厚煤層小煤柱護巷切頂卸壓技術(shù)研究

劉四平

（山西靈石華苑煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031300）

由于上覆巖層旋轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的動載荷，以往巷道的充填體會因此受到影響而發(fā)生破壞，而采用切頂卸壓技術(shù)就可以減弱由于頂部巖層旋轉(zhuǎn)下沉所導(dǎo)致的動壓影響[1]。該技術(shù)利用人工爆破進行放頂，使前方巷道的頂板預(yù)裂，在工作面推進后，頂板可以沿著爆破裂縫直接垮斷，充填采空區(qū)，使頂板塊體更早地與采空區(qū)矸石接觸，以此來減少上覆巖層動載荷的影響[2-3]。

1 概況

山西靈石華苑煤業(yè)有限公司開采標(biāo)高+1 106.00～ +747.4 m，目前開采9#、10#煤層，2#、3#煤層封閉，7#煤層尚未開采。井田內(nèi)溝谷發(fā)育，地形復(fù)雜，地勢總體西高東低。10202工作面為孤島工作面，屬于10#煤層，位于井田南部二采區(qū)，工作面埋深約400 m，走向長度2000 m，工作面寬度195 m，平均采高4.23 m。10#煤層煤厚2.80～5.93 m，平均4.23 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。在開拓范圍內(nèi)，煤層傾角3°～5°。

10#煤層上覆巖層依次為5.32 m的砂質(zhì)泥巖、1.12 m的9#煤和6.8 m的石灰?guī)r，底板為3.23 m的砂質(zhì)泥巖、0.63 m的煤。

2 切頂卸壓技術(shù)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

利用FLAC3D軟件對切頂卸壓護巷可行性進行模擬分析，根據(jù)工作面的實際生產(chǎn)條件，建立模型大小為140 m×2 m×100 m（長×寬×高），上部施加均布荷載7.5 MPa，模型其他面進行位移約束。建立模型如圖1，頂?shù)装甯鲗拥奈锢砹W(xué)參數(shù)見表1。

圖1 模型圖

表1 頂?shù)装甯鲗游锢砹W(xué)參數(shù)

2.2 切頂卸壓護巷技術(shù)的數(shù)值模擬

首先探究一下不同煤柱寬度下巷道圍巖變形特性，設(shè)置兩種工況：20 m和40 m的煤柱寬度。圖2為20 m煤柱寬度未切頂條件下圍巖移近圖。由圖可知兩幫最大變形量分別為149 mm、163 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?75 mm和34 mm。圖3為20 m煤柱寬度切頂條件下圍巖移近圖。由圖可知，兩幫最大變形量分別為112 mm、131 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?47 mm和31 mm。由此可知，在切頂卸壓條件下，相比于未切頂時兩幫移進量減少22%，巷道上下板之間變形減小近13%。從模擬結(jié)果可以得知，相比于不采用任何措施，采用了該技術(shù)可以阻隔支承壓力，進而減小圍巖所承受的壓力。

圖2 20 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量

圖3 20 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量

圖4為40 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量，圖5為40 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量。由圖5可知，在未切頂條件下兩幫最大變形量分別為113 mm、95 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?10 mm和30 mm；在切頂條件下兩幫最大變形量分別為60 mm、61 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?2 mm和19 mm。由此可知，在切頂卸壓條件下，相比于未切頂時兩幫移進量減少42%，頂?shù)装逡七M量減少42%。

圖4 40 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量

圖5 40 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量

3 切頂卸壓工程應(yīng)用

結(jié)合礦井實際情況，在工作面皮帶順槽超前工作面100 m處布置測站，共7個測點（孔深不一致），安裝應(yīng)力傳感器，參數(shù)見表2。測孔孔徑4.2 mm，與底板相距1.5 m。具體布置圖如圖6。

圖6 測點布置圖

表2 測點布置參數(shù)表

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的搜集與整理，得各測點的超前支承壓力，將其繪制于二維坐標(biāo)軸得散點圖如圖7。由圖7散點趨勢可知，隨著工作面的開挖，測點所測得的超前支承壓力越來越明顯。

圖7 超前支承壓力散點圖

1號測點距離工作面73.5 m時，其支承壓力為7.55 MPa，約等于γH，之后支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.5 m時達到最大值為15.9 MPa，之后數(shù)值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數(shù)值為4.14 MPa。

2號測點距離工作面72.9 m時，其支承壓力為7.13 MPa，之后支承壓力開始緩慢增大，在距工作面10.2 m時達到最大值為16.8 MPa，之后數(shù)值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數(shù)值為3.3 MPa。

6號測點距離工作面70.4 m時，其支承壓力為7.55 MPa，約等于γH，之后支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.5 m時達到最大值為15.9 MPa，之后數(shù)值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數(shù)值為4.14 MPa。

7號測點距離工作面71.6 m時，支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.7 m時達到最大值為18.1 MPa，在距工作面距離為1 m時數(shù)值為4.82 MPa。

綜上，結(jié)果表明：各測點測得支撐壓力的峰值集中在9.5～10.2 m之間，影響范圍約為71.6～73.5 m；超前支承壓力的最大值在工作面前10 m左右出現(xiàn)，工作面超前支承壓力最大會影響工作面73 m左右的距離。

4 結(jié)論

以山西華苑煤業(yè)10202工作面為研究對象，對切頂卸壓護巷可行性進行了數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論為：

（1）20 m煤柱和40 m煤柱兩種工況下，切頂卸壓相比于未切頂時兩幫移近量分別減少22%、42%，頂?shù)装逡平糠謩e減少13%、42%，可見采用切頂卸壓技術(shù)可以隔斷支承壓力，減小圍巖應(yīng)力。

（2）利用應(yīng)力傳感器進行監(jiān)測，將所得數(shù)據(jù)進行分析可知：超前支承壓力的最大值出現(xiàn)在工作面前約10 m左右，其影響范圍約為73 m，支承壓力最大值出現(xiàn)在工作面9.5 m前的位置，某種程度上可表明采區(qū)大巷在70 m停采線煤柱下仍然在經(jīng)受采動的影響。