孤島工作面復合頂板切頂卸壓參數研究

史建富

（西山煤電集團斜溝礦，山西 興縣 033600）

煤礦掘進過程中，頂板的離層、片幫、底板的鼓起等為比較常見的礦壓顯現現象。孤島工作面回采時，頂板及圍巖由于受兩側采空區(qū)影響破碎現象更突出，導致圍巖自身的承載力下降，支護工作難度和風險都比較大。應對這種情況，通常采用加大、加密錨桿與錨索的方式對圍巖進行加固，但這種方式并不能從根本上解決動壓傳動現象，且后期維護費用較高。采用切頂卸壓技術，可切斷孤島工作面頂板與相鄰采空區(qū)頂板的動壓傳動，從而減小工作面兩側采空區(qū)動壓對孤島工作面的影響，維持孤島工作面圍巖及頂板的安全。

1 工程背景

西山煤電集團斜溝煤礦10203孤島工作面沿走向布置，東部為北輔運、北回風大巷，南部為二盤區(qū)集中膠輔運大巷，西部為10202回采工作面（已回采），北部為10305膠輔運順槽（已形成）。工作面走向長200m，傾斜長1632m，煤層平均厚度為4.8m，傾角4°50′。該煤層基本頂為厚度5.70～7.30m的粗、中、細粒砂巖、粉砂巖；直接頂為厚度0.15～4.80m的泥巖夾煤線、炭質泥巖夾煤線，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質膠結，易冒落；直接底為厚度3.00～7.50m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風化。10303工作面礦壓顯現大于以往的綜采工作面，容易造成主回撤支架壓死等安全風險，故必須通過切頂卸壓的方式減小或者消除礦壓顯現現象，防止主回撤支架壓死事故的發(fā)生。

2 切頂卸壓技術參數研究

煤礦通常用預裂爆破方法實現切頂卸壓。通過爆破方法實現在回采巷道沿采空區(qū)處頂板切一條縫，回采完成后，在礦山壓力的作用下回采巷道頂板會在切縫處斷開，形成一個面，回采巷道與采空區(qū)的動力傳動就會消失，孤島工作面頂板不會受采空區(qū)動壓影響。如何控制切縫的位置以及切頂厚度成為切頂卸壓技術的關鍵。采用爆破方法進行切頂卸壓時，應控制好預裂切頂高度、預裂切頂角度以及預裂切頂時炮眼間距。

2.1 數值模型建立

根據該礦工程地質條件以及工程實際采煤方法，建立FLAC3D三維數值模擬模型，模型尺寸為100m×50m×50m，共劃分671600個單元，73124個節(jié)點。上覆巖層的自重通過施加固定荷載模擬，底部為固定邊界，上部為應力邊界。煤巖層的力學特性參數見表1。

表1 煤巖層力學特性表

2.2 模擬方案及結果分析

2.2.1 預裂切頂高度

方案一：對最佳切頂高度進行模擬，將切頂角度設置為固定值0°，根據工作面煤層頂板厚度，預裂切頂的高度分別設置為2m、5m以及10m。不同切頂高度下巷道應力分布變化模擬結果如圖1所示。

圖1 不同切頂高度下巷道應力分布

由圖1可看出：預裂切頂高度為2m時，巷道周圍應力集中現象還比較明顯，且應力集中的影響范圍較大，峰值也較大，切頂高度5m和10m時應力集中現象消除很大，且應力集中的影響范圍逐漸縮小，峰值也較切頂高度為2m時下降很多。由此可見，切頂高度為2m時卸壓效果不明顯，高度為5m和10m時有明顯的切頂卸壓效果。由圖1（c）還可看出，在切頂區(qū)域存在比較大的面積應力值為正，分析原因，由于切頂受采高的影響，形成切縫后，端部變?yōu)樽杂啥?，自由端過早與底板接觸，自由端與底板形成反作用力，影響切頂卸壓的效果。綜上所述，切頂高度為5m時切頂卸壓效果最佳。

2.2.2 預裂切頂角度

預裂切頂時，頂板并不會馬上完全從切縫處斷裂，它們之間仍然存在應力傳遞現象，選擇合理的預裂切頂角度，可優(yōu)化預裂切頂的效果。

方案二：將切頂高度設置為固定值5m，切頂角度設置為10°和20°，不同切頂角度下應力場變化如圖2所示。

圖2 不同切頂角度下巷道應力分布

由圖2可看出，切頂角度為10°時巷道周圍存在比較大區(qū)域的應力集中，當切頂角度增大到20°時，應力集中現象得到明顯減弱，且應力集中區(qū)域遠離順槽，說明切頂角度為20°時孤島工作面與相鄰巷道的動力傳動得到有效切斷，切頂效果好。

3 工程實驗效果分析

10203孤島工作面正常推進過程中，巷道支護采用恒阻大變形錨索對巷道進行超前加固，錨索長度為10m，排距1m，對巷道頂板進行有效支護的同時，可增大孔內裂隙率，改良切頂卸壓效果。該工作面切頂卸壓結合之前的爆破參數和數值模擬結果，炮眼沿采空區(qū)側巷道邊450mm沿走向布置一排，炮眼間距取600mm，深度5m，切頂角度為20°。

通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對開采過程中錨索受到的拉應力進行監(jiān)測，得到錨桿拉應力隨開采進尺的變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 錨桿拉應力隨推進距離變化圖

由圖3可知：工作面推進后10m錨索拉應力達到峰值，隨著工作面繼續(xù)推進，拉應力迅速降低，再推進20m后，錨索拉應力達到最低值，之后趨于穩(wěn)定，說明在第30d左右，切頂卸壓完成，且效果明顯。

由此可見，選擇合理的爆破參數，可實現巖層內部動力傳動的漸變，直至被消除，保證切頂卸壓技術得到良好的效果。