中厚煤層切頂卸壓沿空留巷支承壓力監測研究

雷美榮

(山西大同大學機電工程學院，山西省大同市，037003)

深部煤巖體處于“三高一低”的環境中，并且巷道圍巖受到原巖應力和采動應力的疊加作用，沿空巷道易出現大變形。目前國內學者針對切頂卸壓沿空留巷做出了諸多研究，一些專家從支護方面提出了利用高預緊力、負泊松比效應的恒阻大變形錨桿錨索控制深部沿空巷道圍巖大變形的方法，并對恒阻大變形錨桿錨索的拉伸力學性能、沖擊拉伸性能、動態力學性能進行了分析；一些學者在理論計算和數值模擬方面對切頂高度、切頂角度等關鍵參數進行研究；也有從聚能爆破機理、聚能裝置的創新、爆破鉆孔間距的優化方面探究了聚能爆破這項關鍵技術。

1 工程地質條件

2 切頂卸壓沿空留巷卸壓機制

采用切頂卸壓的方式進行沿空留巷，首先需要在巷道內施加橫阻大變形錨索進行補強支護，加固巷道頂板。按照設計方案在工作面前方的巷道實施爆破預裂，使巷道在軸向方向上形成切縫面，如圖1所示。同時，在巷道內要強化頂板和側向矸石的支護。爆破預裂后，巷道內靠近采空區一側的直接頂會在周期來壓的影響下發生斷裂，減小懸臂結構，從根本上防止了基本頂回轉擠壓直接頂造成巷道圍巖出現大變形，如圖2所示。

圖1 切頂卸壓平面技術原理圖

圖2 切頂卸壓頂板破斷示意圖

3 爆破預裂對支承壓力分布的影響

3.1 爆破預裂對巷道支承壓力分布的影響

表1 各巖層的主要力學參數

模擬分別選取了工作面推進30 m、50 m、80 m、100 m、120 m和150 m來研究爆破預裂對巷道支承壓力的影響，并收集了巷道和工作面的垂直方向應力進行統計分析。工作面不同推近步距時巷道和工作面的垂直方向應力等值線圖如圖3所示。

由圖3可知，當工作面推進30 m時，切縫側主運輸巷的垂直應力為5 MPa，而未切縫側輔運輸巷的垂直應力為15 MPa，切縫后應力下降了67%，工作面后方主運輸巷最大垂直應力為15 MPa，如圖3(a)所示；當工作面推進50 m時，主運輸巷的垂直應力為4 MPa，輔運輸巷的垂直應力為22 MPa，切縫后應力下降了82%，工作面后方主運巷最大垂直應力為16 MPa，如圖3(b)所示；當工作面推進80 m時，主運輸巷的垂直應力為8 MPa，輔運輸巷的垂直應力為18 MPa，切縫后應力下降了56%，工作面后方主運輸巷最大垂直應力為14 MPa，如圖3(c)所示；當工作面推進100 m時，主運輸巷的垂直應力為6 MPa，輔運輸巷的垂直應力為12 MPa，切縫后應力下降了50%，工作面后方主運輸巷最大垂直應力為12 MPa，如圖3(d)所示；當工作面推進120 m時，主運輸巷的垂直應力為8 MPa，輔運輸巷的垂直應力為18 MPa，切縫后應力下降了56%，工作面后方主運輸巷最大垂直應力為12 MPa，如圖3(e)所示；當工作面推進150 m時，主運輸巷的垂直應力為8 MPa，輔運輸巷的垂直應力為22 MPa，切縫后應力下降了63.6%，工作面后方主運輸巷最大垂直應力為12 MPa，如圖3(f)所示。隨工作面推進切縫側和未切縫側巷道垂直應力變化情況見表2。

圖3 工作面不同推進距離垂直應力等值線圖

表2 隨工作面推進切縫側和未切縫側巷道垂直應力變化

綜合對比分析可知，運用切頂卸壓沿空留巷技術后，沿空巷道頂板垂直應力出現了明顯的降低，但在距離巷道約8 m的工作面內部應力開始出現增加，爆破預裂能夠切斷采空區頂板和巷道頂板力的聯系，卸壓效果明顯。

3.2 爆破預裂對工作面支承壓力分布的影響

由圖4可知，爆破預裂后，工作面傾向壓力分布發生了明顯的變化。3#支架處的平均壓力為20 MPa，支架壓力在監測時間段內的最大值為33 MPa；73#支架處的平均壓力為27 MPa，支架壓力在監測時間段內的最大值為39 MPa，來壓強度最高；133#支架處的平均壓力為23 MPa，工作面幾乎不受切縫的影響，支架壓力在監測時間段內的最大值為41 MPa。由此可見，靠近切縫位置的工作面來壓受影響非常明顯，遠離切縫側的工作面來壓幾乎不受切縫的影響。

4 結論

(1)數值模擬和液壓支架壓力實測表明，主運輸巷采用切頂卸壓沿空留巷技術后，其頂板壓力要明顯低于未切頂的輔運輸巷。采用技術能夠起到明顯的卸壓效果，同時主運輸巷的圍巖穩定性也要優于輔運輸巷。

(2)采用切頂卸壓沿空留巷技術之后，工作面傾向方向的應力狀態也會發生改變。靠近切縫側的液壓支架壓力下降明顯，工作面中部和遠離切縫側的支架壓力變化較小，切縫只在一定的范圍內對工作面壓力有影響。

(3)切頂卸壓沿空留巷技術能夠顯著降低巷道垂直方向的應力。與未切頂的巷道相比，切頂的巷道在工作面后方不會形成垂直應力的集中，巷道圍巖出現大變形的概率較低。