紅慶河煤礦厚煤層巷道切頂卸壓關鍵參數研究

楊曉杰 毛文彬 張星宇 王二雨 劉晨康 孫 躍

(1.中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京市海淀區，100083；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京市海淀區，100083)

經過幾十年的發展，傳統的長壁式留設煤柱開采技術已經得到廣泛應用，但是該技術造成的資源回收率低、采掘比高等問題日益突出，特別是留設煤柱造成煤(巖)爆現象和瓦斯突出等地質災害，在圍巖高應力作用下巷道發生大變形增加巷道維護成本，縮短了巷道使用壽命，嚴重威脅井下工人的生命安全，因此傳統的留設煤柱開采方式已經不能很好地適應深部煤炭開采要求。

巷旁充填沿空留巷技術是應用較多的沿空留巷無煤柱開采方式，國內外學者對巷旁充填材料、礦壓顯現規律及巷旁支護體作用機制等方面進行大量研究，且成果顯著，但是現有的巷旁支護技術具有充填材料支護強度不高、造價昂貴、巷旁充填體內部易產生應力集中、采空區密封性能差等缺點，使得該技術很難推廣。為解決傳統無煤柱開采技術難題，何滿潮院士提出切頂卸壓自成巷無煤柱開采新技術，該技術不僅可以提高煤炭回采率，降低開采成本，緩解采掘接替緊張，避免因留設煤柱引起的煤礦地質災害，而且可以實現Y型通風，解決瓦斯突出問題。本文以紅慶河礦3101工作面為地質背景，對厚煤層切頂卸壓關鍵參數進行研究，以期指導厚煤層巷道切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術實施。

1 工程概況

紅慶河煤礦3101工作面位于3-1采區，西北鄰3-1采區邊界，東北鄰南翼輔運大巷，東南鄰3103輔運平巷，西南鄰DF10斷層，工作面平均埋深600 m，采高6 m，屬于大采高、大埋深工作面，工作面長度245.75 m，回采長度3212.7 m。該工作面為首采工作面，實行雙巷布置，在大采高、大埋深條件下受工作面強擾動影響，并且在留設30 m巷道煤柱的條件下，3103輔運平巷依然變形嚴重，出現冒頂、底鼓、片幫和煤爆現象，嚴重影響正常使用。煤層厚度平均6 m，屬于厚煤層，煤層直接頂主要由砂質泥巖和粉砂巖組成，平均厚度13.04 m，基本頂主要由細砂巖和礫巖組成，平均厚度為58.66 m，工作面地層綜合柱狀圖如圖1所示。

2 切頂卸壓技術分析

2.1 技術原理

切頂卸壓技術是解決傳統沿空掘巷開采方式問題的重要手段之一。該技術原理是沿巷道走向實施超前工作面的預裂爆破，爆破后各炮孔之間形成一條連續的結構面切斷了巷道頂板與采空區頂板之間的應力傳遞路徑，工作面回采后采空區頂板在上覆巖層重力和礦山壓力作用下發生垮落，減小了懸臂梁的長度，使得頂板作用在煤壁上的壓力減少，緩解了煤柱的應力集中，減少了煤爆現象。垮落后的碎脹矸石對頂板起到很好的支撐作用，減少了基本頂對巷道頂板的壓力，避免了巷道頂板隨基本頂的回轉變形而發生明顯變形位移。

2.2 參數力學分析

煤層開挖后，直接頂首先發生垮落。隨著工作面的推進，直接頂懸露面積也隨之增大，直接頂懸露一定程度后發生初次垮落。直接頂厚度明顯大于工作面采高時，靠近煤壁側的直接頂可能不會斷裂，將其視為懸臂梁，預裂切頂后受力模型如圖2所示。

圖2 頂板受力簡化圖

該工作面頂板厚度顯著大于采空區高度，而且切頂高度沒有貫穿整個直接頂，可能導致懸臂梁未充分垮落。為了實現懸臂梁的完全垮落，預裂切縫未貫穿面的拉力要大于巖石的極限抗拉強度，其計算公式如下：

(1)

式中：σ——巖石的極限抗拉強度，MPa；

M(x)——預裂切頂未貫穿面巖梁內的彎矩，MN·m；

W——頂板截面模量，m2。

(2)

式中：q——基本頂作用均布荷載，MPa；

hc——切頂高度，m；

α——切頂角度，(°)；

L——直接頂斷裂長度，m；

Gm——垮落頂板自重，MPa；

Mp——垮落頂板彎矩，MN·m；

J——頂板巖塊繞點O的轉動慣量，kg·m2；

g——重力加速度，kg·s-2；

La——巷道寬度，m；

P(x)——巷內支護作用力，MPa。

(3)

式中：mz——垮落頂板厚度，m。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，預裂切頂未貫穿面的拉力主要取決于切頂高度。因此應當設計合理的切頂高度，保證預裂切頂未貫穿面的拉力大于其抗拉強度，使得懸臂梁在上部荷載和自重作用下完全垮落，形成切頂短臂梁，減小煤柱應力集中。為此，借助數值模擬軟件計算出不同切頂高度下巷道圍巖應力和位移變化情況，通過分析對比確定合理的切頂高度。

3 數值模擬

3.1 模型建立

針對紅慶河礦3101工作面工程地質條件，采用數值模擬軟件建立模型，對比分析各種切頂高度下巷道圍巖應力和位移變化情況。模型尺寸為：長×寬×高=328 m×100 m×80 m，模擬巷道開挖尺寸為6 m×100 m×4 m，工作面開挖尺寸為200 m×100 m×6 m，巷道埋深600 m，一次采全高。數值模擬中的切頂線是通過細化單元格，將切頂線位置的單元格進行分組、開挖實現模擬切頂，如圖3所示。固定模型的側面和底部，上側表面為應力邊界，施加的荷載為14.7 MPa，本構模型為Mohr-Coulomb模型，計算所用參數見表1。

圖3 數值模擬示意圖

3.2 模擬結果

結合現場工程地質條件，首先建立數值計算模型以研究切縫對巷道頂板的卸壓效果，在不影響研究問題實質的情況下，數值模型設置切頂角度為垂直頂板，避免了模型網格畸化，造成較大扭轉角從而影響切頂區域的數值計算結果，切頂高度分別為10 m、12 m和14 m，模擬結果如圖4和圖5所示。

表1 模型主要物理力學參數

圖4 不同切頂高度應力場分布

圖5 不同切頂高度位移場分布

由圖4可以看出，未切頂時3103輔運巷道左側煤柱出現應力集中區，應力峰值較大，為25.329 MPa；預裂切頂后巷道左側煤柱應力峰值明顯減小，巷道頂底板應力較小，巷道圍巖應力值也相對減少，右側煤層應力集中區遠離巷道，顯示出明顯卸壓效果。對比圖4(b)、(c)和(d)，切頂高度為14 m時巷道左側煤柱應力峰值最小，為15 MPa，應力集中區范圍最小，巷道圍巖應力最小。

由圖5可以看出，未切頂時巷道頂底板位移量最大；預裂切頂后巷道頂底板位移量均明顯減小，切頂高度為14 m時巷道頂底板位移量最小，頂板下沉量為272 mm。

綜上所述，預裂切頂高度為14 m時卸壓效果最佳。

3.3 工程試驗

對比模擬結果和現場不同切頂角度試驗效果，最終確定預裂切頂高度為14 m、切頂角度為15°。在現場進行了爆破參數試驗，爆破孔間距0.5 m，采用連孔爆破方案。聚能爆破采用二級乳化炸藥，炸藥規格為?32 mm×200 mm/卷。聚能管內安裝炸藥，采用不耦合裝藥形式。雙向聚能管外徑42 mm，內徑36.5 mm，管長1500 mm，單孔裝藥量為4500 g，封泥長度為3 m。

3103輔運平巷使用錨網索聯合支護，幫部支護采用左旋螺紋鋼錨桿+鉛絲菱形網+鋼護板，錨桿排距為1000 mm，每幫5根，間距為900 mm，上下錨桿距頂底各為350 mm。頂板支護采用左旋螺紋鋼錨桿+鋼護板+鋼筋網+錨索，錨桿排距1000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm，兩邊頂錨桿距幫各為350 mm。

工作面推進期間對3103輔運巷道切頂卸壓試驗段的巷中位置布置10個測點，測點間距20 m。通過激光測距儀對各個測點的頂底板位移量進行監測，試驗段開始位置和結束位置兩個測點的數據曲線如圖6所示。

由圖6可知，頂底板在超前工作面50 m時開始產生變形；滯后工作面0～60 m內，頂底板間的變形量較快增長，圍巖處于劇烈變形階段；滯后工作面60～170 m內，由于采空區碎脹矸石的垮落，變形量增長較慢，圍巖處于緩慢變形階段；滯后工作面170 m后，采空區碎脹矸石對頂板起到較好支撐作用，變形量趨于平緩，圍巖處于穩定階段。

圖6 試驗段頂底板位移量監測曲線

4 結論

(1)當采空區頂板厚度遠大于采高時，切頂高度決定了預裂未切縫面的拉力大小，是實現采空區頂板充分垮落的關鍵。數值模擬軟件可以較好的計算不同切頂高度下巷道圍巖應力和位移變化情況，從而確定合理切頂高度。

(2)通過定向聚能爆破理論研究和觀察現場爆破試驗效果，確定合理的裝藥量和預裂爆破孔間距，從而達到切縫效果，確保頂板完全垮落。

(3)針對紅慶河煤礦3101工作面厚煤層切頂卸壓工程地質條件，確定切頂高度為14 m，切頂角度為15°，預裂爆破孔間距0.5 m；現場監測數據表明：輔運巷道頂底板在超前工作面50 m處發生變形，滯后工作面170 m處變形量趨于穩定，試驗效果良好，可為切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術提供應用參考。