薛虎溝礦切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)研究

張志剛

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，運(yùn)城 河津 043300）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)煤炭資源的利用率也在逐步增長(zhǎng)，使得煤礦開(kāi)采強(qiáng)度增大，煤層的開(kāi)采逐步向著深部煤層轉(zhuǎn)移。由于開(kāi)采深度較大，使得巷道的穩(wěn)定性降低，所以在進(jìn)行深部煤層開(kāi)采時(shí)我國(guó)大部分礦山選用留煤柱護(hù)巷，導(dǎo)致煤炭資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重，同時(shí)留設(shè)煤柱寬度較大時(shí)極易造成應(yīng)力集中，使得礦井安全受到一定的威脅[1-2]。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者提出沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，李向陽(yáng)[3]以馬蘭礦為研究背景,對(duì)切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)能夠有效降低巷道頂板周期來(lái)壓強(qiáng)度降低煤炭自燃概率的效果、降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?。崔?rùn)彪[4]為了提升礦井開(kāi)采效率，降低開(kāi)采成本，介紹了某礦切頂卸壓留巷過(guò)程中的參數(shù)設(shè)計(jì)，并分析了切頂卸壓的施工過(guò)程。本文以薛虎溝礦1209工作面為研究背景，對(duì)切頂卸壓留煤柱開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究，為礦山安全開(kāi)采提供一定的參考。

1 理論分析

薛虎溝礦位于山西省河津市下化鄉(xiāng)陳家?guī)X村北，年產(chǎn)90萬(wàn)t，主要開(kāi)采煤層為2號(hào)、10號(hào)煤層，該礦開(kāi)拓方式為斜井、立井聯(lián)合開(kāi)拓。2-112工作面位于礦井二采區(qū)左翼，該工作面為南五采區(qū)的第3個(gè)工作面，主采煤層為2號(hào)煤層，厚度約為2.08 m，煤層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造，近水平煤層，傾角約為5°，具備了大斷面一次成巷的地質(zhì)條件。2-111工作面長(zhǎng)度為216 m，切眼斷面面積為15.6 m2，斷面寬6.0 m、高2.6 m。預(yù)計(jì)在2-112工作沿著2-111采空區(qū)采用小煤柱沿空留巷。

切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)是在沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，在回采工作面前方通過(guò)定向爆破進(jìn)行頂板的預(yù)裂，將預(yù)裂頂板下放，釋放頂板壓力，同時(shí)碎落的巖塊由于碎漲性填充采空區(qū)，使得覆巖得到一定的支撐，實(shí)現(xiàn)降低巷道頂板壓力，維護(hù)巷道穩(wěn)定的目的。碎落的頂板巖塊形成新的巷幫，保留的巷道為下個(gè)工作面服務(wù)，形成一面一巷，有效降低成巷的成本，降低礦山的成本。沿空留巷懸臂梁的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為如圖1所示。

圖1 沿空留巷懸臂梁簡(jiǎn)化力學(xué)模型

如圖1中：q為覆巖均布載荷，kN；p（x）為支柱反力，kN；T為懸臂梁的厚度，m；LR為留巷的寬度，m；Lo為斷裂懸臂梁長(zhǎng)度，m；L為懸臂梁長(zhǎng)度，m。

通過(guò)分析可知在切頂位置需要的支護(hù)阻力Pn可以有如下表達(dá)式：

式中：W為頂板界面模量；[σ]為頂板極限抗拉強(qiáng)度；Mp為支柱反力距；M為頂板載荷力矩。

當(dāng)滿(mǎn)足公式（1）條件時(shí)，此時(shí)堅(jiān)硬頂板將在支護(hù)處發(fā)生斷裂。對(duì)切頂卸壓覆巖垮落帶進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)薛虎溝礦12號(hào)煤覆巖的巖性組成，覆巖主要有細(xì)粒砂巖、粉砂巖等組成，所以確定為中硬巖性，確定覆巖最大垮落帶的高度如下所示：

式中：M為頂板載荷的力矩，N·m；Hm為最大垮落帶高度，m；工作面的導(dǎo)水帶計(jì)算公式表示如下：

式中：Hl為導(dǎo)水裂隙帶高度，m。

2 數(shù)值模擬分析

為了對(duì)切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行深入研究，對(duì)切頂卸壓參數(shù)進(jìn)行分析，選定切頂卸壓高度作為分析變量，對(duì)切頂卸壓高度為4 m、6 m和8 m時(shí)巷道圍巖的變形情況及受力特征進(jìn)行研究，首先對(duì)模型進(jìn)行建立。根據(jù)薛虎溝礦實(shí)際地質(zhì)情況建立模型長(zhǎng)寬高分別為285 m、5 m、114 m，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，固定模型四面的X、Y、Z三向位移，在模型的上端部施加覆巖的均布載荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算均布載荷為10 MPa，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)模型進(jìn)行各層巖性的設(shè)置。完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖2為不同切頂高度下巷道垂直應(yīng)力分布云圖。

圖2 不同切頂高度下巷道垂直應(yīng)力分布云圖

如圖2可以看出，當(dāng)切頂卸壓高度為4 m時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖的應(yīng)力集中出現(xiàn)在煤幫的左側(cè)，應(yīng)力最大值為36.3 MPa，巷幫的側(cè)應(yīng)力集中范圍位于巷幫對(duì)側(cè)距離約為3.8 m，應(yīng)力集中區(qū)域位置太近，不利于巷道的維護(hù)，造成留巷巷幫的位移量太大，可能造成留巷的失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)切頂高度為6 m時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖的應(yīng)力集中區(qū)域距離煤幫左側(cè)的位置有了大幅度增大，約為14.5 m，同時(shí)應(yīng)力峰值為35.9 MPa，此時(shí)由于應(yīng)力集中范圍距離留巷距離較遠(yuǎn)，所以對(duì)于留巷十分有利。當(dāng)切頂高度增大為8 m時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中范圍距離煤幫左側(cè)約為15.3 m，此時(shí)的應(yīng)力峰值約為35.3 MPa，此時(shí)對(duì)于留巷也較有利。同時(shí)對(duì)比三種切頂高度下的巷道圍巖應(yīng)力峰值可以看出，當(dāng)切頂高度為4 m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值最大，切頂高度6 m次之，切頂高度8 m時(shí)應(yīng)力峰值最小。對(duì)比三種切頂高度下應(yīng)力集中方位距離煤幫左側(cè)的距離可以看出，切頂高度為6 m和8 m時(shí)，兩者距離相差不大，且均有利于留巷，考慮到施工的經(jīng)濟(jì)成本，所以最為合適的切頂卸壓高度為6 m。

對(duì)切頂卸壓沿空留巷進(jìn)行施工，具體施工步驟：對(duì)工作面巷道進(jìn)行施工；對(duì)巷道工作面頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂施工；在巷道內(nèi)布置礦壓監(jiān)控系統(tǒng)；進(jìn)行工作面回采；對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破；巷道老頂斷裂下沉，成巷；對(duì)沿空留巷進(jìn)行錨桿錨索支護(hù)；對(duì)巷道進(jìn)行防火等安全措施的處理。完成切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱施工后對(duì)巷道穩(wěn)定性進(jìn)行日常的監(jiān)測(cè)，選定切頂卸壓高度后對(duì)巷道的圍巖變形及受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)巷道頂板的下沉量、底板的底鼓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道監(jiān)測(cè)斷面布置圖如3所示。

如圖3所示，每50 m的距離設(shè)置一組測(cè)點(diǎn)，每組布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為頂板的C點(diǎn)、兩幫變形量監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B和底板的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D，位移監(jiān)測(cè)計(jì)選定為ZW-4型位移計(jì)，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖的變形量均符合規(guī)定要求，切頂效果較佳。

圖3 巷道監(jiān)測(cè)斷面布置圖

3 結(jié)論

1）本文通過(guò)理論分析對(duì)切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采巷道的應(yīng)力特征進(jìn)行研究，給出了成巷的原理。

2）利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件給出了切頂卸壓模型建立的過(guò)程，并對(duì)不同切頂卸壓高度下圍巖垂直方向受力情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著切頂卸壓高度的增大，巷道圍巖的應(yīng)力峰值降低，且在切頂高度為6 m時(shí)切頂效果最佳。

3）給出了切頂卸壓沿空留巷的施工過(guò)程并對(duì)成巷進(jìn)行變形量監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的可行性。