麥捷150505 綜放工作面回采巷道切頂卸壓分析

賀龍

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)，山西 晉中 045400）

1 概 況

麥捷煤業(yè)位于壽陽縣城北解愁鄉(xiāng)榮家溝村東，井田主要含煤地層為山西組、太原組，煤層自上而下編號為1、2、3、4、5、6、8、9、12、13、15號共11 層煤，含可采煤層5 層，分別為6、8、9、12、15 號煤層。目前正在開采的15 號煤層，位于太原組下部，直接頂為K2 灰?guī)r，上距12 號煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤層厚度3.32～8.80 m，平均6.10 m，多含1 層夾石，局部含2 層夾石，偶含4～5 層夾石；煤層純煤厚度3.32～7.10 m，平均5.63 m，屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。

但長期以來，麥捷煤業(yè)工作面之間都留設(shè)30 m 煤柱，加之礦井地質(zhì)構(gòu)造等特殊條件的影響，存在煤炭采出率低、工作面回采巷道變形嚴(yán)重、維護(hù)工程量大等問題。按照推廣應(yīng)用?。o）煤柱開采技術(shù)的要求，現(xiàn)計劃在麥捷煤業(yè)150507 工作面實施小煤柱沿空掘巷開采技術(shù)，確保該技術(shù)能順利實施的關(guān)鍵因素之一就是切頂卸壓技術(shù)。

為保證150505 工作面在初采期間采空區(qū)基本頂能夠及時垮落，確保初采期間安全開采，在150505 皮帶順槽和切眼順槽進(jìn)行切頂卸壓。

2 切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)原理

切頂卸壓護(hù)巷主要思想是在工作面回采前，采用相應(yīng)技術(shù)手段在巷道上方靠近采空區(qū)一側(cè)切縫，阻斷采空區(qū)的支承壓力向巷道傳遞，如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)原理Fig.1 Technical principle of roof cutting pressure relief roadway

3 切頂卸壓數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)150505 工作面地質(zhì)條件，通過FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，如圖2 所示，模型尺寸為500 m×190 m，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。在頂部施加6.4 MPa 的垂直應(yīng)力，模擬上覆巖層自重。根據(jù)麥捷煤業(yè)的具體地層情況對巖層賦予物理力學(xué)參數(shù)。分別模擬不同切頂高度條件下采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布情況，為合理的切頂高度選取提供參考依據(jù)。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 不切頂

不切頂條件下垂直應(yīng)力分布如圖3 所示。在150505 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承壓力呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區(qū)煤壁14 m、30 m 位置分別出現(xiàn)第一次應(yīng)力峰值（21.83 MPa）、第二次應(yīng)力峰值（23.61 MPa）。結(jié)合該礦地質(zhì)條件，15 號煤層原巖應(yīng)力約12 MPa，可以計算出第一次、第二次峰值處的應(yīng)力系數(shù)為1.82、1.97。

圖3 不切頂條件下巷道垂直應(yīng)力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution of roadway without roof cutting

3.2.2 切頂高度5.3 m

根據(jù)麥捷煤業(yè)麥-6 號鉆孔柱狀圖顯示，15 號煤層上方依次為1.49 m 厚的K2石灰?guī)r、1.9 m 厚的泥巖、1.85 m 厚的K2上石灰?guī)r、2.4 m 厚的砂質(zhì)泥巖和9.35 m 厚的粉砂巖。先按照切斷K2上石灰?guī)r層位進(jìn)行模擬研究，即按照切頂高度5.3 m 進(jìn)行模擬。此時工作面在回采結(jié)束至穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力分布如圖4 所示，切頂和不切頂?shù)膫?cè)向支承壓力對比如圖5 所示。

從圖4 和圖5 可以看出，按照高度5.3 m 切頂，在150505 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承壓力仍然是呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區(qū)煤壁14 m、30 m 位置分別出現(xiàn)第一次應(yīng)力峰值（22.14 MPa）、第二次應(yīng)力峰值（24.13 MPa），應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.85、2.01；在距150505 采空區(qū)煤壁邊緣約3.0 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)中的垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力水平。

圖4 切頂高度5.3 m時的垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution cloud chart at 5.3 m top cutting height

圖5 切頂和不切頂?shù)膫?cè)向支承壓力對比Fig.5 Comparison of lateral support pressure between cut and uncut roofs

與不切頂時相比，切頂5.3 m 后側(cè)向支承壓力峰值位置、應(yīng)力降低區(qū)范圍基本未發(fā)生變化，只是峰值大小有微小的增加。說明切斷K2上石灰?guī)r層位未能起到切頂卸壓的作用。

3.2.3 切頂高度17 m

根據(jù)上述情況，按照切斷粉砂巖層位進(jìn)行模擬研究，即認(rèn)為切頂高度為17 m 時煤層堅硬頂板被完全切斷，此時工作面在回采結(jié)束至穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力分布如圖6 所示，不同切頂高度時的側(cè)向支承壓力對比如圖7 所示。

(2)以車廂內(nèi)溫度的溫度差、電池荷電情況以及整車負(fù)載的電流大小等數(shù)據(jù)為參考，通過智能控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制以及車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，調(diào)節(jié)執(zhí)行器、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)門開度以及壓縮機(jī)的輸出功率，監(jiān)測車輛的運(yùn)行狀態(tài)，充分實現(xiàn)空調(diào)控制系統(tǒng)的智能化以及人機(jī)交換系統(tǒng)的構(gòu)建。

從圖6 和圖7 可以看出，切頂高度為17 m 時，在150505 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承壓力仍然是呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區(qū)煤壁16 m、35 m 位置分別出現(xiàn)第一次應(yīng)力峰值（17.88 MPa）、第二次應(yīng)力峰值（20.34 MPa），應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.49、1.7；在距150505 采空區(qū)煤壁邊緣約4.0 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)中的垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力水平。

圖6 切頂高度17m時的垂直應(yīng)力分布云圖Fig.6 The nephogram of vertical stress distribution at 17 m top-cutting height

圖7 不同切頂高度時的側(cè)向支承壓力對比Fig.7 Comparison of lateral abutment pressure at different cutting heights

根據(jù)不同切頂高度時的側(cè)向支承壓力對比曲線圖可以看出，切頂高度為17 m 時側(cè)向支承壓力峰值明顯降低，且峰值位置均向深部轉(zhuǎn)移，第一次峰值不再明顯。與不切頂、切頂高度5.3 m 時相比，第一次側(cè)向支承壓力峰值位置向深部轉(zhuǎn)移了2 m，第二次向支承壓力峰值位置向深部轉(zhuǎn)移了5m，壓力峰值大小降低了3～4 MPa。因此，切頂高度為17 m（切斷粉砂巖層位）時，煤層堅硬頂板被完全切斷，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減弱，應(yīng)力環(huán)境大幅改善，對改善小煤柱巷道周邊的應(yīng)力環(huán)境具有顯著作用。

4 切頂卸壓方案

超前切頂卸壓方案主要包括爆破鉆孔參數(shù)設(shè)計和鉆孔裝藥及封孔結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4.1 爆破鉆孔參數(shù)

爆破鉆孔布置及傾角如圖8 所示。

圖8 爆破鉆孔布置及傾角示意圖Fig.8 Blasting borehole layout and inclination diagram

4.1.1 鉆孔位置

鉆孔位置即鉆孔開孔處與巷道煤柱側(cè)巷幫的距離。結(jié)合150505 皮帶順槽設(shè)備管路布置情況及鉆機(jī)設(shè)備等實際情況，爆破鉆孔與煤柱幫距離為300 mm，且保證一次爆破的鉆孔在一條直線上。

4.1.2 鉆孔傾角

鉆孔傾角α 是巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角，傾角β 是巷道斷面圖中鉆孔與豎直方向的夾角。結(jié)合150505 皮帶順槽頂板基本頂厚度及鉆機(jī)的施工情況，確定鉆孔傾角α 向工作面后方傾斜，α=75°，β=85°，即在巷道中線剖面圖中，鉆孔向采空區(qū)方向偏轉(zhuǎn)時最大不超過15°。

4.1.3 鉆孔深度

預(yù)裂切縫鉆孔參數(shù)的確定必須結(jié)合工作面圍巖條件，并要確保通過預(yù)裂爆破能把巷道和煤柱上方的基本頂完全切斷。結(jié)合現(xiàn)場實際鉆孔深度取18 m。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，深孔爆破時封孔長度不低于孔深的1/3，即封孔長度至少6 m。麥捷煤業(yè)15 號煤層直接頂為K2石灰?guī)r，深孔爆破后則對K2石灰?guī)r的影響較小，因此，應(yīng)采取深淺孔結(jié)合的方式進(jìn)行切頂卸壓。所以，考慮到深孔封孔長度為6 m，則淺孔深度選擇為7 m。

4.1.4 鉆孔直徑和鉆孔間距

根據(jù)麥捷煤業(yè)工作面頂板巖性情況，并結(jié)合相似條件下切頂卸壓爆破工程經(jīng)驗，暫時確定鉆孔間距1 000 mm，鉆孔直徑55～60 mm。

4.2 裝藥及封孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)爆破預(yù)裂切縫需要，結(jié)合麥捷煤業(yè)實際情況，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑35 mm，長200 mm，重200 g。定向切縫管用來控制巖層中裂縫的定向產(chǎn)生和形成，須在不耦合時才是可行的，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，不耦合系數(shù)K 的合理范圍為1.30＜K＜2.4，150505 皮帶順槽爆破預(yù)裂鉆孔直徑d=55～60 mm，礦用三級乳化炸藥直徑35 mm，因此不耦合系數(shù)K=1.57～1.71，符合要求。

裝藥段采用O 型聚能管作為載體進(jìn)行裝藥，為減小O 型聚能管連接次數(shù)，避免出現(xiàn)截割聚能管的情況，采用2 m 長、直徑48 mm 的O 型聚能管配合使用，裝藥結(jié)構(gòu)按照頂板巖層巖性分布情況合理分配，如圖9 所示。

圖9 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Chart of borehole charge structure

5 結(jié) 語

針對麥捷煤業(yè)回采過程中，工作面回采巷道變形嚴(yán)重、維護(hù)工程量大等問題，決定對150507 工作面進(jìn)行了切頂卸壓。經(jīng)過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，在切頂高度超過17 m 后，回采巷道的應(yīng)力明顯降低，并設(shè)計了爆破切頂?shù)氖┕し桨福瑸閳杂岔敯迩许斝秹涸O(shè)計提供一定的參考。