的长度，并通过对厚硬顶板采用倾向小水平转角钻孔群切顶控制方案对切顶卸压以控制关键块体长度，可有效弱化留巷区域高应力，保护充填墙体的完整与稳定。

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