自動化綜采工作面一次采全高切頂卸壓技術(shù)研究

索獻偉

（西山煤電集團有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原 030053）

引言

隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展，能源的需求量日漸增多，盡管我國現(xiàn)階段大力發(fā)展清潔能源產(chǎn)業(yè)，但由于風(fēng)能、水能、太陽能等清潔能源的產(chǎn)出較低，對于我國能源整體格局影響較小，所以煤炭仍是我國目前最為依仗的能源。隨著開采年限的不斷增加，覆存較為簡單的煤層儲量日益減少，現(xiàn)階段我國煤礦開采的重點逐步向著深部煤層轉(zhuǎn)移。在進行深部煤層開采時，由于埋深較大，使得巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，巷道圍巖變形較大，支護難度及支護成本均較高[1-2]。對于留煤柱開采礦井，由于巷道變形嚴重，煤柱留設(shè)尺寸增大，造成礦井出煤率降低，所以提出沿空留巷技術(shù)，通過巷旁充填的手段，保留原回采巷道為下個區(qū)段開采做準備[3-4]，但傳統(tǒng)的研究均圍繞巷旁支護，較少對頂板的傳力結(jié)構(gòu)進行研究，因此本文以杜兒坪礦為研究背景，提出一次采去搞工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，為礦井安全高效開采提供一定的參考。

1 背景及補強支護

杜兒坪礦位于呂梁山脈中麓、太原市以西20 km處的西山煤田中部，北通西銘（礦），西鄰東曲（礦），南接官地（礦）、白家莊（礦）杜兒坪礦井田面積63.1 km2，可采煤層8#、9#煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡單，所含煤層平均厚度分別為3.99 m、3.62 m。68307 工作面是8#煤層綜采工作面，整個綜采面呈現(xiàn)長方形布置，回采工作面傾斜長度為175 m，采用走向長壁后退式一次全高機械化采煤法，在68307 工作面進行切頂，留巷長度設(shè)定為500 m，留巷后服務(wù)于下個工作面。

68307 工作面巷道為梯形斷面，巷道掘進凈寬為5 m，掘進斷面面積為16 m，頂板采用金屬網(wǎng)、螺紋錨桿支護，螺紋錨桿規(guī)格為Φ18 mm×1 800 mm，間排距為1 000 mm×1 000 mm，頂板布置六排螺紋鋼錨桿；幫壁采用塑料網(wǎng)及數(shù)值錨桿進行在支護，樹脂錨桿規(guī)格為Φ16 mm×1 600 mm，間排距為1 000 mm×800 mm。為保證切頂過程巷道的穩(wěn)定性，在對巷道進行切頂卸壓前利用恒阻錨索進行補強支護，選定恒阻錨索長度大于爆破高度2 m，錨索的錨固端位于巖性較為穩(wěn)定巖層中，選定的錨索長度為12 m。恒阻錨索分別布置在距切縫鉆孔400 mm 的位置，排距1 000 mm，錨索間使用3 000 mm×300 mm×5 mm 的W 型鋼帶進行連接，另一組恒阻錨索沿巷道的中線布置，錨索布置排距為2 000 mm。

2 數(shù)值模擬及現(xiàn)場實踐

利用數(shù)值模擬軟件對切頂卸壓參數(shù)進行研究，選定數(shù)值模擬軟件FLAC-3D 進行模擬，首先進行模型的建立，模型的長寬高分別為160 m×100 m×1 m，對模型進行邊界條件設(shè)置，固定模型左右及下端部的位移，在模型的上端施加垂直均布荷載，荷載的大小為12 MPa，分別對不同切頂高度下的巷道圍巖變形情況進行分析，選定切頂高度分別為8 m、12 m、16 m 和20 m，分別對頂板垂直變形量進行分析，不同切頂高度下巷道頂板變形曲線，如第194 頁圖1 所示。

如圖1 所示，頂板的下沉量隨巷道寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在巷道中間部位出現(xiàn)頂板下沉量的最大值。當巷道未進行切頂卸壓時，此時的巷道頂板下沉量最大值為181 mm，經(jīng)過切頂卸壓后頂板的下沉量有了較大幅度的降低，當切頂高度為8 m時，此時的頂板下沉量為138 mm，當切頂高度為12 m 時，此時頂板下沉量為132 mm，切頂高度16 m和20 m 的頂板下沉量分別為118 mm 和114 mm，可以看出隨著切頂卸壓高度的增大，巷道頂板下沉量呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，但降低的趨勢并非線性，切頂高度16 m 和20 m 時，頂板下沉量變化相差不大，僅從巷道頂板下沉量的角度確定合理的切頂高度為16 m。

圖1 不同切頂高度下巷道頂板變形曲線

選定切頂高度16 m 后，對不同切頂角度下的巷道圍巖變形情況進行研究，選定切頂角度為0°、15°、30°進行模擬研究，不同切頂角度下巷道圍巖應(yīng)力集中系數(shù)及頂板下沉曲線，如圖2 所示。

圖2 不同切頂角度下巷道圍巖應(yīng)力集中系數(shù)及頂板下沉曲線

如圖2 所示可以看出，當巷道未進行切頂時，此時的應(yīng)力集中系數(shù)為3.7，而巷道切頂后的應(yīng)力集中系數(shù)有了明顯的降低，當切頂角度為30°時，此時的應(yīng)力集中系數(shù)為2.6，當巷道切頂角度為15°時，此時IDE 巷道應(yīng)力集中系數(shù)為2.3，當切頂角度為0°時，此時的應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，可以看出隨著切頂卸壓角度的減小，巷道應(yīng)力集中系數(shù)呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，當切頂角度為0°時，此時的巷道應(yīng)力集中系數(shù)最小。觀察不同切頂角度下巷道頂板下沉量曲線可以看出，隨著切頂角度的增大，此時巷道頂板的下沉量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，切頂角度30°、15°、0°下巷道的頂板下沉量分別為133mm、131 mm、121 mm，綜合分析可以確定最佳的切頂卸壓角度為0°，此時巷道的應(yīng)力集中系數(shù)及巷道頂板下沉量均為最小值。

確定切頂參數(shù)后進行現(xiàn)場試驗，切頂鉆孔沿著運輸巷走向進行布置，鉆孔直徑為52 mm，切頂高度為16 m，切頂角度為0°，采用d-450/01 聚能管進行爆破，聚能管與專用構(gòu)件連接，在聚能管端部安裝雷管，對孔口進行封閉，完成切頂卸壓操作后對進行爆破，觀察巷道礦壓顯現(xiàn)情況，在工作面布置10#、11#、12#測站，監(jiān)測巷道表面位移，巷道表面位移變形曲線，如圖3 所示。

圖3 巷道變形曲線

從圖3 可以看出，隨著工作面回采不斷推進，此時巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，測站10#、11#、12# 頂?shù)装逡平畲蠓謩e為70 mm、74 mm、69 mm，此時巷道的兩幫最大移近量分別為59 mm、84 mm、67 mm，巷道的頂?shù)装濉蓭推骄平糠謩e為71 mm、70 mm，巷道處于可控范圍，巷道圍巖變形控制較好。巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S著回采逐漸增大，在超前工作面50 m 外的范圍內(nèi)，巷道的掘進造成圍巖位移變形增幅不明顯，此時測站10#、11#、12# 頂?shù)装逡平糠謩e為19 mm、23 mm、15 mm，巷道平均移近量為19 mm，兩幫平均最大移近量為12.7 mm。當超前工作面50 m 至工作面后方120 m 內(nèi)為采動影響區(qū)，此時巷道圍巖趨于穩(wěn)定，當超前工作面50m 范圍內(nèi)為超前影響區(qū)，此時超前側(cè)向支承壓力使得巷道圍巖變形劇烈，滯后影響區(qū)為工作面后方0 m～120 m 范圍內(nèi)，此時巷道頂?shù)装寮皟蓭推骄平糠謩e為58.7 mm、54.3 mm，對比掘進可以看出頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e增加了39.7 mm、41.6 mm，增加的位移量較小，巷道穩(wěn)定性得到保證。

3 結(jié)論

1）隨著切頂高度的不斷增大，巷道頂板的下沉量隨巷道寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當切頂高度為16 m 時最佳，此時的巷道下沉量118 mm。

2）隨著切頂角度的增大，此時巷道頂板的下沉量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，同時巷道應(yīng)力集中系數(shù)逐步增大，當切頂角度為0°最佳時，應(yīng)力集中系數(shù)為1.6，頂板下沉量為121 mm。

3）對切頂卸壓進行現(xiàn)場實踐，發(fā)現(xiàn)隨著工作面回采不斷推進，此時巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，巷道變形得到有效控制。