斜溝礦切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術研究

董 波

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 030600 ）

0 引言

煤炭是我國基礎能源，占我國能源消費比例70%，在我國能源體系中占據的主體地位不可動搖。沿空留巷是指采用一定的技術將上一區段的順槽重新支護從而用于下個工作面開采的技術，但在沿空留巷過程中，常常會出現由于巷覆巖自重等原因造成的巷道大變形現象，所以對沿空留巷穩定性研究是十分重要的。目前針對頂板問題常見的方法為爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓、靜力切頂卸壓，但在切頂卸壓過程中，由于切頂參數設定不合理導致未達到理想切頂效果的情況屢有發生。本文以斜溝礦18505 工作面為背景，采用數值模擬軟件對不同切頂參數下巷道圍巖變形情況進行分析，計算出科學的切頂參數，給出巷道支護優化提供參考。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處，礦井面積約88.6 km2，礦井設計生產能力15.0 Mt/a，現主要開采2#、8#煤層。18505 工作面位于該礦15 采區，主要開采山西組8#煤層，工作面標高+832～+987 m，開采煤層厚度2.60～5.90 m，平均厚度3.9 m，煤層平均傾角9.6°，煤層結構復雜，含1～2 層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩定，厚0.10～0.30 m，下層夾矸不穩定，局部尖滅。

2 切頂穩定性分析

在煤層開采結束后，頂板巖層會經歷壓實、分離等運動，此時基本頂的關鍵塊會形成梁拱結構[1]。在巖塊運動中，此時關鍵塊失去側向約束，由于水平方向無約束使得巖塊的自重施加于覆巖上，此時懸臂梁長度越大，煤體及巖層受到的載荷就越大，能量聚集也就越大，根據平衡方程式（1）可知：

式中：γi為基本頂及上方軟弱巖層體積力，kN；hi為基本頂及上方軟弱巖層第i 層厚度，m；B 為煤柱的寬度，m；L 為基本頂懸臂梁的長度，m；w 為沿空巷道的寬度，m；xo為基本頂斷裂線距離沿空留巷的距離，m。依據關鍵層理論，由于軟弱巖層的承載能力較弱且自身強度較小，無法有效形成鉸接結構，下方覆巖復雜、承載上方自重，老頂懸臂長度越大，懸臂結構的下沉量也就越大。根據變形的相關特征，沿空留巷的頂板下沉最大量可以根據公式（2）求得：

式中：c 為頂板下沉最大量；m、s 為基本頂和軟弱層的厚度。根據公式（2）可以看出，隨著懸臂長度的增大，頂板對巷道圍巖的載荷也就越大，此時由于巷道支撐能力不足使得頂板下沉也就越大，所以為了保證巷道頂板下沉及巷道圍巖的變形，需要對巷道的頂板懸臂長度進行減短，以此來保證巷道的穩定性。同時當預裂懸臂長度較小時，此時需求的工程成本會有所上升，當預裂懸臂長度較大時，巖塊間會形成梁拱結構，無法直接垮落，所以合理的切頂高度對巷道穩定性的保證十分重要[2]。

3 數值模擬研究

利用數值模擬軟件對不同切頂高度下巷道圍巖變形情況進行分析，選用UDEC 軟件進行模型建立，對模型進行網格劃分，網格劃分時在模型巷道位置進行細劃分，在模型邊界進行粗劃分，確保計算精度的同時保證計算速度，完成模型網格劃分后對物理參數設定，對切頂高度4、8、15、16 m 下巷道圍巖變形進行模擬研究，匯總不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線，如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度下巷道圍巖變形分析

由圖1 可以看出，不同切頂高度下巷道左幫變形量呈現出逐步降低的趨勢，當切頂高度為4 m 時，此時左幫移近量為0.234 m；當切頂高度為16 m 時，此時巷道左幫移近量為0.182 m。巷道右幫隨著切頂高度的增大呈現先增大后減小再增大的趨勢，當切頂高度為15 m 時，巷道右幫變形量最小為0.268 m。觀察不同切頂高度下巷道頂板及底板變形曲線可以看出，隨著切頂高度的增大，巷道頂板及底板位移量均呈現逐步降低的趨勢，當切頂高度為4 m 時，此時巷道頂板及底板變形量分別為0.4 m、0.265 m；而當切頂高度為16 m 時，此時巷道頂板及底板變形量分別為0.255 m、0.2 m；但當切頂高度大于8 m 時，此時巷道頂板及底板變形量變化趨勢有所下降。綜合分析不同切頂高度下巷道圍巖變形情況后，確定最佳切頂高度為15 m。對不同切頂角度下巷道圍巖變形量進行分析，選定切頂角度分別為0°、3°、6°、9°、15°進行模擬研究，本文僅展示切頂角度為9°下巷道圍巖應力、變形云圖，如圖2 所示。

圖2 切頂角度9°下巷道圍巖應力變形云圖

由圖2 可知，當切頂角度為9°時，此時模型的應力集中區域距沿空留巷巷幫十分遠，此時對巷幫支護影響較小，模型應力集中距離巷幫的距離約為7 m，巷道的垂直應力最大值為11 MPa，模型內部存在明顯的卸壓區，卸壓區的最大應力值為8 MPa。同時根據垂直位移云圖可以看出，巷道垂直位移量為300 mm，在此切頂卸壓角度下巷道圍巖變形量控制量最佳，所以最佳切頂角度為9°。

4 切頂卸壓實踐

在確定最佳切頂角度9°、最佳切頂高度15 m后，進行切頂卸壓實踐，巷道支護方案如下：錨索采用“二二”布置方式，錨索尺寸椎15.2 mm×7 200 mm，錨索托盤采用弧形托盤，尺寸為300 mm×300 mm×16mm。錨索采用一支MSCK2350 和兩支MSK2350 進行錨固，設定錨索預緊力為150 kN。錨桿采用椎18mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm、800 mm，每排4 根。每支錨桿采用一支MSCK2350 樹脂錨固劑進行錨固。錨固力不得小于80 kN，錨索的扭矩設定為150 N·m。錨桿采用方形拱托盤，方形托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm，同時巷道采用菱形金屬網護幫，網片網孔尺寸為50 mm×50 mm，相鄰網孔用雙股14 號鐵絲綁扎，巷道支護斷面，如圖3 所示。

圖3 巷道支護斷面圖（單位：mm）

對切頂卸壓后的巷道圍巖變形進行分析，巷道圍巖變形監測曲線，如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形監測曲線

由圖4 可知，隨著監測天數的增加，巷道圍巖變形量呈現先增大后平穩的趨勢，在監測天數為0～5 d時，此時圍巖變形量呈現快速增長趨勢，巷道圍巖變形量大多來源于此階段；當監測天數為5～15 d 時，此時巷道圍巖變形量緩慢增加，增長趨勢較為平緩[3]；當監測天數為15 d 后，在此階段巷道圍巖變形量幾乎達到平穩，只存在微小的增長，對于整體變形來說幾乎可以忽略不計。綜合分析可以看出，巷道頂板下沉量為32 mm，巷道底鼓量為26 mm，巷道兩幫的移近量為35 mm。由此可以看出，經過切頂卸壓后巷道圍巖變形量明顯較小，巷道圍巖變形整體處于可控狀態，切頂卸壓沿空留巷方案成功。

5 結論

1）斜溝礦采用數值模擬軟件對不同切頂高度下巷道圍巖變形量進行分析發現，當切頂高度為15 m時，此時巷道圍巖變形量綜合比較最佳。

2）利用數值模擬對不同切頂卸壓角度下巷道垂直應力變形云圖進行分析發現，當切頂卸壓角度為9°時，此時巷道圍巖變形控制量最佳。