近距煤层采空区下沿空留巷顶板定向切顶与围岩控制技术及工程应用

《Applied Sciences》：Novel Approach to Ground Control for Roadways Beneath Gob in Closely Spaced Coal Seams: A Case Study Yi Su, Jiong Wang, Zimin Ma and Pingye Guo

本文针对近距煤层群采空区下沿空留巷围岩稳定性控制的工程难题，结合理论分析、数值模拟和现场监测，系统研究了“嵌入式短臂梁”结构形成机制，提出了以“中空注浆锚索支护”与“低扰动静爆定向切顶”为核心的围岩协同控制技术，确定了“一梁四柱”被动支护系统的合理工作阻力。现场应用表明，该技术将围岩变形量控制在350 mm以内，巷道断面收缩率维持在16.4%，有效保障了留巷稳定，为类似条件下无煤柱安全高效开采提供了重要的力学依据与工程指导。

　　

在我国的主要产煤区，赋存着大量的近距离煤层群。目前，下行开采（自上而下开采煤层）是一种普遍的开采方式。当上方的煤层被采出后，会形成巨大的采空区。此时，若要在其下方紧邻的煤层中继续开采并布置巷道，巷道的顶板将承受上覆岩层复杂的结构和力学变化，这使得巷道围岩的控制变得异常困难。传统的支护设计往往依赖于基于煤柱考虑的锚杆支护系统，但这种被动的方法无法从根本上改变围岩结构和应力环境，特别是在下行开采、巷道布置在无煤柱区域的情况下，对顶板结构和岩层控制机理的研究仍不充分。位于山西的安新煤矿，其9#、10#、11#煤层的层间距仅为1到10米，下层煤巷道的掘进和维护极为困难。留设煤柱会引入严重的应力集中，阻碍开采连续性，并浪费宝贵的焦煤资源。而无煤柱开采，特别是沿空留巷技术，已成为提高开采连续性和资源回收率的关键。然而，在采空区下方进行沿空留巷，其面临的挑战远大于传统的沿未开采煤层布置的沿空留巷。上覆采动破坏了顶板的完整性和力学性能，常规的恒阻大变形支护和定向预裂爆破技术适应性降低。因此，探寻适用于此类特定条件下的合理切顶结构和围岩控制策略，特别是“嵌入式短臂梁”的形成机理、所需支护阻力计算以及中空注浆锚索结合低扰动静爆定向切顶的参数设计，成为亟待解决的关键科学问题。本项研究正是为了填补这些研究空白，为复杂地质条件下近距煤层的安全、高效、经济开采提供新方案。这项研究发表在多学科应用科学期刊《Applied Sciences》上。

为攻克上述难题，研究人员开展了一项综合性研究。他们采用了理论分析、数值模拟与现场监测相结合的研究路线。具体而言，首先通过建立“嵌入式短臂梁”力学模型，推导了留巷所需支护阻力的计算方法。其次，运用数值模拟软件，揭示了采空区下近距离煤层巷道围岩的变形规律和应力分布特征。最后，在安新煤矿3202工作面进风巷进行了长达622米的现场工业性试验，对提出的新技术方案进行了验证。现场应用的核心技术方法包括：1) 在巷道掘进时即安装并注浆中空注浆锚索，对已受损顶板进行主动加固，形成“再生岩体”；2) 采用聚能管定向装药结构进行低扰动静爆，在采空区侧实施定向预裂切顶，使顶板沿切缝线垮落；3) 在工作面推进后，及时在采空区侧安装可缩性U型钢挡矸结构，配合单体液压支柱进行临时支护；4) 基于力学模型计算结果，采用“一梁四柱”式的单体支柱棚架结构对留巷顶板进行被动支撑，以有效限制顶板下沉。

1. 巷道围岩破坏特征

通过现场观测发现，在传统“121”开采工艺下，由于上覆2#煤层开采后破坏了3#煤层顶板的完整性，其自承能力降低。传统的预应力锚索（杆）极易因锚固失效而破坏，导致巷道围岩发生不同程度的鼓帮、顶板下沉等大变形。层间关键层结构的运动还会引起上覆采空区主顶板的二次剧烈变形，甚至失稳。这表明，在近距离煤层采空区下，围岩控制面临极大挑战。

2. 近距煤层采空区下切顶成巷技术

研究基于“切顶短臂梁”理论发展出的110工法，结合安新煤矿具体条件，总结了四步工艺流程：掘巷时安装注浆锚索、超前工作面钻切缝孔并进行预裂爆破、随工作面推进及时安装挡矸与临时支柱、留巷稳定后撤除临时支护并密封。其中，中空注浆锚索支护技术通过高压注浆弥合顶板裂隙，实现全长锚固，显著提高了围岩的整体性和强度。工作面下低扰动静爆定向切顶技术则根据矿井瓦斯情况，采用聚能管定向装药，实现了对顶板损伤小、定向性好的预裂，切缝扩展率达到88%。采空区侧挡矸技术采用可缩性U型钢配合金属网等构件，有效防止了垮落矸石涌入巷道。留巷顶板被动支护技术基于建立的力学模型，计算得出每米巷道至少需要699 kN的支护阻力，因此设计了每排布置3根（工作阻力250 kN/根）的单体支柱“一梁四柱”棚架支撑系统。

3. 切顶留巷技术机理与控制效果

3.1. 采空区下切顶留巷围岩运移特征

研究揭示了“次生顶板结构”的形成过程：上煤层开采后，覆岩剧烈破断、下沉，底板裂隙发育，区域应力场重新分布，导致下煤层顶板由“原生结构”演化为力学性质劣化的“次生结构”。数值模拟表明，随着层间距减小，采动裂隙密度急剧增加，宏观上严重削弱了采空区下巷道顶板的稳定性。通过注浆锚索加固和定向切顶，一方面增强了顶板自承能力，另一方面使巷道顶板与采场顶板在结构上分离，减少了采场动压的侧向传递。随着下煤层开采，顶板岩层依次垮落，最终在留巷围岩部分被垮落矸石包裹的情况下，形成了所提出的“嵌入式短臂梁”结构，其切顶侧承受着上下采空区叠加的地质力学扰动。

3.2. 工作面下切顶留巷力学分析

研究建立了非均匀侧向支承压力作用下“嵌入式短臂梁”的应力力学模型。分析指出，下煤层开采引起采空区顶板垮落，会导致采空区侧向压力波动，从而使留巷顶板上方形成非均布压力。通过力学推导，得到了确保巷道顶板稳定、不沿侧面发生严重沉降和断裂所需的临时支护力F的计算公式。将安新煤矿的实际参数（γ = γ₁= 25 kN·m^-3, h = 240 m, d = 8 m, H_C= 1.6 m, b = 4.5 m, θ = 15°, K = 0.75, σ_m= 5 MPa）代入公式，计算得出F = 699 kN，为现场支护设计提供了直接理论依据。

4. 现场应用效果

在安新煤矿3202工作面的现场应用结果表明，采用以“中空注浆锚索+低扰动静爆定向切顶”为核心，辅以“U型钢挡矸”和“一梁四柱”被动支护的成套技术后，留巷围岩变形得到了有效控制。巷道围岩位移被控制在350 mm以内，巷道断面收缩率维持在16.4%。留巷表现出良好的稳定性，满足了通风和运输的要求。

结论与讨论

本研究通过理论-模拟-现场相结合的综合性研究，成功揭示了下行开采条件下近距煤层采空区下沿空留巷顶板岩层运动与围岩变形规律。所建立的“嵌入式短臂梁”结构模型及支护阻力计算方法，为类似条件下的支护设计提供了新的力学分析框架。提出的以“中空注浆锚索主动加固”和“低扰动静爆定向切顶卸压”为核心的围岩协同控制技术体系，在实践中被证明是经济有效的解决方案。与成本高昂的充填技术相比，该方案更具工程推广价值。现场应用的成功不仅验证了技术的可靠性，更重要的是，通过将顶板变形限制在一定范围内，最大限度地减少了对上覆岩层的扰动，这为保障上覆倾斜瓦斯抽采钻孔的稳定性、实现煤与瓦斯安全共采提供了可行性。此项研究为复杂地质条件下近距离煤层切顶沿空留巷的稳定性控制，提供了至关重要的力学基础、经济性论证和实用的工程指导。