堅硬頂板爆破切頂巷道支護穩(wěn)定性研究

李強強

（山西樓俊集團泰業(yè)煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

我國能源儲量十分豐富，但分布較為不均，整體處于富煤、少油、貧氣的格局。據(jù)統(tǒng)計在我國一次能源消耗占比中，煤炭資源占據(jù)絕對位置。當前我國提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力發(fā)展清潔能源如風能、水能、太陽能等，但考慮到我國清潔能源仍處于發(fā)展階段，且能源需求量及人口面積等問題嚴重，所以在未來很長一段時間，煤炭資源的領導地位不會發(fā)生改變。在我國礦井開采過程中，堅硬頂板問題一直制約著礦井的開采，堅硬頂板問題是指巷道頂板為堅硬巖層，使得其極難發(fā)生垮落，會形成大面積的懸頂[1，2]，大面積的懸頂一旦垮落形成大的沖擊地壓，威脅礦井的生產(chǎn)，同時大面積的懸頂會造成巷道變形及煤柱尺寸增大等問題，降低礦井的生產(chǎn)效益，所以對堅硬頂板進行治理是礦井重要的工作[3，4]。目前對堅硬頂板的治理主要是爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓等，本文以泰業(yè)煤業(yè)為研究背景，對爆破切頂卸壓進行研究，利用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實踐驗證了爆破切頂卸壓的可行性，為礦井堅硬頂板治理提供一定的參考與借鑒。

1 背景及數(shù)值模擬研究

山西樓俊集團泰業(yè)煤業(yè)有限公司位于臨縣縣城南的三交鎮(zhèn)田家山村一帶，距臨縣縣城直距約25.5 km。地理坐標為東經(jīng)110°56′07″—110°59′17″，北緯37°41′18″—37°43′36″。井田西南與臨縣勝利煤焦有限責任公司相鄰，東北與山西東江煤業(yè)集團有限公司相鄰，南與西山亞辰煤業(yè)有限公司、山西煤炭運銷集團錦瑞煤業(yè)有限公司相鄰。目前主采5 號煤，煤層厚度2.75～3.97 m，平均3.30 m，一般含1 層夾矸，局部含2 層夾矸或不含夾矸，夾矸厚度為0.08～0.22 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采。頂板巖性為石灰?guī)r，局部為粉砂巖；底板巖性為砂質(zhì)泥巖、細砂巖、泥巖及粉砂巖。

首先對不同鉆孔深度下巷道煤柱及圍巖變形情況進行分析，確定不同切頂高度下巷道圍巖變形情況，從而得出最佳的切頂高度。利用數(shù)值模擬軟件UDEC 進行研究，確立模型為二維模型，尺寸為316 m×53 m，模型選定摩爾-庫倫模型為本構(gòu)模型，在上端部施加垂直均布荷載12 MPa，固定模型左右及下部的位移。對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分直接影響模擬的計算時間及模擬計算精度，所以在充分考慮后適當粗化分網(wǎng)格單元，盡量加快模擬計算的速度，網(wǎng)格劃分后對模型的物理參數(shù)進行設定，完成模型的建立。

對切頂高度對巷道圍巖變形情況進行研究，選定切頂卸壓高度為6 m、8 m、10 m 和12 m 時研究巷道圍巖的變形情況，分析不同切頂高度下圍巖的變形情況，從而給出最佳的切頂卸壓高度。不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線

從圖1 可以看出，隨著切頂高度的增加，巷道頂板的下沉量及底板變形量都呈現(xiàn)快速減小的趨勢。當巷道切頂高度為4 m 時，此時巷道的頂板及底板變形量分別為410 mm 和272 mm，而當切頂高度為16 m時，此時的巷道頂板及底板變形量分別為274 mm 和216 mm，巷道左右?guī)偷淖冃瘟侩S著切頂高度的增大呈現(xiàn)不同的趨勢，右?guī)统尸F(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，而右?guī)妥冃瘟砍尸F(xiàn)逐步降低的趨勢，在切頂高度為12 m 時，此時的巷道左右?guī)鸵平窟_到最小值，最小值為452 mm，所以綜合分析后確定最佳的切頂高度為12 m，此時的巷道兩幫移近量為452 mm，而頂板底板移近量為544 mm。

2 工業(yè)化試驗

對切頂卸壓技術進行工業(yè)化實踐，首先進行鉆孔布置，鉆孔與回采幫的距離設定為200 mm，角度為30°（與豎直方向夾角），鉆孔深度為12 m，鉆孔的直徑為60 mm，鉆孔的布置間距為600 mm。炸藥選用礦用三級乳化炸藥，炸藥參數(shù)為Φ32 mm×200 mm，完成裝藥后對鉆孔進行封堵。

完成鉆孔布置后對切頂效果進行監(jiān)測，在軌道順槽內(nèi)施工窺視縫，監(jiān)測巷道圍巖的變形情況。在順槽內(nèi)50 m 位置布置一個測站，在測站內(nèi)分別布置頂板離層監(jiān)測儀，巷道表面位移監(jiān)測儀，用于監(jiān)測巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭偷淖冃吻闆r。同時利用鉆孔窺視儀對鉆孔效果進窺視，用于確定鉆孔效果，窺視儀實物圖如2 所示。

圖2 窺視儀實物圖

對頂板進行支護，錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的高強度無縱肋左旋螺紋錨桿，錨桿強度為HRB335。錨桿間排距設定為900 mm×900 mm，每排6 根，在巷道左右肩部位錨桿與垂線呈15°布置，剩余錨桿全部垂直布置。錨桿采用高強度弧形托盤支撐，托盤的規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤拱高36 mm，配備高強度錨桿螺母，同生死配有尼龍墊圈和調(diào)心球墊。錨桿采用MSK2335 和MSZ2360 錨固劑進行錨固，預緊力大于300 N·m。錨索采用Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 800 mm。

網(wǎng)片采用10 號鋼絲網(wǎng)進行支護，網(wǎng)片規(guī)格為5 600 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔為40 mm×40 mm，頂網(wǎng)間采用16 號鐵絲進行三扣連接，扭結(jié)數(shù)不得少于3圈。梯子梁采用Φ16 mm 圓鋼。具體支護斷面圖如3所示。

圖3 支護斷面圖（mm）

對切頂卸壓后的巷道圍巖變形情況進行監(jiān)測，將測站監(jiān)測數(shù)據(jù)進行繪制，給出巷道兩幫及巷道頂?shù)装遄冃吻€，巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭鸵平壳€如圖4 所示。

圖4 巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭鸵平壳€

從圖4 可以看出，經(jīng)過切頂卸壓后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平烤尸F(xiàn)隨工作面距離增加逐步增大的趨勢。在滯后工作面80 m 時，此時的巷道頂板及底板移近量變化趨勢較大，巷道頂板及底板的變形大部分來源此階段，而在滯后工作面80 m 以后，巷道圍巖的變形隨逐步增大，但增大的趨勢呈現(xiàn)逐步減弱。巷道頂板及底板最大變形量分別為321 mm和62 mm，頂?shù)装逡平繛?83 mm。兩幫移近量的變化趨勢與頂?shù)装遄兓厔蓊愃?，兩幫移近量的最大值?16 mm。綜合來看巷道經(jīng)過切頂卸壓后巷道圍巖的變形情況有了明顯的改觀，巷道圍巖的穩(wěn)定性有了較大的提升，整個切頂卸壓效果較為成功。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件，對切頂高度對巷道圍巖變形的影響進行研究，發(fā)現(xiàn)最佳的切頂高度為12 m，此時的巷道兩幫移近量為452 mm，而頂板底板移近量為544 mm，整體圍巖變形量最小。

2）對切頂卸壓技術進行工業(yè)化實踐，給出了切頂卸壓的施工方案、巷道支護方案及圍巖變形監(jiān)測方案。

3）經(jīng)過切頂卸壓后，巷道頂?shù)装逡平繛?83 mm，兩幫移近量的最大值為116 mm，經(jīng)過切頂卸壓后巷道圍巖的變形情況有了明顯的改觀，整個切頂卸壓效果較為成功。