綜采面運(yùn)輸順槽預(yù)裂切頂留巷技術(shù)應(yīng)用分析

魏 磊

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

神農(nóng)煤業(yè)隸屬山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)，地處晉城高平市。該礦主采15#煤層局部含一層夾矸，平均煤厚為4 m，煤層傾角2°～6°，頂板以K2灰?guī)r為主，底板以泥巖或粉砂巖主。15102 綜采工作面位于一采區(qū)南部，北部為15101 綜采工作面；南部未開采；東面80 m 為F1斷層；南部為實(shí)體煤；西部依次為一采區(qū)軌道大巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷，工作面采用“U”型布置方式。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

2 巷道支護(hù)

15102 工作面運(yùn)輸順槽巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板采用直徑20 mm、長度2.4 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨桿每排布置4 根，沿巷道中心線兩側(cè)對(duì)稱布置，兩側(cè)間距900 mm，中間位置間距1.8 m，錨桿全部垂直打設(shè)，允許5°誤差，排距均為0.9 m。鋼帶規(guī)格：Φ12-5-80-3 800 mm，托盤規(guī)格：120 mm×120 mm×10 mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用菱形網(wǎng)護(hù)頂,網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格3 000 mm×1 200 mm，網(wǎng)片搭接200 mm。每根錨桿配MSK-2335、MSZ-2360 型樹脂藥卷各一支。巷道中心線處布置一根錨索，排距為0.9 m，錨索索體直徑21.8 mm，長6.3 m。幫錨桿與頂板錨桿規(guī)格、型號(hào)相同，每排布置3 根，間距1 000 mm，中部一根沿水平方向垂直煤幫安裝，上部、下部一根向上方、下方分別偏角25°安裝。

巷道靠采空區(qū)一側(cè)采用恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)，錨索索體直徑21.8 mm，長8 000 mm；恒阻器直徑65 mm，長0.5 m，每間隔兩排錨桿布置一根，排距1.8 m。恒阻錨索距實(shí)體煤幫450 mm（同頂板錨桿），垂直頂板安裝，沿巷道長度方向采用W 鋼帶聯(lián)結(jié)恒阻錨索與錨桿，鋼帶長5.4 m，寬245 mm，恒阻錨索安裝時(shí)施加預(yù)應(yīng)力大于150 kN。

3 數(shù)值模擬分析

為確定留巷合理的預(yù)裂切頂參數(shù)，擬采用UDEC 離散元數(shù)值模擬軟件建立模型[1-2]，考慮模型的邊界效應(yīng)，依據(jù)工作面寬度150 m，模型沿工作面長度方向建立，設(shè)計(jì)模型長度為200 m，高度為60 m，巷道位于模型左側(cè)，距邊界20 m，采用矩形斷面，寬4.5 m，高2.2 m，模型上方考慮170 m的埋深，上覆巖層體積力取24 kN/m3，垂直應(yīng)力為4.08 MPa，數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

3.1 切頂高度

切頂留巷技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)包括預(yù)裂切頂?shù)拇怪备叨群徒嵌?，擬選擇切頂高度為5 m、7 m、9 m三種，切縫向工作面一側(cè)傾斜15°，通過數(shù)值模擬分析不同切頂高度條件下的覆巖破壞狀態(tài)及沿空巷道頂板下沉情況，巖層運(yùn)移垮落狀態(tài)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬結(jié)果

從圖2看，工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層與沿空巷道沿切縫處斷裂，說明預(yù)裂切頂位置即為沿空巷道頂板與采空區(qū)頂板斷裂的位置。切頂高度為5 m 時(shí)，采空區(qū)上覆巖層存在明顯的離層，冒落的矸石無法完全充填采空區(qū)，將導(dǎo)致上覆巖層逐漸下沉，沿空巷道頂板不斷回轉(zhuǎn)下沉，不利于巷道穩(wěn)定，此時(shí)巷道頂板下沉量為580 mm，頂板下沉量過大，切頂高度不合適； 切頂高度為7.0 m時(shí)，采空區(qū)完全被冒落的矸石填充，利于巷道頂板穩(wěn)定，頂板最大下沉量為220 mm，下沉量較小，切頂效果良好；切頂高度為9.0 m 時(shí)，采空區(qū)同樣無離層，但是巷道頂板下沉量較切頂高度為7.0 m時(shí)有所增加，頂板最大下沉量為300 mm，此時(shí)雖然采空區(qū)充填密實(shí)，但是沿空巷道頂板短懸臂的高度增大，導(dǎo)致巷道變形不減反增。綜上所述，確定切頂高度7.0 m 為佳。

3.2 切頂角度

參考相關(guān)研究成果[3-4]，設(shè)計(jì)切頂角度為0°、15°、30°三種方案，模擬得到不同切頂角度下采空區(qū)巖層垮落狀態(tài)及頂板下沉量如圖3所示。不同切頂角度條件下，沿空巷道頂板下沉狀態(tài)存在明顯差異，切頂角度為0°時(shí)，采空區(qū)切落的巖層與巷道上部懸挑巖層間存在較大的摩擦阻力，在巖層間鉸接作用下，使采空區(qū)頂板整體垮落困難，巷旁巖層未垮落完全，沿空巷道頂板下沉量達(dá)到1 100 mm，切頂效果較差；切頂角度15°時(shí)，很好地減弱了切縫處的鉸接作用，采空區(qū)頂板完全垮落，并對(duì)巷道頂板起到一定支撐作用，頂板最大下沉量為220 mm，切頂效果較理想；切頂角度30°時(shí)，同樣減弱了鉸接作用，但是頂板下沉量達(dá)510 mm，且采空區(qū)巖層與巷道短懸臂頂板出現(xiàn)孔隙，對(duì)巷道頂板支撐作用減弱，不利于巷道圍巖穩(wěn)定。綜上所述，當(dāng)切縫線向工作面傾斜15°時(shí)，能夠有效切斷采空區(qū)頂板與煤柱上覆巖體的連接，切頂效果較好，因此切頂角度15°為優(yōu)。

圖3 數(shù)值模擬分析

4 效果分析

為了保障頂板切落時(shí)沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性，抵擋碎裂矸石滾落巷道，設(shè)計(jì)采用DZ25-25/100型單體液壓支柱+π 型梁對(duì)沿空巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，一梁五柱，采空區(qū)側(cè)密集布置兩根，間距0.5 m，排距0.9 m。單體柱布置范圍：工作面前方30 m和后方100 m。頂板預(yù)裂爆破切縫采用特制的聚能管，管長1.5 m，聚能管規(guī)格：外徑42 mm（內(nèi)徑36 mm），乳化炸藥規(guī)格：Φ35 mm×200 mm，炮孔間距900 m，采用間隔爆破的方式；切頂鉆孔直徑46 mm，垂直深度7.0 m，向采空區(qū)偏斜15°。15102 運(yùn)輸順槽切頂及支護(hù)如圖4所示。

圖4 15102 運(yùn)輸順槽支護(hù)

采用礦壓觀測手段實(shí)時(shí)監(jiān)控巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓?，根?jù)巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)判定巷道圍巖的運(yùn)動(dòng)情況，分析圍巖是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，整理得到結(jié)果如圖5所示。巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S著與回采工作面距離的減小持續(xù)增大，直至測點(diǎn)與工作面平齊，頂?shù)装逡平繛?89 mm，兩幫移近量432 mm； 滯后工作面0～80 m 范圍內(nèi)，巷道表面位移平穩(wěn)增大，頂?shù)装逡平可?35 mm（增大46 mm），兩幫移近量升至530 mm（增大98 mm），距工作面超過80 m 后，巷道表面變形量基本不再增大。上述數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用取得了良好的效果。

圖5 巷道變形情況監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

根據(jù)神農(nóng)煤業(yè)15102 工作面運(yùn)輸順槽的地質(zhì)及開采技術(shù)條件，運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法確定最佳切頂高度為7.0 m，預(yù)裂切縫向采空區(qū)偏移最佳角度為15°；設(shè)計(jì)恒阻長錨索加固工藝，并確定臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)方案； 工作面后方留巷期間，15102運(yùn)輸順槽頂?shù)装逡平績H增大46 mm，兩幫移近量增大98 mm，最終頂?shù)装逡平?35 mm，兩幫

移近量530 mm，沿空巷道圍巖整體穩(wěn)定性較好；切頂卸壓自成巷技術(shù)應(yīng)用取得了較好效果。