凌志達煤礦15218 工作面切頂卸壓與圍巖控制技術(shù)研究

栗鵬飛

（山西凌志達煤業(yè)有限公司，山西 長治 046606）

我國井工煤礦開采過程中，為了避免相鄰工作面回采過程中造成相互擾動，在工作面間往往留設較大的護巷煤柱，這樣造成了嚴重的煤柱資源損失[1-3]。同時，針對堅硬頂板而言，受采動應力影響，會使煤柱處于高應力擾動區(qū)，導致巷道變形嚴重，對工作面巷圍巖控制造成了極大難度，也給工作面安全高效回采帶來了風險隱患[4-6]。部分研究表明，對厚硬頂板條件，在合理留設小煤柱前提下，實施切頂卸壓方法，能夠控制圍巖變形，進而保證工作面的回采安全[7-8]。在這方面研究中，金凱強提出了堅硬頂板“深孔+淺孔”組合方式的定向爆破切頂卸壓方法與沿空巷道綜合一體化支護技術(shù)，頂板下沉量降低53%，底鼓量降低41%，兩幫移近量降低57%，實現(xiàn)了沿空巷道變形的有效控制[9]；陳寧提出將切頂卸壓留巷技術(shù)應用到8103 運輸巷留巷中，通過布置恒阻錨索并結(jié)合W 鋼帶對頂板進行補強支護，達到降低頂板下沉量目的，頂板及巷幫變形控制在100 mm、38 mm 以內(nèi)，取得較好留巷效果[10]；張權(quán)為了解決工作面初采期間堅硬頂板垮落困難的難題，提出8208工作面初采深孔預裂爆破方案，通過優(yōu)化爆破參數(shù)，有效縮短8208 工作面初次來壓步距和來壓強度，確保8208 工作面初采安全[11]。王輝等指出切頂可以有效減小留巷頂板懸臂長度，實現(xiàn)卸壓保護巷道的目的，切頂高度和切頂角度都存在一個合理的取值范圍，并非越大越好[12]。本文以凌志達煤礦15218 工作面為工程背景，在對合理煤柱尺寸進行理論研究基礎上，確定了合理的切頂卸壓參數(shù)及其方法，以保證沿空巷道的穩(wěn)定，實現(xiàn)工作面安全高效開采。

1 工程概況

15218 工作面主采15#煤層，煤層平均厚4.22 m，傾角4°～10°。煤層頂板為6.78 m 厚的K2 灰?guī)r，f=14～16，屬于典型的厚硬頂板條件；底板主要為泥巖和細粒砂巖。工作面采用綜采技術(shù)。15218 工作面北側(cè)為15220 工作面，南側(cè)為15216 工作面采空區(qū)，巷道斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.0 m。工作面布置情況見圖1。以往的工作面中間留設20 m煤柱，資源浪費嚴重。為此，研究堅硬頂板條件下15218工作面小煤柱切頂卸壓方法與圍巖控制技術(shù)，對實現(xiàn)工作面安全高效回采至關(guān)重要。

圖1 工作面位置關(guān)系圖

2 工作面煤柱留設寬度確定

合理煤柱寬度的確定需要綜合其煤柱本身的承載能力，過大的煤柱尺寸導致大量煤炭損失，過小的煤柱尺寸不能滿足有效支撐要求，需要合理確定煤柱留設尺寸。小煤柱寬度B理論計算式如下[13]：

式中：X1為采空區(qū)側(cè)煤體塑性區(qū)寬度，m；X2為煤柱幫錨索有效長度，5.0 m；X3為煤柱有效承載厚度，m。

其中X1確定方法如下：

式中：M為采高，4.22 m；A為側(cè)壓系數(shù)，0.35；C為內(nèi)聚力，4.5 MPa；φ為內(nèi)摩擦角，30°；K為應力集中系數(shù)，2.5；H為煤層埋深，550 m；Pz為支架阻力，0.55 MPa；γ為容重，21 kN/m3。

將數(shù)據(jù)帶入公式（2）得，X1=1.84 m，煤柱有效承載厚度X3=（0.15～0.3）（X1+X2），將數(shù)據(jù)帶入公式（1）得，B=7.9～8.9 m。

根據(jù)理論分析，小煤柱的合理寬度應在7.9～8.9 m 范圍內(nèi)。因此，根據(jù)理論計算結(jié)果，初步確定15218 回采工作面小煤柱留設寬度為9 m。

3 切頂參數(shù)確定數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型構(gòu)建

切頂高度與切頂角度是影響切頂卸壓效果的主要參數(shù)，為得到合理切頂參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值軟件對厚硬頂板切頂參數(shù)的合理值進行分析。數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=250 m×250 m×150 m，模型底部及四周進行位移約束，上部施加載荷等效上覆巖層自重，巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體力學參數(shù)

3.2 數(shù)值結(jié)果分析

1）切頂高度模擬結(jié)果

在留設9 m 厚小煤柱條件下，對切頂高度分別為8 m、9 m 與10 m 時進行分析。不同切頂高度下的巷道應力及位移變化情況如圖2。隨著切頂高度的增加，巷道煤柱幫應力及頂板位移呈現(xiàn)降低趨勢。當切頂高度為8 m 時，巷道煤柱內(nèi)存在明顯的應力集中區(qū)，應力峰值為41.2 MPa，巷道頂板垂直位移為288 mm，頂板下沉量較大，說明這一切頂高度不利于巷道的穩(wěn)定；當切頂高度為9 m 時，煤柱內(nèi)應力峰值為39.8 MPa，垂直應力降低明顯，此時巷道頂板垂直位移為232 mm，頂板下沉得到有效控制，在一定程度上保證了巷道的穩(wěn)定。值得注意的是，當切頂高度由8 m 增加至9 m 時，巷道應力及位移整體下降趨勢顯著；當切頂高度由9 m 增加至10 m時，巷道應力及位移下降趨勢較緩慢，整體變化較小。說明當切頂高度為9 m 時，變形已趨于穩(wěn)定，此時頂板垂直位移為232 mm。綜合鉆孔施工成本考慮，確定合理切頂高度為9 m。

圖2 不同切頂高度模擬結(jié)果

2）切頂角度模擬結(jié)果

在9 m 切頂高度下，選取切頂角度分別為10°、15°與20°進行分析。不同切頂角度下的巷道應力及位移變化情況如圖3。隨著切頂角度的增加，巷道煤柱幫應力及頂板位移呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，表明較大的切頂角度并不能產(chǎn)生較好的切頂效果。當切頂角度為10°時，巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為41.3 MPa，巷道頂板最大垂直位移為277 mm，巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量較大，說明這一切頂高度不利于巷道的穩(wěn)定；當切頂角度為15°時，巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為38.6 MPa，巷道頂板最大垂直位移為235 mm，巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量下降明顯，巷道變形得到了一定控制；當切頂角度為20°時，巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為39.5 MPa，巷道頂板最大垂直位移為268 mm，巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量再一次顯著增加，不利于巷道的穩(wěn)定。對比分析可見，切頂角度15°時巷道所受應力及位移整體較小，由此確定合理切頂角度為15°。

圖3 不同切頂角度模擬結(jié)果

4 切頂卸壓巷道圍巖控制方法

4.1 爆破切頂技術(shù)方案

當工作面頂板屬于堅硬頂板條件時，如果不能確保頂板順利垮落，頂板所承受的應力將持續(xù)施加在巷道煤柱側(cè)及回采幫側(cè)，巷道頂板及兩幫圍巖在高應力作用下將發(fā)生嚴重變形。通過對工作面堅硬頂板適時實施切頂卸壓，通過定向預裂爆破方式將工作面頂板與巷道頂板分隔，切斷頂板應力傳遞路線，在合理范圍內(nèi)確保巷道頂板的穩(wěn)定性，這是切頂卸壓的內(nèi)涵所在。如果頂板無法順利垮落，高應力會沿著頂板作用于巷道幫側(cè)，導致的最終結(jié)果就是使相鄰工作面巷道變形嚴重。以切頂卸壓為核心的原理在于將工作面頂板與巷道頂板有效分離，切斷或減弱巷道上覆頂板壓力傳遞。

通過合理優(yōu)化切頂卸壓參數(shù)，采用雙向聚能爆破預裂方法，是達到最佳切頂卸壓效果的重要保證。該爆破預裂方法首先采取特定的裝藥方式，將藥卷填充在聚能裝置中，作用在于進行爆破作業(yè)后，預裂孔周圍圍巖可以承受均勻壓力，利用巖石本身受壓不受拉的特點使裂縫按照要求形成，聚能裝置也可以對圍巖形成一定的保護作用，降低爆破擾動對圍巖的損傷程度。該爆破方法施工方便，有效減少炸藥單耗，使巖石在爆破作用下產(chǎn)生集中應力，保證預裂炮孔能夠沿著聚能方向順利擊穿，產(chǎn)生較好的預裂面，實現(xiàn)對巷道頂板的有效保護。

4.2 切頂卸壓方法

15#煤層基本頂為灰?guī)r，巖性堅硬，結(jié)合礦山實際，采用乳化炸藥規(guī)格為Φ35 mm×200 mm/卷。單個切縫卸壓爆破孔裝藥量按下式確定：

式中：W為單孔裝藥量，kg；L為切縫孔深，取9 m；μ為裝藥系數(shù)，取0.8；ρ為裝藥密度，取0.3 kg/（孔·m）。

將數(shù)據(jù)帶入公式（3），計算得單孔裝藥量為2.16 kg/孔。為便于裝藥、保證爆破效果，采用聚能管直徑為42 mm，長度為1.5 m，爆破孔口采用炮泥封孔。采用逐孔裝藥爆破方式，在預裂鉆孔內(nèi)布置4 根聚能管，布置順序即由里到外分別是1.5 m、1.5 m、1.5 m、1.5 m，裝藥方式為“4+3+3+2”，裝藥方式見圖4。

圖4 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖

為防止吹孔，炮孔的封泥長度不小于3 m（若切頂預裂爆破出現(xiàn)瞎炮，封泥可試用紅膠泥:黃土:水=6:3:1；若切頂后留下部分炮窩，建議掛網(wǎng)噴漿修復）。由于切頂孔的深度會遇地質(zhì)變化，故切頂時必須根據(jù)地質(zhì)變化確保切斷基本頂。

4.3 巷道支護方法

1）頂板支護

巷道頂板采用“錨桿+金屬網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護。頂錨桿參數(shù)為Ф20 mm×2400 mm，每排布置5根，間排距為1200 mm×1400 mm，靠近巷幫的頂板錨桿與頂板成15°角，距幫部300 mm；巷道頂部鋪設Ф2.6 mm 勾花菱形鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×10 000 mm，網(wǎng)片搭接長度為100 mm，用16#鐵絲每200 mm 綁扎一道。頂錨索參數(shù)為Ф17.8 mm×5300 mm，每排1 根錨索，排距1600 mm，錨索預緊力不低于180 kN。錨索須采取防斷射措施，防止錨索崩斷傷人及損壞設備。

2）兩幫支護

兩幫采用“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”聯(lián)合支護?；夭蓭湾^桿參數(shù)為Ф20 mm×2000 mm，每排4 根錨桿，間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿與巷幫垂直布置。在打設錨桿區(qū)域布置兩道縱筋，縱筋間距150 mm，鋼帶壓網(wǎng)；煤柱幫每排補打兩根Ф17.8 mm×4500 mm 錨索，間排距為1600 mm×2000 mm；巷道幫部采用鐵絲網(wǎng)鋪設，鋪設Ф2.6 mm 勾花菱形鐵絲網(wǎng)，用16#鐵絲每200 mm 綁扎一道。巷道加強支護斷面如圖5。

圖5 巷道加強支護斷面圖

5 工程實踐效果

針對15218 工作面厚硬頂板實施留設小煤柱切頂卸壓及圍巖控制技術(shù)后，可多回收11 m 寬區(qū)段護巷煤柱，延長了礦井服務年限。方案實施前后巷道圍巖變形情況監(jiān)測結(jié)果如圖6。方案實施前，巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量446 mm，兩幫移近量523 mm；方案實施后，巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為221 mm，兩幫移近量為228 mm。與實施前相比，頂板下沉量降低了50.4%，兩幫移近量降低了56.4%，沿空巷道頂板變形得到了有效控制。

圖6 巷道變形監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)論

1）通過理論分析，確定15218 工作面合理煤柱留設寬度應在7.9～8.9 m 范圍內(nèi)，考慮巷道有效維護與煤柱資源高效回收因素，確定合理煤柱尺寸為9 m。

2）通過數(shù)值模擬分析，當切頂高度由9 m 增加至10 m 時，巷道應力及位移下降趨勢較緩慢，表明巷道變形趨于穩(wěn)定；當切頂角度為15°時，巷道所受應力及位移整體較小，由此確定合理切頂高度與角度分別為9 m 與15°。

3）研究提出了以“4+3+3+2”裝藥方式為主的聚能爆破切頂卸壓方法，結(jié)合“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”支護方法，可保證堅硬頂板巷道的穩(wěn)定。

4）針對堅硬頂板條件提出的小煤柱切頂卸壓與圍巖控制技術(shù)，通過礦山現(xiàn)場實際應用，頂板下沉量減小了50.4%，巷道兩幫變形量減小了56.4%，巷道變形得到了有效控制。