斜溝礦切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術(shù)研究

關(guān)明利

（西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033602）

1 概述

隨著煤炭開采技術(shù)水平的提高和開采力度的加大，我國淺部煤層煤炭儲量越來越少，國內(nèi)許多煤礦逐漸開始了對深部煤炭資源的開采[1]。深部煤炭開采要將巷道布置在高應(yīng)力地層中，巷道圍巖受高應(yīng)力及強采動影響常常出現(xiàn)復(fù)雜的破壞形式。為解決這一現(xiàn)狀，通常采用留設(shè)區(qū)段煤柱方式來緩解巷道變形程度，維護巷道圍巖穩(wěn)定。但是該方式不僅極大地造成了煤炭資源的浪費，不符合經(jīng)濟、高效開采的理念，而且留設(shè)的區(qū)段煤柱在高應(yīng)力作用下，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育，吸附在煤體內(nèi)部的瓦斯逐漸涌出，造成采空區(qū)發(fā)火等災(zāi)害，不利于煤炭開采。

針對上述問題，該領(lǐng)域許多學(xué)者在現(xiàn)有沿空留巷技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，該技術(shù)的出現(xiàn)推動了沿空留巷技術(shù)的進一步創(chuàng)新[2-5]?；緦崿F(xiàn)了無煤柱開采，不僅極大地提高了煤炭資源的回收率，降低了采掘比，而且能夠有效改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，減小巷內(nèi)支護的受力及巷旁支護的阻力，極大地提高了沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。此外，該技術(shù)優(yōu)化了巷道通風(fēng)方式，實現(xiàn)了Y型通風(fēng)，進一步實現(xiàn)了煤炭安全高效生產(chǎn)。

2 工程概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km處，礦區(qū)南北長約2 km，東西寬約3～4 km，礦井面積約88.6 km2礦井設(shè)計生產(chǎn)能力15.0 Mt/a。23111綜放工作面位于斜溝礦21采區(qū)南翼東側(cè)，緊鄰礦界保護煤柱，工作面南側(cè)為實煤區(qū)，西側(cè)為已回采完畢的23101工作面，水平標高+700 m，開采煤層為太原組8號煤層，煤層厚度 5.40～6.60 m，平均厚度 5.98 m，23111工作面總體為一走向近南北傾向西的單斜構(gòu)造，煤層平均傾角6.6°。工作面頂板上存在一層厚度約為0.2 m偽頂（砂質(zhì)泥巖）；直接頂為細粒砂巖，平均厚度約為5 m；老頂為中粒砂巖，平均厚度約為9 m；直接底為粉砂巖，平均厚度約為1.6 m；老底為細粒砂巖，平均厚度約為3 m，工作面煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 20180綜采工作面煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖

3 沿空留巷圍巖賦存特征及破壞機理

3.1 圍巖賦存特征

對于沿空巷道巷道而言，其特有的巷旁支護方式及布置位置的特殊性，使巷道圍巖應(yīng)力分布特征與其他回采巷道不同，主要表現(xiàn)在如下幾個方面[5]：

1）巷道位于應(yīng)力降低區(qū)。在工作面回采期間，上覆巖層受煤層開采擾動覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤層開采具有一定的活動性，待覆巖趨于穩(wěn)定后沿采空區(qū)布置巷道。此時煤體受到擾動破壞，煤體內(nèi)部集中應(yīng)力得到釋放，該區(qū)域應(yīng)力環(huán)境相對穩(wěn)定，利于巷道穩(wěn)定。

2）圍巖應(yīng)力集中程度小。在煤體應(yīng)力釋放的卸壓區(qū)布置巷道，該區(qū)域圍巖破碎程度加大，裂隙較為發(fā)育。巷道布置后受圍巖應(yīng)力影響程度較小，相比于其他回采巷道而言圍巖更有利于穩(wěn)定。

3）回采期間受擾動影響程度大。在上區(qū)段工作面覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定之后沿采空區(qū)邊緣布置巷道為沿空留巷，此時巷道圍巖進入穩(wěn)定階段，圍巖應(yīng)力及變形量相對較小。但在本區(qū)段工作面回采期間，巷道圍巖受到二次擾動，引起已形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的上覆巖層再次活動，造成工作面煤巖體應(yīng)力疊加，圍巖變形加劇。

3.2 圍壓破壞變形機理

根據(jù)對巷道圍巖的影響因素可將圍巖破壞變形機理分為兩大類，具體如下。

3.2.1 自然因素

1）巷道圍巖巖性。圍巖強度和裂隙發(fā)育程度是影響巷道穩(wěn)定的最直接因素，直接關(guān)系到巷道受外力作用下最大抵抗程度。

2）巷道埋深。隨著開采深度增加，巷道受上覆巖層壓力也逐漸增大，此外，深部巷道圍巖穩(wěn)定性受水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力共同作用影響。

3）煤層傾角。當(dāng)巷道布置在傾斜煤層中，巷道圍巖所受的垂直應(yīng)力在巷道走向存在分力，導(dǎo)致巷道圍巖受力不均勻，出現(xiàn)非對稱性破壞特征。

4）地質(zhì)構(gòu)造。布置在地質(zhì)構(gòu)造帶附近的巷道，地殼運動導(dǎo)致能量的大量釋放和聚集，嚴重影響巷道圍巖穩(wěn)定性，增大巷道控制難度。

3.2.2 開采技術(shù)因素

開采技術(shù)因素包括采動次數(shù)、巷道斷面形狀及大小、是否存在臨近開采工作面等諸多因素，影響因素不同，巷道圍巖受擾動程度也不相同。

4 切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)及數(shù)值模擬

4.1 技術(shù)原理

4.1.1 核心技術(shù)

在工作面回采前，用錨桿裝機沿著回采巷道一側(cè)打設(shè)等距離的爆破孔，裝藥后運用聚能爆破技術(shù)進行預(yù)制切頂裂紋。當(dāng)工作面回采后，在上覆巖層在重力及圍巖應(yīng)力共同作用下，采空區(qū)頂板沿裂紋方向發(fā)生下滑破碎落至采空區(qū)，由巖石的碎脹特性使采空區(qū)內(nèi)垮落巖石體積增大占據(jù)采空區(qū)并提供一定的支撐力，促使采空區(qū)圍巖趨于穩(wěn)定，如圖2所示。該技術(shù)不僅實現(xiàn)對采空區(qū)頂板卸壓，而且改變了傳統(tǒng)長壁開采的布局方式，由“一面兩巷”變?yōu)椤耙幻嬉幌铩薄?/p>

圖2 切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)

4.1.2 技術(shù)優(yōu)勢

1）降低巷道頂板應(yīng)力集中程度。通過聚能爆破技術(shù)將采空區(qū)頂板定向切割，實現(xiàn)采用區(qū)頂板與巷道頂板分離，隔絕應(yīng)力傳遞，降低巷道頂板應(yīng)力集中程度。

2）人為控制采空區(qū)頂板垮落。通過預(yù)制頂板裂紋，構(gòu)建頂板巖層自由面，使頂板垮落規(guī)則化，利于原巷道保留及圍巖控制。

3）提高煤炭回收率，增加回采安全性。該技術(shù)不僅實現(xiàn)無煤柱開采，提高煤炭回收率，增加經(jīng)濟效益，而且避免工作面回采中留設(shè)煤柱導(dǎo)致的瓦斯、沖擊地壓等礦井災(zāi)害的發(fā)生。

4.2 切頂留巷數(shù)值模擬研究

4.2.1 模型建立

結(jié)合斜溝礦20180綜采工作面地質(zhì)情況，模型設(shè)計尺寸長×寬×高為285 m×5 m×114 m，模型左右兩邊、前后兩面和底面進行位移約束，模型上面設(shè)置10 MPa的均布載荷（垂直向下），設(shè)置水平應(yīng)力12.5 MPa（x軸正方向）、8 MPa（y軸正方向）。頂?shù)装鍘r性參數(shù)選擇如表1所示，分別切頂4 m、6 m和8 m這三種情況進行分析，切頂模型圖如圖3所示。

表1 頂?shù)装鍘r性選取參數(shù)

圖3 切頂卸壓數(shù)值模型圖

4.2.2 不同切頂高度垂直應(yīng)力分布特征

圖4 不同切頂高度垂直應(yīng)力分布云圖

如圖4所示（不同切頂高度垂直應(yīng)力云圖）可知，切頂高度為4 m時，圍巖應(yīng)力集中區(qū)域距煤壁約3.8 m，應(yīng)力值高達32.5 MPa，此時應(yīng)力集中區(qū)域距煤壁距離較近，煤壁極易破碎不利于維護，容易造成留巷失?。欢许敻叨葹? m和8 m時，此時應(yīng)力集中區(qū)域距煤壁較遠，分別為14.5 m和15.3 m，應(yīng)力值較切頂高度4 m時增大幅度較小，此時對留巷影響較小，留巷成功率較大。

依據(jù)數(shù)值模擬得出的結(jié)論，結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果分析，最終確定20180工作面切頂高度7 m時，巷道圍巖應(yīng)力集中程度較低，且易于施工，切頂卸壓沿空成巷效果明顯。

5 結(jié)論

1）通過分析沿空留巷圍巖賦存特征及活動規(guī)律，揭示巷道圍巖應(yīng)力分布及破壞特征。在此基礎(chǔ)上提出了切頂卸壓無煤柱開采原理及核心技術(shù)，并運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對不同切頂高度下圍巖應(yīng)力分布特征進行研究。

2）通過對4 m、6 m和8 m三種不同切頂高度下沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布云圖分析可知，4 m切頂高度不能完全切斷采空區(qū)頂板，導(dǎo)致部分應(yīng)力傳遞，不利于留巷，而6 m和8 m切頂高度可有效切斷采空區(qū)頂板。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗，最終確定7 m切頂高度，現(xiàn)場切頂卸壓沿空成巷效果明顯。