莊子河煤業(yè)切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)研究

李慶

（山西焦煤山煤國際 莊子河煤業(yè)，山西 長治 047100）

1 概 況

莊子河煤業(yè)15106 工作面位于+1 000 水平一采區(qū)，主采15 號煤層。15 號煤層位于太原組下部，煤層傾角0～3°，平均厚度3.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，上部和下部常含兩層夾矸，煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，層狀構(gòu)造，普氏硬度為1.4，埋深118～132 m。工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Coal seam roof and floor structure

15106 工作面回采巷道沿煤層頂板掘進，巷道斷面為矩形，凈寬5.2 m，凈高3.6 m。由表1 可知，巷道頂板為石灰?guī)r，強度及硬度較高，且厚度達6.8 m，屬于典型的厚層堅硬頂板。為提高煤炭資源回收率，決定在15106 工作面實施堅硬頂板條件下的切頂留巷無煤柱開采技術(shù)。

2 切頂卸壓技術(shù)

2.1 工藝流程

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓技術(shù)工藝流程Fig.1 Process flowof roof cutting pressure relief technology

工作面在進行切頂卸壓前，采用恒阻大變形錨索對切頂側(cè)頂板進行超前補強支護，防治切頂后頂板出現(xiàn)劇烈下沉，保證留巷效果；隨后對巷道采空區(qū)側(cè)頂板進行預(yù)裂切縫，切斷巷道頂板與采空區(qū)頂板間的應(yīng)力傳遞，使巷道處于低應(yīng)力環(huán)境中；切縫完成后，頂板會隨著工作面的推進自行垮落并形成巷幫，由于切頂后動壓影響較大，需在留巷側(cè)補打單體支柱支護，同時為防止矸石竄入，需對巷旁進行擋矸支護。

2.2 切頂高度計算

切頂高度H 可按式（1） 計算：

式中：M 為煤層厚度，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底臌量，m；k 為巖層碎脹系數(shù)。

15106 工作面運輸順槽直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性較軟，碎脹系數(shù)取1.33，基本頂為堅硬的石灰?guī)r，碎脹系數(shù)為1.47，取兩者中值得出切頂巖層碎脹系數(shù)k 為1.40，在不考慮頂?shù)装遄冃蔚那闆r下，按工作面最大采高M 為3.5 m 計算，得出切頂高度H=8.75 m，對其取整初步確定出合理的切頂高度為9 m。

3 切頂參數(shù)數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

影響無煤柱切頂卸壓留巷效果的參數(shù)主要為切頂高度及切頂角度，為確定合理的切頂高度及角度，依據(jù)15106 工作面的實際賦存條件，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件建立模型，模型尺寸長×寬×高=100 m×50 m×35 m，根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加5.6 MPa 的垂向力以模擬覆巖壓力，約束模型四周的水平位移并固定模型底部的垂直位移。計算時，煤巖體的破壞準則統(tǒng)一采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

3.2 切頂高度分析

通過對比分析不同切頂高度下巷道的應(yīng)力分布特征及位移情況確定出合理的切頂高度。根據(jù)理論分析結(jié)果結(jié)合實際工程地質(zhì)條件，模擬的切頂高度分別7、9、11 m，不同切頂高度下巷道的垂直應(yīng)力分布特征如圖2 所示。

由圖2 可知，隨著切頂高度的增加，巷道圍巖的卸壓范圍逐漸擴大，主要卸壓區(qū)域為巷道頂板的切縫側(cè)附近。而應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在巷道非切縫側(cè)頂板附近，隨著切頂高度的增加，應(yīng)力集中范圍逐漸縮小，且逐漸向頂板上方的深部圍巖轉(zhuǎn)移，弱化了巷道圍巖的應(yīng)力。

圖2 不同切頂高度下巷道的垂直應(yīng)力分布特征Fig.2 Vertical stress distribution characteristics of roadway under different roof cutting heights

切頂高度為7 m 時，圍巖最大垂直應(yīng)力為53.6 MPa；切頂高度為9 m 時，圍巖最大垂直應(yīng)力為46.8 MPa，較7 m 切頂高度時降低了12.7%；切頂高度為11 m 時，圍巖最大垂直應(yīng)力為45.2 MPa，較9 m 切頂高度時降低了3.4%?？梢钥闯?，隨著切頂高度得增加，圍巖應(yīng)力集中范圍及其峰值均逐漸減小，但當(dāng)切頂高度增加至9 m 后，繼續(xù)增加高度對圍巖應(yīng)力集中的影響不明顯。

不同切頂高度下巷道頂板的垂直位移規(guī)律如圖3 所示。

圖3 不同切頂高度下巷道頂板的垂直位移規(guī)律Fig.3 Vertical displacement lawof roadway roof under different roof cutting heights

由圖3 可知，巷道實施切頂卸壓后，頂板的變形呈現(xiàn)出明顯的不對稱性，頂板的變形量由切縫側(cè)向?qū)嶓w煤側(cè)逐漸減小。另外，隨著切頂高度的增加，頂板整體的垂直位移量降低，巷道的穩(wěn)定性提高。切頂高度為7 m 時，頂板最大垂直位移量為580 m；切頂高度為9 m 時，頂板最大垂直位移量為408 m，較7 m 切頂高度時降低了29.7%；切頂高度為11 m 時，頂板最大垂直位移量為380 m，較9 m 切頂高度時降低了6.9%。可以看出，切頂高度由7 m 增加到9 m 時，頂板的垂直位移量大幅度減小，而從9 m 增加到11 m 時，頂板垂直位移量變化很小。

綜上所述，7 m 切頂高度的卸壓效果較差，9 m 和11 m 切頂高度的卸壓效果基本相近，為便于現(xiàn)場施工，確定15106 工作面合理的切頂高度為9 m。

3.3 切頂角度分析

巷道進行切頂后，采空區(qū)側(cè)頂板會隨著工作面回采而下沉垮落，而巖體間的摩擦力會阻礙頂板的下沉，因此，預(yù)裂切縫需與垂線呈一定的夾角，以保證采空區(qū)側(cè)頂板的順利垮落。模擬中共設(shè)置3 組方案，切頂角度分別為5°、15°、25°，切頂高度統(tǒng)一為9 m。不同切頂角度下巷道圍巖的垂直應(yīng)力分布特征如圖4 所示。

圖4 不同切頂角度下巷道垂直應(yīng)力分布特征Fig.4 Vertical stress distribution characteristics of roadway under different roof cutting angles

由圖4 可知，切縫兩側(cè)圍巖的應(yīng)力分布特征具有明顯的差異，表明一定切頂角度可以有效切斷采空區(qū)側(cè)頂板與巷道頂板的應(yīng)力傳遞。隨著切頂角度的增大，圍巖的應(yīng)力集中程度隨之增大，切頂角度為5°、15°時，巷道圍巖的最大垂直應(yīng)力分別為48.9 MPa、50.6 MPa，變化幅度較小，基本相近，而切頂角度為25°時，最大垂直應(yīng)力為58.9 MPa，增長幅度較大，不利于巷道維護。

圖5 為不同切頂角度下巷道頂板的垂直位移情況。

圖5 不同切頂角度下巷道頂板的垂直位移Fig.5 Vertical displacement of roadway roof under different roof cutting angles

由圖5 可知，采空區(qū)側(cè)頂板的下沉量隨著切頂角度的增加而增大，下沉量越大表明采空區(qū)側(cè)頂板的垮落越徹底，切頂角度為5°、15°、25°時的采空區(qū)側(cè)頂板下沉量分別為7 028、7 867、7 807 mm，垮落較徹底，不存在大面積懸頂。

綜上所述，切頂角度為15°時的應(yīng)力集中程度適中，且采空區(qū)側(cè)頂板的垮落效果好，因此，確定合理的切頂角度為15°。

4 現(xiàn)場實踐分析

支護斷面如圖6 所示。

圖6 巷道支護斷面Fig.6 Roadway support section

采用雙向聚能爆破工藝對15106 工作面回采巷道進行切頂，切頂高度為9 m，切頂角度15°。為保證留巷段的穩(wěn)定性，在巷道原有支護的基礎(chǔ)上，在采空區(qū)側(cè)頂板補打2 排恒阻補強錨索，第1 排補強錨索距巷幫650 mm，第2 排錨索距巷幫1 800 mm，錨索長度11.5 m，并配備讓壓鎖具，留巷段內(nèi)采用“π 型梁+單體支柱”進行補強支護，一梁四柱，柱間距為1 500 mm，排距1 000 mm。

切頂施工結(jié)束后，對15106 工作面回采巷道的圍巖表面位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示。隨著工作面的推進，巷道的變形量持續(xù)增大，在滯后工作面90 m 后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠七M量為340 mm，兩幫最大移進量為530 mm，圍巖整體穩(wěn)定性較好，能夠滿足工作面正常生產(chǎn)需求。

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)莊子河煤業(yè)15106 工作面的實際工程地質(zhì)條件，結(jié)合切頂卸壓沿空留巷的技術(shù)原理，初步確定出合理的切頂高度為9 m。

（2） 通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，分析了不同切頂參數(shù)下巷道圍巖的應(yīng)力及位移分布特征，確定出合理的切頂高度為9 m，切頂角度為15°。

（3） 根據(jù)切頂參數(shù)對巷道留巷段進行了補強支護設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，巷道圍巖的整體穩(wěn)定性較好，取得了良好的效果。