杜家溝礦2105工作面一次采全高切頂卸壓技術(shù)研究

侯藝超

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝礦有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 概述

隨著礦井開(kāi)采年限和采掘深度的不斷增加，煤層覆存較為簡(jiǎn)單的煤層儲(chǔ)量逐步減少，現(xiàn)階段我國(guó)煤礦開(kāi)采的重點(diǎn)逐步向著深部煤層轉(zhuǎn)移。在進(jìn)行深部煤層開(kāi)采時(shí)，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(hù)難度及支護(hù)成本均較高。對(duì)于留煤柱開(kāi)采礦井，由于巷道變形嚴(yán)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(guò)巷旁充填的手段，保留原回采巷道為下個(gè)區(qū)段開(kāi)采做準(zhǔn)備，但傳統(tǒng)的研究均圍繞巷旁支護(hù)，較少對(duì)頂板的傳力結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[1]。因此本文以杜家溝礦2-105工作面為研究背景，提出一次采全高工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，為礦井安全高效開(kāi)采提供一定的參考。

2 礦井概況及支護(hù)技術(shù)研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3km，井田面積9.89km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60×104t/a，主要開(kāi)采山西組2#煤層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，所含煤層平均厚度3.99m。2-105工作面是2#煤層綜采工作面，整個(gè)綜采面呈現(xiàn)長(zhǎng)方形布置，回采工作面傾斜長(zhǎng)度為175m，采用走向長(zhǎng)壁后退式一次全高機(jī)械化采煤法，在2-105工作面進(jìn)行切頂，留巷長(zhǎng)度設(shè)定為500m，留巷后服務(wù)于下個(gè)工作面。

2-105工作面巷道為梯形斷面，巷道掘進(jìn)凈寬為5m，掘進(jìn)斷面面積為16m，頂板采用金屬網(wǎng)、螺紋錨桿支護(hù)，螺紋錨桿規(guī)格為?18mm×1800mm，間排距為1000mm×1000mm，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(jìn)行支護(hù)，樹(shù)脂錨桿規(guī)格為?16mm×1600mm，間排距為1000mm×800mm。為保證切頂過(guò)程巷道的穩(wěn)定性，在對(duì)巷道進(jìn)行切頂卸壓前利用恒阻錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，選定恒阻錨索長(zhǎng)度大于爆破高度2m，錨索的錨固端位于巖性較為穩(wěn)定巖層中，選定的錨索長(zhǎng)度為12m。恒阻錨索分別布置在距切縫鉆孔400mm的位置，排距1000mm，錨索間使用3000mm×300mm×5mm的W型鋼帶進(jìn)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2000mm[2]。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)切頂卸壓參數(shù)進(jìn)行研究，選定數(shù)值模擬軟件FLAC-3D進(jìn)行模擬，首先進(jìn)行模型的建立，模型的長(zhǎng)寬高分別為160m×100m×1m，對(duì)模型進(jìn)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12MPa，分別對(duì)不同切頂高度下的巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，選定切頂高度分別為8m、12m、16m和20m，分別對(duì)頂板垂直變形量進(jìn)行分析[3]，不同切頂高度下巷道頂板變形曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，頂板的下沉量隨巷道寬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在巷道中間部位出現(xiàn)頂板下沉量的最大值。當(dāng)巷道未進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，此時(shí)的巷道頂板下沉量最大值為181mm，經(jīng)過(guò)切頂卸壓后頂板的下沉量有了較大幅度的降低，當(dāng)切頂高度為8m時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量為138mm，當(dāng)切頂高度為12m時(shí)，此時(shí)頂板下沉量為132mm，切頂高度16m和20m的頂板下沉量分別為118mm和114mm，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(shì)，但降低的趨勢(shì)并非線性，切頂高度16m和20m時(shí)，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16m[4]。

圖1 不同切頂高度下巷道頂板變形曲線

選定切頂高度16m后，對(duì)不同切頂角度下的巷道圍巖變形情況進(jìn)行研究，選定切頂角度為0°、15°、30°進(jìn)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

由圖2所示可以看出，當(dāng)巷道未進(jìn)行切頂時(shí)，此時(shí)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(dāng)切頂角度為30°時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)為2.6，當(dāng)巷道切頂角度為15°時(shí)，此時(shí)IDE巷道應(yīng)力集中系數(shù)為2.3，當(dāng)切頂角度為0°時(shí)，此時(shí)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(shì)，當(dāng)切頂角度為0°時(shí)，此時(shí)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(shí)巷道頂板的下沉量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，切頂角度30°、15°、0°下巷道的頂板下沉量分別為133mm、131mm、121mm，綜合分析可以確定最佳的切頂卸壓角度為0°，此時(shí)巷道的應(yīng)力集中系數(shù)及巷道頂板下沉量均為最小值[5]。

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

從圖3可以看出，隨著工作面回采不斷推進(jìn)，此時(shí)巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，測(cè)站10#、11#、12#頂?shù)装逡平畲蠓謩e為70mm、74mm、69mm，此時(shí)巷道的兩幫最大移近量分別為59mm、84mm、67mm，巷道的頂?shù)装?、兩幫平均移近量分別為71mm、70mm，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50m外的范圍內(nèi)，巷道的掘進(jìn)造成圍巖位移變形增幅不明顯，此時(shí)測(cè)站10#、11#、12#頂?shù)装逡平糠謩e為19mm、23mm、15mm，巷道平均移近量為19mm，兩幫平均最大移近量為12.7mm。當(dāng)超前工作面50m至工作面后方120m內(nèi)為采動(dòng)影響區(qū)，此時(shí)巷道圍巖趨于穩(wěn)定，當(dāng)超前工作面50m范圍內(nèi)為超前影響區(qū)，此時(shí)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0～120m范圍內(nèi)，此時(shí)巷道頂?shù)装寮皟蓭推骄平糠謩e為58.7mm、54.3mm，對(duì)比掘進(jìn)可以看出頂?shù)装寮皟蓭鸵平糠謩e增加了39.7mm、41.6mm，增加的位移量較小，巷道穩(wěn)定性得到保證。

圖3 巷道變形曲線

4 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(shì)，當(dāng)切頂高度為16m時(shí)最佳，此時(shí)的巷道下沉量118mm。

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

（3）對(duì)切頂卸壓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)隨著工作面回采不斷推進(jìn)，此時(shí)巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，巷道變形得到有效控制。