山東宏陽礦業(yè)沿空留巷切頂卸壓開采關(guān)鍵參數(shù)研究

杜現(xiàn)持 郭利鵬

（山東宏陽礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272400）

沿空留巷是指在順槽采空區(qū)尾巷主幫側(cè)采用高強度支護材料支撐頂板，將順槽保留下來，作為下一個綜采工作面的回采順槽。沿空留巷開采可將以往一面兩巷一煤柱開采模式調(diào)整為一面一巷無煤柱開采，減少了一條巷道的掘進作業(yè)工作量，節(jié)約了煤炭資源，延長了礦井的服務(wù)年限。該沿空留巷開采技術(shù)降低職工勞動強度，提升安全系數(shù)，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，提高工時工效，是實現(xiàn)安全、高效、綠色、創(chuàng)新開采的新路徑，同時沿空留巷工業(yè)試驗的實施是對現(xiàn)有采煤工藝的一項重大變革。

山東宏陽礦業(yè)目前多以煤柱、薄煤層工作面為主，萬噸掘進率高，采掘關(guān)系緊張。為緩解這種局面，以“找煤增量、提質(zhì)增效、精采細采”為出發(fā)點，進行優(yōu)化施工方案、減少開掘工程量、降低生產(chǎn)投入研究。針對12103 綜采工作面運輸巷實施“預(yù)裂爆破切頂卸壓自動成巷”沿空留巷工藝+柔?；炷林ёo，留巷作為下一工作面的回采巷道使用。在12103 工作面運輸順槽推進至120 m 時巷道發(fā)生嚴(yán)重變形，兩幫移近量大，頂板下沉及底鼓問題嚴(yán)重，留巷必須經(jīng)過清底、清幫后才能在下次使用，留巷效果不佳。為有效實施該留巷技術(shù)，在借鑒沿空留巷成功經(jīng)驗和做法的基礎(chǔ)上[1-4]，采用理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗相結(jié)合方法對留巷切頂卸壓開采關(guān)鍵參數(shù)切頂高度、切頂角度、切頂鉆孔間距對切頂留巷影響進行研究并對關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[5-9]，確定最優(yōu)參數(shù)，使安全系數(shù)更高、成巷效果更為理想，提高留巷效果。

1 概況

山東宏陽礦業(yè)位于山東省濟寧市嘉祥縣老僧堂鎮(zhèn)，距離嘉祥縣城15 km。井田范圍內(nèi)全區(qū)含可采及局部可采煤層共4 層，主要開采6、12、16、17煤層，煤炭資源儲量8 871.1 萬t，可采資源儲量3 665.2 萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力45 萬t/a。采用立井開拓方式，主井井筒深度486 m，裝備一對4 t 多繩箕斗提升。井底車場水平標(biāo)高-435 m，布置4 個綜采工作面，為一礦一面綜合機械化高產(chǎn)高效礦井，并配套建設(shè)年洗煤60 萬t 的洗煤廠。區(qū)內(nèi)各煤層瓦斯含量較低，屬低瓦斯礦井，水文地質(zhì)類型復(fù)雜，自然發(fā)火傾向性：Ⅲ類不易自燃，煤塵爆炸性指數(shù)44.4%。井田內(nèi)各煤層除天然焦外均為氣煤，各可采煤層煤質(zhì)屬低中灰、中高硫、特低磷、高發(fā)熱量、黏結(jié)性能好的氣煤，可作動力用煤，也可作為氣化用煤，工業(yè)用途極其廣泛。

12103 工作面位于12 煤一采區(qū)，東為12105 工作面，西為12102 工作面，北為-435 東翼軌道大巷。工作面切眼長246 m，走向長度1833 m，12 煤厚度0.95～2.98 m，平均2.05 m，煤層傾角2°～10°，平均7°。12103 工作面頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性情況

12103 工作面運輸順槽巷道斷面寬度5100 mm、高度3600 mm，采用高強度大尺寸柔模混凝土墻為巷旁支撐（巷旁支護寬度1000 mm，高度3506 mm），混凝土強度等級C30。為了控制墻體的橫向變形，在墻體內(nèi)預(yù)置錨栓。12103 工作面運輸順槽沿空留巷平面圖如圖1。

圖1 12103 工作面運輸順槽沿空留巷平面圖（mm）

2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)理論分析

為保障12103 工作面運輸順槽施工質(zhì)量和安全，狠抓現(xiàn)場安全確認(rèn)及敲幫問頂工作，周密做好打鉆、爆破、切頂、支護等工作。在原巷道基本支護的基礎(chǔ)上，再配合超前支護，加打錨桿、注漿錨索等，提高了支護強度，有效防止了巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃巍５钱?dāng)12103 工作面運輸順槽推進至120 m時巷道仍然發(fā)生嚴(yán)重變形、兩幫移近量巨大等問題，留巷效果不佳。為確保爆破切頂卸壓效果，在精確計算炮孔深度和間距等基礎(chǔ)上，對切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)進行理論分析并優(yōu)化，確保了沿空留巷達到預(yù)期效果。

2.1 切頂高度計算

切頂卸壓是采用爆破預(yù)裂措施實施切割頂板卸壓、支撐基本頂、隔斷老塘，留巷形成下一工作面回采巷道，有效控制成巷頂板穩(wěn)定性。切頂卸壓措施將頂板長懸臂梁有效轉(zhuǎn)變?yōu)槎虘冶哿?，可以達到對頂板應(yīng)力傳遞路徑的切斷，大幅度降低回采動壓對留巷影響。切頂高度要大于冒落在采空區(qū)的垮落高度，垮落的矸石經(jīng)膨脹后可填滿采空區(qū)，對頂板形成有效支撐。在切頂卸壓實施過程中切頂高度大小必須合適，如切頂高度設(shè)計過小時無法對頂板關(guān)鍵層進行有效切斷，頂板應(yīng)力仍然能通過頂板長懸臂梁對留巷進行影響；如切頂高度設(shè)計過大時，則會大幅提高現(xiàn)場工作量，開采成本增加。

切頂卸壓切頂高度可按照公式（1）計算：

式中：hf為切頂高度，m；hc為工作面采高，取5.9 m；h1為頂板下沉高度，取0 m；h2為底板底鼓高度，取0 m；K為頂板巖層冒落巖石的初始碎脹系數(shù)，取1.3。不考慮頂板下沉及底板底鼓因素，計算可得hf切頂高度為19.6 m，結(jié)合實際中局部區(qū)域采高大于5.9 m 的情況，確定12103 工作面運輸順槽切頂高度為20 m。

2.2 切頂角度分析

切頂角度對礦壓顯現(xiàn)有一定的影響，切頂角度影響采空區(qū)頂板在垮落中對切頂短臂結(jié)構(gòu)的動態(tài)下墜力及穩(wěn)定后對切頂短臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)支撐力。確定合理的預(yù)裂切頂角度是實施精準(zhǔn)切頂卸壓的關(guān)鍵因素之一，切頂角度不同會導(dǎo)致覆巖垮落形態(tài)及煤柱應(yīng)力大小有較大差異。在切頂卸壓實施過程中切頂角度大小必須合適，如切頂角度設(shè)計過小時則切縫處結(jié)構(gòu)面摩擦力過大，上層頂板垮落效果不佳，無法有效切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑；切頂角度設(shè)計過大時，形成頂板長懸臂，破壞下方充填體。根據(jù)理論分析及12103 工作面的現(xiàn)場實際，切頂角度取20°以內(nèi)較為合理。

2.3 切頂鉆孔間距分析

切頂鉆孔間距是實施精準(zhǔn)切頂卸壓的另一關(guān)鍵因素，切頂孔間距主要根據(jù)爆破能量、頂板巖性等確定。在條形藥包爆破作用機理理論下，采用不耦合裝藥爆破裂隙圈半徑計算公式可計算得到RP為458 mm。設(shè)計采用孔間距500 mm、700 mm、900 mm、1100 mm 四種方案進行爆破切頂卸壓試驗。爆破后的鉆孔窺視結(jié)果表明：切頂鉆孔間距為500 mm 和700 mm 時，爆破孔已實現(xiàn)完全貫通，并伴隨有塌孔現(xiàn)象；切頂鉆孔間距為900 mm 時，形成的爆破切縫非常明顯，孔壁保留完整，爆破孔貫通性非常理想；切頂鉆孔間距為1100 mm 時，形成的爆破切縫非常不明顯，爆破孔貫通性變差。分析爆破試驗，根據(jù)初期爆破現(xiàn)場試驗，通過在爆破孔間鉆孔窺視頂板裂紋情況，切頂鉆孔間距采用900 mm時較為合理，爆破孔貫通性理想，切縫較為明顯。

3 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)12103 工作面工程地質(zhì)條件，利用UDEC軟件建立計算模型，選用庫倫-摩爾模型，利用屈服準(zhǔn)則來模擬應(yīng)力和位移變化。模型根據(jù)巖性不同，分層建立不同巖層，巖層之間建立節(jié)理面，能較好地反映巖層的塑性變形特性。模型尺寸寬×高=220 m×118 m，對模型頂部表面施加11.8 MPa 垂直載荷，其余邊界固定約束。如圖2。

模型中運輸順槽尺寸寬×高=5100 mm×3600 mm，順槽沿煤層頂板留巷掘進，沿空留巷巷旁充填體（柔膜混凝土）寬度1500 mm，最終留巷尺寸寬×高=3600 mm×3600 mm。通過設(shè)定不同的切頂高度、切頂角度，來觀察模擬留巷效果。

3.2 切頂高度對比分析

在確定切頂角度一致（0°）的條件下，選取不同的切頂高度（0 m、12.8 m、18.4 m、21.8 m、26.3 m）進行模擬試驗，得到不同切頂高度下工作面推進時的應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：切頂高度為0 m 時，頂板懸臂較長，沒有切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑，頂板來壓后側(cè)向支承應(yīng)力對巷道影響非常大；當(dāng)切頂高度12.8 m 時，切縫上方出現(xiàn)懸臂角，頂板來壓破斷后存在有部分懸臂情況，頂板應(yīng)力傳遞路徑部分切斷但仍存有應(yīng)力傳遞現(xiàn)象；當(dāng)切頂高度18.4 m時，頂板來壓后頂板應(yīng)力傳遞路徑明顯切斷，但出現(xiàn)有較大的空隙區(qū)間，影響留巷后期穩(wěn)定性；當(dāng)切頂高度為21.8 m、26.3 m 時，兩者情況下應(yīng)力區(qū)明顯切斷，空隙區(qū)間較合理，此時垮落的巖層經(jīng)膨脹后可有效填滿采空區(qū)，對頂板形成有效支撐，可有效滿足卸壓要求，但切頂高度為26.3 m 時切縫頂部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜上，切頂高度21.8 m較為合理。

對5 種不同切頂高度下充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量進行模擬，結(jié)果如圖3。分析表明：5種不同切頂高度下（0 m、12.8 m、18.4 m、21.8 m、26.3 m）充填體頂板垂直應(yīng)力分別為22.5 MPa、20.7 MPa、20.4 MPa、19.7 MPa、19.75 MPa，頂板下沉量分別為1774 mm、999 mm、902 mm、700 mm、713 mm，充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量均表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)切頂高度為21.8 m 時，充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量均達到最小值，繼續(xù)增加切頂高度充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量無明顯變化。綜上，切頂卸壓作業(yè)切頂高度21.8 m 為最優(yōu)。

3.3 切頂角度對比分析

在確定切頂高度一致（21.8 m）的條件下，選取不同的切頂角度（0°、5°、10°、15°、20°）進行模擬試驗，得到模擬工作面推進時的應(yīng)力云圖數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：切頂角度0°、5°時，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力均發(fā)生明顯斷開，切頂效果較好；切頂角度10°時，留巷頂板應(yīng)力區(qū)明顯增大，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力部分連接，切頂效果一般；切頂角度15°、20°時，因懸臂較長，留巷頂板和采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力已實現(xiàn)完全連接，切頂效果較差，切頂卸壓無作用。

對5 種不同切頂角度下充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量進行模擬，如圖4。

分析表明：5 種切頂角度下（0°、5°、10°、15°、20°）充填體頂板垂直應(yīng)力分別為19.7 MPa、20.2 MPa、21.45 MPa、22.1 MPa、22.45 MPa，頂 板下沉量分別為700 mm、829 mm、1199 mm、1465 mm、1653 mm，充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量均表現(xiàn)為不斷增大趨勢。當(dāng)切頂高度為0°時，充填體頂板垂直應(yīng)力及頂板下沉量均達到最小值，但0°時的切縫處摩擦力較大，施工有難度。基于現(xiàn)場施工便利及有助于切落塊體的滑落，切頂卸壓作業(yè)切頂角度5°時為最優(yōu)。

4 工業(yè)性試驗及應(yīng)用效果

12103 工作面運輸順槽實施沿空留巷，在以往支護狀態(tài)下工作面留巷推進至120 m 后巷道發(fā)生嚴(yán)重變形，巷道兩幫移近量巨大，頂板下沉及底鼓問題嚴(yán)重，頂板下沉量、底鼓量分別達到1790 mm、490 mm 左右。留巷巷道在下次使用前須進行清底、清幫整修才能正常使用。

針對12103 工作面運輸順槽沿空留巷推進中出現(xiàn)的問題，對留巷巷道頂板實施爆破切頂卸壓技術(shù)，并對切頂卸壓開采關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，確定了切頂高度設(shè)計為21.8 m，切頂角度設(shè)計為5°，切頂鉆孔間距采用900 mm。后期，對12103 工作面運輸順槽實施頂板切頂卸壓采用優(yōu)化后的關(guān)鍵參數(shù)，并對支護方式進行相應(yīng)優(yōu)化。對沿空留巷進行了礦壓觀測，結(jié)果顯示：切頂卸壓后，巷道兩幫移近量減小，頂板下沉量、底鼓量分別減小至650 mm、180 mm左右，頂板下沉與底鼓問題得到了改善，留巷巷道在下次使用前無需整修即可正常使用。

5 結(jié)論

為最大限度回收煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，山東宏陽礦業(yè)在12103 工作面采用“切頂卸壓自成巷”技術(shù)開采，對沿空留巷推進中出現(xiàn)的問題，對留巷巷道頂板實施爆破切頂卸壓技術(shù)，理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗結(jié)合方法對切頂卸壓開采關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，確定了切頂高度設(shè)計為21.8 m，切頂角度設(shè)計為5°，切頂鉆孔間距采用900 mm，成功實現(xiàn)留巷450 m，留巷巷道在下次使用前無需整修即可正常使用，實現(xiàn)了無煤柱綠色高效開采的改革跨步。沿空留巷的成功實施，可以有效減少留設(shè)煤柱造成的資源浪費，使優(yōu)質(zhì)煤炭資源得到合理利用，進一步減少巷道掘進及返修工程量，簡化工作面端頭維護工作量，降低工人勞動強度，為促進礦井可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，真正實現(xiàn)了科技出效益，為礦井實現(xiàn)降本增效、轉(zhuǎn)型發(fā)展起到了積極作用。