切顶成巷采空区冒落矸石碎胀系数及侧向压力测定研究

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(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；3.同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037000)

沿空留巷技术自20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国采煤领域的重要技术发展方向，然而随着我国煤炭开采的逐步深部化、煤炭资源的日益紧张，传统留巷方式的实施难度不断增大[1，2]。针对以上问题，中国科学院何满潮院士于2009年提出切顶卸压无煤柱自成巷理论，即通过于留巷顶板采空区侧实施定向预裂爆破，切断留巷顶板与采空区顶板的应力传递，待工作面回采过后，采空区顶板发生垮落并利用矸石的碎胀特性进行采空区充填，从而实现零煤柱自动成巷、保证成巷围岩变形可控[3，4]。目前，切顶卸压无煤柱开采技术已在多矿试验成功，积累了一定的理论与实践经验[5，6]。

根据切顶卸压自成巷开采理论，切顶高度的设计主要需考虑顶板垮落后能否对采空区进行有效充填，因此顶板冒落矸石的碎胀系数直接关系到切顶高度的设计以及留巷围岩的稳定[7]。而在以往研究中，受到区段煤柱留设或者传统留巷方式的支护体留设影响，采空区顶板矸石冒落难以进行直接观测，因此其碎胀系数相关研究主要以理论计算和室内试验为主，现场测定研究较为薄弱，如张俊英通过相似材料模拟试验，研究了长壁开采条件下不同高度采动破碎岩体的动态碎胀变化规律[8]；褚廷湘通过室内试验测试了破碎煤体在应力、应力-温度、应力-水分不同条件下的碎胀系数演变特征与机制[9]；夏小刚运用分形算法对冒落带动态高度进行了计算[10]。在切顶卸压自成巷条件下，留巷侧采空区顶板矸石垮落具备了观测条件，目前现场观测研究方法主要有自然观测和标记观测两类[11]。在上述研究成果基础上，本文拟以塔山煤矿8304工作面复合顶板为例，对复合顶板切顶卸压后顶板冒落矸石的碎胀系数进行测定，并对矸石冒落堆积过程中的侧向压力进行观测，以优化碎胀系数测定方法，明确碎胀系数与侧压的演变关系，从切顶高度设计及挡矸支护设计两个方面为切顶卸压自成巷技术的进一步推广提供参考。

1 工程概况

图1 塔山煤矿三盘区8304工作面布置图

同煤集团塔山煤矿三盘区东翼8304工作面为塔山煤矿三盘区东翼的首采面，与8305工作面毗邻，其布置如图1所示，8304工作面埋深367～411m，煤层平均厚度3.1m，平均倾角4°，走向长度670m，工作面长度127m。直接顶和基本顶分别为泥岩和细砂岩，平均厚度为1.47m、3.88m；直接底和基本底分别为泥岩和粉砂岩，平均厚度为3.2m、3.1m。留巷550m进尺处存在一顶板岩性钻孔，该钻孔测得的顶板岩性柱状图如图2所示。

图2 顶板岩性柱状图

2 碎胀系数及切顶高度计算

在切顶卸压自动成巷技术的相关研究中，切顶高度主要依据式(1)进行设计计算[13]：

HF=(HM-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，HF为切顶高度，m；HM为煤层采高，m；ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；K为碎胀系数。

由式(1)可以看出，碎胀系数值直接影响切顶高度设计，目前关于碎胀系数的取值主要有以下两种方法：

1)假定切顶高度范围内顶板共有n(n≥1)层不同岩性分层，每层厚度为Di(1≤i≤n)，通过室内试验可确定每种岩性岩石的理论碎胀系数Ki(1≤i≤n)，则以厚度作为权值可对切顶范围内顶板岩体的碎胀系数进行加权计算：

2)由于切顶卸压自动成巷可为碎石帮侧的矸石垮落提供直接观测条件，因此也可通过现场测定来确定碎胀系数取值，常用方法有自然观测、标记观测两种，如图3所示。其中，自然观测适用于顶板有明显岩性分层的地质条件，在采空区垮落前首先对顶板不同岩性分层厚度进行详查，随后在顶板垮落后，可依据不同岩性冒落矸石的块度、颜色等特征对碎石帮进行分层，利用矸石垮落后的分层高度计算顶板切缝冒落后的碎胀系数，如图3(a)所示；当切缝顶板无明显岩性分层时，可采用标记观测，即通过顶板钻孔，人为在固定高度处采用喷漆、设置锚爪等方式进行标记，待工作面回采后，再次测量标记点高度，进而计算顶板碎胀系数，如图3(b)所示。

图3 碎胀系数现场测定方法

根据图2及式(2)，取值塔山煤矿三盘区8304工作面顶板碎胀系数为1.42，进而将工作面采高参数代入式(1)，计算出8304工作面切顶高度为7.4m。

3 碎胀系数及侧向压力测定

在工作面实施切顶卸压无煤柱自动成巷回采后，在留设巷道中通过碎石帮观测对顶板碎胀系数及挡矸压力进行现场测定。

3.1 顶板岩性详查

首先对留巷巷道顶板岩性进行详查，作为碎胀系数测定方法的选择依据和测定基础。8304工作面原岩性钻孔位于进尺550m处(如图2所示)，由该钻孔可以看出，工作面顶板较为复合，存在多层泥岩与砂岩互层，整体条件较为复杂。为进一步掌握8304工作面留巷顶板岩性变化，为后续碎胀系数测定提供基础地质资料，分别于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m进尺处对顶板岩性进行钻孔窥视，得到上覆岩层断面图，如图4所示。

图4 8304工作面留巷巷道上覆岩层断面图

3.2 碎胀系数测定

由8304工作面上覆岩层断面图可以看出，该顶板岩性于切顶范围内存在明显分层，因此可考虑首先使用自然观测法对顶板碎胀系数进行观测。工作面回采后，采空区顶板垮落堆积形成留巷碎石帮，碎石帮下层矸石块度较小、色泽较暗，上层矸石块度较大、色泽较亮，对比岩性图，可知碎石帮下层由泥岩垮落形成，碎石帮上层由细砂岩垮落形成。

在工作面回采过程中，分别于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m进尺处每日测量碎石帮泥岩、细砂岩矸石垮落分层处高度，与上覆岩层断面图中直接顶泥岩厚度的比值即为顶板泥岩碎胀系数，根据六个测点的测量结果，拟合得到泥岩碎胀系数与滞后工作面距离的变化关系如图5所示。

图5 泥岩碎胀系数变化曲线

8304工作面切顶范围内顶板岩性主要为泥岩和细砂岩两种，其中泥岩的碎胀系数根据顶板岩性分层采用自然观测法即可测定，而细砂岩的分层上限无法于留巷中进行直接观测，因此需采用标记观测法进行测定。首先于留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m进尺处分别选取5个爆破孔作为标记孔，并将标记孔内深度[0m，D泥+0.3m]段使用油漆涂色进行标记(D泥为该处顶板直接顶泥岩厚度)；随后在工作面回采、顶板垮落后，对标记孔内涂色段的垮落高度H标进行测量，则细砂岩的碎胀系数K可由式(3)进行计算：

K=(H标-H泥)/0.3

(3)

式中，H泥为泥岩垮落高度，m。

根据六个测点的测量结果，整理得到泥岩碎胀系数与滞后工作面距离的变化关系曲线如图6所示。

图6 细沙岩碎胀系数变化曲线

3.3 侧向压力测定

为进一步掌握顶板冒落矸石的碎胀系数演化与侧向压力之间的关系，研究对留巷碎石帮的侧向压力，即留巷挡矸压力也进行了测定，将挡矸压力盒安装于碎石帮与挡矸工字钢之间，随后每日记录挡矸压力示数及工作面回采进尺，得到挡矸压力监测曲线如图7所示。

图7 挡矸压力监测曲线

4 测定结果分析

4.1 碎胀系数取值

由图5、图6测定结果可知，8304工作面采空区顶板中，泥岩垮落压实后最终残余碎胀系数为1.49，细砂岩垮落压实后最终残余碎胀系数为1.37。考虑顶板切缝深度范围内主要岩性为泥岩和细砂岩，且各层厚度变化如图4所示，根据式(2)可对留巷巷道0m、100m、200m、300m、400m、550m进尺处顶板碎胀系数进行计算，计算结果见表1，计算得顶板碎胀系数均在1.38～1.41之间，取平均值为1.40。

表1 留巷侧采空区顶板碎胀系数计算结果表

4.2 碎胀系数演变规律

根据图5、图6测定结果可知，泥岩垮落后初始碎胀系数为1.71，压实后残余碎胀系数为1.49；细砂岩初始碎胀系数为1.56，残余碎胀系数为1.37。在采空区垮落压实过程中，两种岩性碎胀系数均逐渐减小随后趋于稳定，其中泥岩自工作面架后21m开始有碎胀系数记录，架后36～79m段碎胀系数下降最为明显，架后109m后碎胀系数基本稳定；细砂岩自工作面架后23m开始有碎胀系数记录，架后39～75m段碎胀系数下降最为明显，架后103m后碎胀系数基本稳定。结合现场观测，泥岩较之细砂岩，垮落块度较小，初始碎胀系数及残余碎胀系数较大，碎胀系数稳定区滞后架后距离较长。

4.3 碎胀系数与侧向压力关系

根据图7碎石帮侧向压力监测结果，滞后工作面29m时挡矸压力盒开始有示数，为0.2MPa；随后挡矸压力逐渐上升，滞后工作面67m时上升速度变缓，直至滞后工作面103m时达到压力最大值0.46MPa；之后随工作面推进，挡矸压力值出现下降，滞后工作面223m时挡矸压力值逐渐稳定于0.28MPa。即初始进入采空区后，由于顶板矸石的垮落，碎石帮侧向压力快速增加；随后采空区矸石堆积接顶，形成自稳结构，上覆顶板再次来压时，碎石帮侧向压力增加速度降缓；之后随着工作面采场的逐渐远离，碎石帮远离应力集中区，挡矸压力进一步减小并趋于稳定。

图8 碎胀系数与侧向压力关系曲线

对比碎胀系数测定结果，进入采空区初期时，随着顶板的逐步冒落，碎石帮侧向压力快速升高，此时矸石碎胀系数快速下降；至于架后70～80m时，碎石帮初步形成自稳结构，侧向压力增速减小，矸石碎胀系数降速变缓；至于架后100～110m时，碎石帮侧向压力达到峰值，矸石碎胀系数趋于稳定；碎石帮侧向压力达到峰值后，随着工作面的逐渐推进远离，侧向压力会逐渐降低，直至于架后220～230m时趋于稳定，而在该阶段过程中，矸石碎胀系数始终处于稳定状态，没有出现明显回弹上升现象。顶板碎胀系数与侧向挡矸压力关系曲线如图8所示，可见碎石帮侧向压力达到峰值后再次下降，但顶板碎胀系数基本维持不变。

5 结 论

1)将切顶留巷条件下的顶板碎胀系数取值方法归纳为层厚加权计算、现场直接测定两类，其中现场测定常用方法有自然观测法、标记观测法两种。并以此为基础，以塔山煤矿8304工作面复合顶板为例，采用多种测定手段相互配合的方法，测定得到其顶板碎胀系数约为1.40。

2)塔山煤矿8304工作面切顶层位主要岩性为泥岩与细砂岩：泥岩垮落后初始碎胀系数为1.71，滞后工作面109m时碎胀系数趋于稳定，压实后残余碎胀系数为1.49；细砂岩初始碎胀系数为1.56，滞后工作面103m时碎胀系数趋于稳定，残余碎胀系数为1.37。现场测定显示，顶板中泥岩较之细砂岩，垮落块度较小，初始碎胀系数及残余碎胀系数较大，碎胀系数稳定区滞后架后距离较长。

3)与碎石帮侧向压力变化对比显示，进入采空区初期时，随着顶板的逐步冒落，碎石帮侧向压力快速升高，此时矸石碎胀系数快速下降；至于架后70～80m时，碎石帮初步形成自稳结构，侧向压力增速减小，矸石碎胀系数降速变缓；至于架后100～110m时，碎石帮侧向压力达到峰值，矸石碎胀系数趋于稳定；碎石帮侧向压力达到峰值后，随着工作面的逐渐推进远离，侧向压力会逐渐降低，直至于架后220～230m时趋于稳定，而在该阶段过程中，矸石碎胀系数始终处于稳定状态，没有出现明显回弹上升现象。