孤島工作面復(fù)合頂板切頂卸壓參數(shù)研究

史建富

（西山煤電集團(tuán)斜溝礦，山西 興縣 033600）

煤礦掘進(jìn)過(guò)程中，頂板的離層、片幫、底板的鼓起等為比較常見(jiàn)的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。孤島工作面回采時(shí)，頂板及圍巖由于受兩側(cè)采空區(qū)影響破碎現(xiàn)象更突出，導(dǎo)致圍巖自身的承載力下降，支護(hù)工作難度和風(fēng)險(xiǎn)都比較大。應(yīng)對(duì)這種情況，通常采用加大、加密錨桿與錨索的方式對(duì)圍巖進(jìn)行加固，但這種方式并不能從根本上解決動(dòng)壓傳動(dòng)現(xiàn)象，且后期維護(hù)費(fèi)用較高。采用切頂卸壓技術(shù)，可切斷孤島工作面頂板與相鄰采空區(qū)頂板的動(dòng)壓傳動(dòng)，從而減小工作面兩側(cè)采空區(qū)動(dòng)壓對(duì)孤島工作面的影響，維持孤島工作面圍巖及頂板的安全。

1 工程背景

西山煤電集團(tuán)斜溝煤礦10203孤島工作面沿走向布置，東部為北輔運(yùn)、北回風(fēng)大巷，南部為二盤區(qū)集中膠輔運(yùn)大巷，西部為10202回采工作面（已回采），北部為10305膠輔運(yùn)順槽（已形成）。工作面走向長(zhǎng)200m，傾斜長(zhǎng)1632m，煤層平均厚度為4.8m，傾角4°50′。該煤層基本頂為厚度5.70～7.30m的粗、中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖；直接頂為厚度0.15～4.80m的泥巖夾煤線、炭質(zhì)泥巖夾煤線，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質(zhì)膠結(jié)，易冒落；直接底為厚度3.00～7.50m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風(fēng)化。10303工作面礦壓顯現(xiàn)大于以往的綜采工作面，容易造成主回撤支架壓死等安全風(fēng)險(xiǎn)，故必須通過(guò)切頂卸壓的方式減小或者消除礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，防止主回撤支架壓死事故的發(fā)生。

2 切頂卸壓技術(shù)參數(shù)研究

煤礦通常用預(yù)裂爆破方法實(shí)現(xiàn)切頂卸壓。通過(guò)爆破方法實(shí)現(xiàn)在回采巷道沿采空區(qū)處頂板切一條縫，回采完成后，在礦山壓力的作用下回采巷道頂板會(huì)在切縫處斷開(kāi)，形成一個(gè)面，回采巷道與采空區(qū)的動(dòng)力傳動(dòng)就會(huì)消失，孤島工作面頂板不會(huì)受采空區(qū)動(dòng)壓影響。如何控制切縫的位置以及切頂厚度成為切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵。采用爆破方法進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，應(yīng)控制好預(yù)裂切頂高度、預(yù)裂切頂角度以及預(yù)裂切頂時(shí)炮眼間距。

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)該礦工程地質(zhì)條件以及工程實(shí)際采煤方法，建立FLAC3D三維數(shù)值模擬模型，模型尺寸為100m×50m×50m，共劃分671600個(gè)單元，73124個(gè)節(jié)點(diǎn)。上覆巖層的自重通過(guò)施加固定荷載模擬，底部為固定邊界，上部為應(yīng)力邊界。煤巖層的力學(xué)特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層力學(xué)特性表

2.2 模擬方案及結(jié)果分析

2.2.1 預(yù)裂切頂高度

方案一：對(duì)最佳切頂高度進(jìn)行模擬，將切頂角度設(shè)置為固定值0°，根據(jù)工作面煤層頂板厚度，預(yù)裂切頂?shù)母叨确謩e設(shè)置為2m、5m以及10m。不同切頂高度下巷道應(yīng)力分布變化模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同切頂高度下巷道應(yīng)力分布

由圖1可看出：預(yù)裂切頂高度為2m時(shí)，巷道周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象還比較明顯，且應(yīng)力集中的影響范圍較大，峰值也較大，切頂高度5m和10m時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象消除很大，且應(yīng)力集中的影響范圍逐漸縮小，峰值也較切頂高度為2m時(shí)下降很多。由此可見(jiàn)，切頂高度為2m時(shí)卸壓效果不明顯，高度為5m和10m時(shí)有明顯的切頂卸壓效果。由圖1（c）還可看出，在切頂區(qū)域存在比較大的面積應(yīng)力值為正，分析原因，由于切頂受采高的影響，形成切縫后，端部變?yōu)樽杂啥耍杂啥诉^(guò)早與底板接觸，自由端與底板形成反作用力，影響切頂卸壓的效果。綜上所述，切頂高度為5m時(shí)切頂卸壓效果最佳。

2.2.2 預(yù)裂切頂角度

預(yù)裂切頂時(shí)，頂板并不會(huì)馬上完全從切縫處斷裂，它們之間仍然存在應(yīng)力傳遞現(xiàn)象，選擇合理的預(yù)裂切頂角度，可優(yōu)化預(yù)裂切頂?shù)男Ч?/p>

方案二：將切頂高度設(shè)置為固定值5m，切頂角度設(shè)置為10°和20°，不同切頂角度下應(yīng)力場(chǎng)變化如圖2所示。

圖2 不同切頂角度下巷道應(yīng)力分布

由圖2可看出，切頂角度為10°時(shí)巷道周圍存在比較大區(qū)域的應(yīng)力集中，當(dāng)切頂角度增大到20°時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯減弱，且應(yīng)力集中區(qū)域遠(yuǎn)離順槽，說(shuō)明切頂角度為20°時(shí)孤島工作面與相鄰巷道的動(dòng)力傳動(dòng)得到有效切斷，切頂效果好。

3 工程實(shí)驗(yàn)效果分析

10203孤島工作面正常推進(jìn)過(guò)程中，巷道支護(hù)采用恒阻大變形錨索對(duì)巷道進(jìn)行超前加固，錨索長(zhǎng)度為10m，排距1m，對(duì)巷道頂板進(jìn)行有效支護(hù)的同時(shí)，可增大孔內(nèi)裂隙率，改良切頂卸壓效果。該工作面切頂卸壓結(jié)合之前的爆破參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果，炮眼沿采空區(qū)側(cè)巷道邊450mm沿走向布置一排，炮眼間距取600mm，深度5m，切頂角度為20°。

通過(guò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)采過(guò)程中錨索受到的拉應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到錨桿拉應(yīng)力隨開(kāi)采進(jìn)尺的變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 錨桿拉應(yīng)力隨推進(jìn)距離變化圖

由圖3可知：工作面推進(jìn)后10m錨索拉應(yīng)力達(dá)到峰值，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，拉應(yīng)力迅速降低，再推進(jìn)20m后，錨索拉應(yīng)力達(dá)到最低值，之后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在第30d左右，切頂卸壓完成，且效果明顯。

由此可見(jiàn)，選擇合理的爆破參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)巖層內(nèi)部動(dòng)力傳動(dòng)的漸變，直至被消除，保證切頂卸壓技術(shù)得到良好的效果。