綜放工作面切頂卸壓沿空留巷技術的應用

苗卿

【摘 要】 針對沿空留巷圍巖穩定性問題，文章采用數值模擬研究、實驗研究、現場實施和后期效果考察的方法進行研究，得出以下結論：① 數值模擬結果顯示切頂導致留巷上覆巖層應力居中區域右移;② 采用爆破切頂措施，切頂鉆孔孔間距3m，6個鉆孔一組進行爆破;③后期效果考察顯示巷道回采期間，切頂區域單體液壓支架應力平穩，未切頂區域單體液壓支架在回采10m后出現大幅波動。

【關鍵詞】 切頂留巷;數值模擬;實驗研究;工程應用

【中圖分類號】 TD853.391 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0009-03

礦井回采過程中，回采工作面和備采工作面之間預留的安全煤柱，嚴重影響資源回收率。留巷技術可以解決此問題，但實施過程中圍巖應力集中，會影響二次支護效果。我國相關領域專家學者關于沿空留巷技術應用及支護措施優化做過大量研究，王亮針對潞寧煤礦22116工作面留巷支護進行了切頂措施研究;安浩煒針對億欣煤業綜采工作面留巷進行了爆破切頂技術的實施。其他專家學者針對切頂留巷支護技術也進行了大量的研究工作。以往的研究主要以現場技術應用為主，針對切頂留巷技術實施過程中圍巖應力演化過程分析、現場實施、后期效果考察綜合研究較少。山西某礦2505綜放工作面回采過程中采用了切頂留巷技術，現針對該技術的工程應用進行研究。

1 工程概況

2505工作面主采煤層5#煤層，平均厚度6.7m，煤層頂板為泥巖，平均厚度2.7m;底板為粉砂巖，平均厚度6m。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采高2.5m，放頂3.5m。目前在采工作面為2505工作面，鄰近工作面為2507工作面，現對2505工作面回風順槽進行支護，作為2507工作面運輸順槽，兩個工作面之間不留煤柱，實施沿空留巷技術。2505工作面煤層柱狀圖如圖1所示，區域內煤巖力學參數如表1所示。

2 切頂技術數值模擬研究

為研究切頂技術對礦井圍巖生產變形，現采用軟件COMSOL對未切頂巷道和切頂巷道圍巖應力分布情況進行數值模擬研究，模型寬度20m，高度10m，巷道寬度6m，高度3m，模型左、右邊界為固定約束，頂板應力100MPa。

數值模擬集合模型為2505工作面運輸順槽斷面，通過數值模擬研究得到不進行切頂情況下和切頂情況下巷道圍巖應力分布情況如圖2所示，切頂角度為10°，切頂深度為4m。

由圖2可知，矩形斷面在無切頂情況下，巷道頂板圍巖應力比較集中，集中區域位于巷道頂板上方呈拱狀，底板同樣會在地應力情況下呈現圍巖底鼓現象，由于巷道底板圍巖為粉砂巖，硬度比較大，因此底鼓現象不是特別嚴重。當實施頂板切頂技術時，應力集中區域分布于巷道上方右側，應力集中區域右移，整體呈現巷道變形應力集中區域偏移，正常情況下，巷道右側為2505工作面采空區，因此，應力集中區域右移可以有效解決采空區垮落后對留巷上覆巖層的破壞。

3 切頂技術實施及效果考察

切頂技術能量源為爆破能，鉆孔設計見圖3。鉆孔間距為3m，鉆孔孔徑為50mm。爆破切縫原理圖如圖4所示。

爆破使用的聚能管每節長度1.5m，外徑40mm，爆破使用的炸藥為300×Φ32mm規格的礦用乳化炸藥卷。實際施工鉆孔10m，傾角10°，爆破過程封孔深度3m，裝藥長度為6m，封孔采用普通炮泥進行封孔作業，每6個鉆孔為一組進行爆破，根據實驗研究表明，相鄰兩個鉆孔同時爆破時鉆孔之間產生能量耦合作用，切割效果更好。

爆破完成后需要對巷道進行超前支護，超前支護采用U型鋼結合單體液壓支架，為考察切縫效果，回采過程中對單體液壓支架承受的應力進行考察，考察距離為距離采面的通過單體液壓支架20m間距，分別將原先未切頂區域單體液壓支架和切頂區域單體液壓支架應力情況進行對比統計，數據統計結果如圖5所示。

由圖5可知，當2505工作面回采通過切頂區域時，單體液壓支架出現大的波動，液壓支架承受的最大應力為50MPa，最小應力為40MPa;當采面推進通過切頂位置時，在通過單體液壓支架10m、11m、12m區間端，單體液壓支架分別出現應力波動較大的情況，波動從55MPa陡增到86MPa，出現如此波動主要原因為達到工作面正常放頂步長，由于沒有切頂，留巷上覆巖層依舊保持一致性。突然放頂產生地壓沖擊波對單體液壓支架產生大的沖擊，因此出現應力陡增的現象。

4 總結

山西某礦2505工作面實施留巷切頂技術，進行數值模擬研究，現場實施和效果考察得到以下結論：

數值模擬表明，切角10°情況下導致巷道頂板上覆巖層應力右移，防止了巷道頂板應力集中情況;

闡述了爆破切頂技術實施的過程和技術原理，鉆孔間距3m，6個鉆孔一組可以滿足要求;

工作面通過單體液壓支架過程中，未切頂位置在采面推進通過支架10m后出現應力陡增的情況，切頂區域單體支架應力未出現大的波動。

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