曙光煤礦切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術(shù)研究

張海斌

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000）

1 工程概況

曙光煤礦1226 綜采工作面主采2#煤層，煤層厚度平均為2.7 m。直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度9.5 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度5.7 m；直接底為粉砂巖，平均厚度1.2 m；基本底為含砂泥巖，平均厚度為3.8 m。1226 綜采工作面推進(jìn)長度為1562 m，沿傾向長度為180.5 m，沿頂?shù)装甯蠲?，不留頂?shù)酌?，平均采高?.85 m。為盡可能提高2#煤層回采率，決定在1226 工作面運輸順槽實施切頂留巷，留巷段長度共計1562 m。

2 切頂卸壓開采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工藝流程

切頂卸壓無煤柱開采主要分為以下幾個工藝流程[1-4]：（1）工作面回采前，在巷道頂板采用恒阻大變形錨索進(jìn)行補強(qiáng)支護(hù)；（2）工作面回采時，在巷幫頂板超前工作面一定距離，打孔深入巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破；（3）工作面回采后，采用單體支柱臨時支護(hù)，維持巷道穩(wěn)定性；（4）待留巷段形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)后，逐一回收單體支柱。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

（1）切頂高度

預(yù)裂爆破切縫至頂板水平面的垂直距離即為切頂高度，合理的切頂高度可以順利切斷頂板與采空區(qū)的應(yīng)力傳遞，并使得垮落后的矸石充滿采空區(qū)，有效支撐頂板。

預(yù)裂切頂高度的確定方式如下：

式中：ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；k為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

根據(jù)工作面頂板巖性，取k值為1.4，在不考慮頂?shù)装遄冃瘟康那闆r下，按工作面平均采高2.7 m計算得H縫=6.8 m?？紤]一定富余系數(shù)，切頂高度H縫設(shè)計為7.5 m。

結(jié)合礦井煤層賦存條件，采用FLAC3D建立數(shù)值計算模型，模型尺寸為：長×寬×高=300 m×150 m×80 m，模擬工作面開挖后6 m、9 m、12 m 三種不同切頂高度下的巷道圍巖垂直應(yīng)力及位移分布。模擬結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 不同切頂高度下垂直應(yīng)力分布云圖

圖2 不同切頂高度下垂直位移分布云圖

通過圖1、圖2 對比分析可得出以下結(jié)論：

① 預(yù)裂縫切頂對頂板的卸壓效果明顯。切頂高度為6 m 時，巷道頂板的垂直應(yīng)力最大為30.6 MPa，頂板最大垂直位移為519 mm；切頂高度為9 m 時，巷道頂板的垂直應(yīng)力最大為24.8 MPa，頂板最大垂直位移為461 mm；切頂高度為12 m 時，巷道頂板的垂直應(yīng)力最大為25.8 MPa，頂板最大垂直位移為611 mm。

② 6 m、9 m、12 m 三種切頂高度下，巷道實體煤柱幫內(nèi)側(cè)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力峰值分別為31.4 MPa、26.7 MPa、27.1 MPa。表明在一定范圍內(nèi)，切頂高度的增加可以降低巷道煤柱幫的應(yīng)力集中程度，若繼續(xù)增加切頂高度，應(yīng)力集中峰值又會增大。

③ 6 m、9 m、12 m 三種切頂高度下，巷道頂板的最大垂直位移呈先減小后增大的趨勢，切頂高度為9 m 時的垂直位移最小。

④ 綜合對比分析可知，切頂高度為9 m 時，巷道的變形程度和卸壓效果都優(yōu)于其他切頂高度。

（2）切頂角度

巷道頂板切縫需帶有一定的角度，若角度太大，則不利于采空區(qū)側(cè)頂板的垮落，無法形成留巷；若切頂角度太小，巷道的穩(wěn)定性又較弱，變形不易控制。

巷道切頂后頂板上方巖層力學(xué)簡化模型如圖3，在巷旁支護(hù)阻力及水平應(yīng)力的作用下，巷道上方巖塊A 與采空區(qū)側(cè)上方巖塊B 形成鉸接結(jié)構(gòu)。

圖3 巖塊鉸接平衡力學(xué)模型

鉸接巖塊形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的條件為：

式中：T為巖塊間的水平推力，kN；R為巖塊B 上覆載荷，kN；F為巷旁切頂單體支柱工作阻力，kN；h為切頂高度，m；φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°）；α為切頂角度，（°）；ρ為巷道上方覆巖密度，kg/m3；d為巷道寬度，m。

將1226 運輸巷各項實際參數(shù)代入上式，計算得出切頂角度θ在10°～15°時可保證巖塊B 順利切落的同時，巖塊A 保持穩(wěn)定。

結(jié)合煤層實際賦存條件分別建立了切頂角度為10°、15°、20°的FLAC3D數(shù)值計算模型，對比分析不同切頂角度下巷道的垂直應(yīng)力與垂直位移的分布情況。模擬結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 不同切頂角度下垂直應(yīng)力分布云圖

圖5 不同切頂角度下垂直位移分布云圖

① 由模擬結(jié)果可知，切頂角度為10°、15°、20°時，實體煤側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)域與巷幫的距離分別為9.5 m、10 m、9 m，距離均較遠(yuǎn)，采用切頂技術(shù)后，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移。10°、15°、20°切頂角度的最大垂直應(yīng)力依次為26.7 MPa、26.1 MPa、31.5 MPa，頂板最大垂直位移依次為507 mm、501 mm、563 mm。

② 綜上所述，切頂角度為20°時的切頂卸壓效果不理想，10°和15°切頂角度下的巷道垂直應(yīng)力及垂直位移分布情況相近。考慮現(xiàn)場條件及施工方法，確定出1226 綜采工作面運輸巷的合理切頂角度為15°。

3 工程應(yīng)用

3.1 切頂方案設(shè)計

（1）恒阻大變形錨索設(shè)計

由于煤層上方頂板沿推進(jìn)方向厚度分布不一，根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果對運輸巷頂板切縫進(jìn)行區(qū)域劃分，共分為2 個區(qū)域，其中靠近工作面端頭294 m范圍內(nèi)及距停采線718 m 范圍內(nèi)為A 區(qū)，孔深10 m，切頂高度9.5 m；B 區(qū)為運輸巷剩余部分，孔深11 m，切頂高度10.6 m。

為使恒阻錨索在留巷的過程中發(fā)揮較好的懸吊作用，設(shè)計恒阻錨索的長度分別為12.3 m（A 區(qū)）、13.3 m（B 區(qū)），施工時至少超前工作面100 m。

為保證支護(hù)強(qiáng)度，在運輸巷共補打2 列恒阻補強(qiáng)錨索，在距巷道主幫側(cè)500 mm 處施工第一列補強(qiáng)錨索，排距為1000 mm；在偏向主幫側(cè)距巷道中線200 mm 處施工第二列補強(qiáng)錨索，排距為2000 mm。

（2）巷道臨時支護(hù)

超前支護(hù)區(qū)（煤壁前方0～30 m），采用單體液壓支柱配Π 型梁進(jìn)行超前支護(hù)，在機(jī)巷內(nèi)采用一梁一柱進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)長度需大于30 m。若超前支護(hù)以外的巷道出現(xiàn)較大變形，可采用打點柱或架棚的方法進(jìn)行及時補強(qiáng)支護(hù)。

架后臨時支護(hù)區(qū)（架后0～200 m），主要采用ZLQ2826/22.5/38 型門式支架+ U 型鋼進(jìn)行支護(hù)?？缮炜sU 型鋼排距500 mm，上下兩節(jié)U 型鋼的搭接具有較好的伸縮性，U 型鋼長2.6 m（可根據(jù)巷道高度適當(dāng)調(diào)整），采用兩副卡纜連接，卡纜上下沿距U 型鋼搭接端頭各100 mm，搭接長度不少于1 m。36U 型鋼棚埋入底板以下超過300 mm，插入頂板超過140 mm。

3.2 應(yīng)用效果分析

實施該方案后，對巷道的切頂效果進(jìn)行觀測，巷道采空區(qū)側(cè)的頂板基本隨采隨落，未出現(xiàn)明顯的懸頂現(xiàn)象，垮落矸石基本可以充滿采空區(qū)，對上覆巖層起到支撐作用。在滯后工作面200 m 后的巷道變形速率較小，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，兩幫最大移近量為105 mm，滿足工作面正常安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

根據(jù)曙光煤礦1226 綜采工作面的工程地質(zhì)條件，結(jié)合切頂卸壓技術(shù)原理及數(shù)值模擬，確定出合理的切頂高度為10 m，切頂角度為15°。根據(jù)運輸巷頂板巖層的分布情況，將工作面劃分為A、B兩個分區(qū)，其恒阻大變形錨索長度分別為12.3 m（A區(qū)）和13.3 m（B 區(qū)），并對巷道超前段及架后段的臨時支護(hù)進(jìn)行了設(shè)計。由觀測結(jié)果可知，實施該技術(shù)后，留巷段頂?shù)装遄畲笠平繛?10 mm，兩幫最大移近量為105 mm，取得了良好的應(yīng)用效果。