官地礦堅硬頂板切頂沿空留巷圍巖控制技術

柳建琦

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030053）

0 引言

隨著開采深度的增大，此時整體煤巖體環(huán)境越來越復雜，這就造成開采難度增大，巷道處于高應力環(huán)境中，變形量急劇增加，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成了人員傷亡。堅硬頂板是指巷道頂板由巖性較為堅硬的巖層組成，據(jù)統(tǒng)計我國堅硬頂板煤層約占據(jù)總數(shù)的45%，堅硬頂板的存在使得頂板難落難落，形成大面積懸頂，懸頂一旦發(fā)生垮落極易造成較大面積的沖擊波，威脅礦井的正常生產。沿空掘巷計劃是指在上區(qū)段工作面開采后，通過預留煤柱進行開掘巷道的方式，利用窄煤柱將下區(qū)段的工作面與上區(qū)段采空區(qū)隔開。沿空掘巷圍巖控制是沿空掘巷技術實施的核心，堅硬頂板使得沿空掘巷圍巖變形量增大，同時留設煤柱寬度也相應增大，對于礦井成本控制較為不利[1-2]。目前針對堅硬頂板治理的技術主要為切頂卸壓方式，通過將堅硬頂板切斷來降低堅硬頂板的完整性，降低應力傳遞及懸臂長度[3]，使沿空巷道圍巖穩(wěn)定性得到有效控制。本文以官地礦23512 工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬軟件對切頂卸壓參數(shù)進行研究，并通過工業(yè)化應用驗證其可行性，為礦井沿空掘巷技術實施做出貢獻。

1 礦井概況及數(shù)值模擬計算

官地礦位于西山煤田西南，井田面積74.593 1 km2，礦井核定生產能力390 萬t，23512 工作面主要開采3#煤層，煤層平均厚度3.5 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°，由于現(xiàn)開采煤層頂板較硬。在沿空掘巷切頂卸壓中，由于頂板巖性較為堅硬，直接切頂既無法保證切縫的方向，同時也需要較大的爆破能量，所以引入預切頂，通過在鉆孔內部進行預先切頂，從而保證切頂效果。相鄰鉆孔間裂隙發(fā)育形成預裂面，切斷應力傳遞，將長距離懸頂轉換為短臂懸頂，減小懸頂長度。為研究不用切頂參數(shù)下切頂效果，建立數(shù)值模型，以工作面軌順為背景，根據(jù)實際地質條件，利用UDEC 離散元模擬軟件進行二維模擬建立。模型長寬分別為350 m 和100 m，巷道的斷面尺寸寬高分別為5.2、4 m；根據(jù)實際地質情況在模型的上端部施加15 MPa 的覆巖均布荷載，對模型進行邊界約束的施加，固定模型左右及底端位移，模型選擇摩爾庫倫破壞準則。對模型的力學參數(shù)進行設定。完成模型的建立。

采用控制變量法進行最佳切頂角度研究。選取切頂角度105°、90°、75°、60°和 45°五種，考慮到基本頂為堅硬巖層，所以切頂高度基本頂頂端，切頂前后采空區(qū)側頂板破斷結構圖，如圖1 所示。

圖1 切頂前后采空區(qū)側頂板破斷結構圖

如圖1 所示為不同切頂角度下，采空區(qū)側頂板破斷結構圖。從圖中可以看出，當未切頂時，此時在煤柱上方形成大面積的懸頂，選定向煤柱側發(fā)生傾斜，此時煤柱承受較大的壓力，由于煤柱尺寸較小，此時的煤柱及沿空巷道變形嚴重。進行切頂后，當切頂角度為 105°時，此時堅硬頂板由于切頂面的摩擦力及采空區(qū)覆巖的水平推力，使得采空區(qū)上方巖層無法有效垮落，基本頂與直接頂無法接底。當減小切頂角度至 90°時，此時煤柱上方及采空區(qū)上方巖層存在較大摩擦力，采空區(qū)頂板無法沿切頂面順利滑落，基本頂與直接頂未有效接底，此時的煤柱受到較大的側向支撐力，巷道穩(wěn)定性仍不可靠。減小切頂角度至75°時，此時采空區(qū)上方巖層能夠沿著切頂面順利滑落，此時巖層的自重大于煤柱上方巖層給予的摩擦力，采空區(qū)被切落巖層壓實，基本頂和直接頂完全接底，并連接上部巖層，較好的阻止了高位巖層的下沉，確保了整體的穩(wěn)定性。當切頂角度為60°時，此時切頂角度較小，使得煤柱上方短懸臂梁長度有所增加，雖然頂板巖層摩擦力降低，但由于不同巖層間出現(xiàn)交叉接觸面，使得巖層不易滑落，不利于煤柱和沿空巷道的穩(wěn)定。同樣的當切頂角度為45°時，此時出現(xiàn)類似60°時的問題。綜上所述最佳的切頂角度為75°，此時的采空區(qū)上方巖層順利滑落，填充采空區(qū)，從而形成穩(wěn)定結構，減小了煤柱側載荷，減小了采空區(qū)高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩(wěn)定性。

在沿空巷道布設的兩條測線，用于監(jiān)測不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布情況，垂直應力曲線如圖2 所示。

圖2 不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布曲線

從圖2 可以看出，不同切頂角度的垂直應力分布趨勢整體無明顯差異，僅存在數(shù)值上的差異。在煤層回采時，此時的應力集中區(qū)會發(fā)生一定的轉移，當工作面推過后，此時在后方采空區(qū)的應力區(qū)域穩(wěn)定，實體煤側的峰值應力也同樣趨于穩(wěn)定。觀察頂板垂直應力曲線可以看出，從實體煤側至煤內部，應力值呈現(xiàn)增大的趨勢，在距煤壁5～10 m 時，此時出現(xiàn)一定的應力集中，表現(xiàn)為高應力區(qū)；而在10～30 m 范圍內時，此時的垂直應力呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。距離煤壁30 m外應力趨于穩(wěn)定；觀察應力監(jiān)測曲線上的垂直應力分布，可以看出未切頂時，此時巷道實體煤內部的應力峰值為55.9 MPa，明顯高于切頂后的應力峰值，當切頂角度為105°時，此時相對于切頂時，巷道應力峰值降低了4.11%；當切頂角度減小至90°、75°、60°和45°時，此時應力峰值相對于未切頂時分別降低了7.19%、18.53%、12.54%、13.97%，可以看出雖然減小切頂角度應力峰值變化趨勢呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當切頂角度為75°，此時的應力峰值最小，同時結合圖一分析可以得出最佳的切頂角度為75°。

2 應用研究

根據(jù)模擬結果，預裂爆破切頂最合理角度為75°，在回采工作面內打設鉆孔，在鉆孔內部進行裝藥爆破，爆破采用雙向聚能管，達到回采頂板沿著致裂面滑落的效果。炮眼深度設計為17～18 m，孔間距為2 m，鉆孔直徑為50 mm，炮孔嚴格按照角度施工，孔間連線為一條直線，對鉆孔內部進行裝藥、封孔，爆破。進行測點布置，按照“十字觀測法”對巷道圍巖進行變形監(jiān)測，將測點A、B 布置于巷幫兩側中點，C、D布置于頂?shù)装逯悬c，對巷道頂?shù)装寮皟蓭瓦M行位移變形監(jiān)測，距工作面不同距離圍巖變形量曲線如圖3所示。

圖3 不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布曲線

如圖3 所示可以看出，隨著距離工作面距離的不斷縮近，此時巷道整體的位移變形呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，選取巷道的幾個測點，可知在距離回采面10 m范圍內時，此時的兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤_到最大值，此時的頂?shù)装蹇偟淖冃瘟窟_到了245 mm，此時的巷道兩幫移近量最大值為162 mm，而當監(jiān)測點距離回采工作面100 m 以上時，此時的回采并不會對整體巷道變形量有較大影響，此時的巷道變形量大值在40 mm 左右，整體巷道變形量得到有效控制。

3 結論

1）切頂角度為75°，此時的采空區(qū)上方巖層順利滑落，填充采空區(qū)，從而形成穩(wěn)定結構，減小了煤柱側載荷，減小了采空區(qū)高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩(wěn)定性。

2）減小切頂角度應力峰值變化趨勢呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當切頂角度為75°，此時的應力峰值最小。

3）隨著距離工作面距離的不斷縮近，此時巷道整體的位移變形呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，巷道整體變形量得到有效控制。