煤礦井下切頂卸壓無煤柱綜采技術的應用研究

趙建軍

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

0 引言

山西寧武大運化盛老窯溝煤業12101 綜采面的斜長為210 m，沿空留巷的長度為1 420 m，煤層厚度在2.7～3.9 m 之間，平均煤層厚度是3.2 m。煤層地質結構相對簡單，但煤層的埋深較大，平均埋深約為847 m，煤層的平均傾斜角度為3.2°，12101 綜采面煤層的直接頂是細砂巖，平均厚度是2.97 m，煤層的基本頂是由泥巖和細砂巖組成，平均厚度為8.17 m。目前12101 綜采面在開采過程中主要采用了巷旁充填沿空留巷技術，但其采用了充填支護留巷方式，因此導致綜采面煤體上方應力集中大、巷道變形嚴重，極大的影響了井下綜采作業效率和安全性。

結合現有綜采技術方案的不足，項目組提出了一種新的切頂卸壓無煤柱綜采技術，以FLAC3D 數值模擬分析軟件為基礎，對切頂高度、切頂角度設置進行了分析，確定了最佳參數，同時對井下巷道支護方案進行了優化，提高了支護效率和穩定性。根據實際應用表明，新的無煤柱綜采技術能夠將井下巷道頂板變形量降低42.1%，兩幫變形量降低58.8%，綜采作業速度提升了40.5%，對提升井下綜采作業效率和安全性具有十分重要的意義。

1 切頂卸壓無煤柱綜采技術

切頂預裂參數直接影響到沿空留巷定向爆破效果，其切頂卸壓沿空留巷切頂預裂關鍵參數主要包括了切頂的高度、切縫的角度、預裂爆破孔結構參數和爆破藥裝藥參數等。在傳統方案下，對以上參數的設計主要是依靠人工經驗進行，但存在著可靠性差、安全性不足的問題，因此項目組引入了科學的FLAC3D數值模擬分析軟件[1]，根據12101 綜采面的地形結構，建立了仿真分析模型，對預裂參數進行研究。

1.1 切頂高度參數設計

切頂高度是指在進行預裂爆破后從頂板平面到切縫向上發育的最大垂直距離，根據井下長期工作經驗，分布模擬切頂高度為5、7、9 m 情況下對圍巖應力和位移分布情況的影響，仿真結果如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度情況下的應力分布示意圖

由仿真分析結果可知，當切頂高度為5、7、9 m 的情況下實體煤幫內部的應力集中分別為43.7、40.2、39.5 MPa，表明切頂高度越大，煤幫內的應力集中就越小。當切頂高度超過7 m 后應力集中的變化隨高度的增加逐步降低，而切頂高度越大施工難度和爆破裝藥量就要越大，爆破安全性將降低，因此綜合考慮后，切頂高度選擇為7 m。

1.2 切縫的角度參數設計

巷道頂板的切縫角度將會直接影響到頂板垮落和頂板穩定性，而且當切縫角度向采空區偏轉時候更有利于減小對巷道頂板穩定性的影響[2]。根據前期采掘經驗，分布模擬切頂角度為5°、10°、20°情況下的圍巖應力分布情況，結果如圖2 所示。

圖2 不同切縫角情況下的應力分布示意圖

由實際分析結果可知，當切縫角為5°、10°、20°的情況下實體煤幫內部的應力集中分別為40.2、40.9、44.3 MPa，隨著切縫角的增加而逐步增大。而且當切縫角超過10°的情況下，實體煤幫內部的應力值迅速增加，應力值越大越不利于巷道頂板的穩定性。因此綜合分析后，最佳切縫角設置為10°。

1.3 爆破孔設計及裝藥結構

爆破孔的結構參數和裝藥結構直接決定了井下預裂切縫的效果，不同區域的地質情況不同，因此炮孔直徑、炮孔深度、裝藥結構等會有不同。在進行爆破孔及裝藥結構設計時需要根據井下工程試驗來確定合理的結構參數[3]。

爆破孔及裝藥結構方案制定時，首先根據前期頂板窺視結構進行爆破孔的單孔試驗，確定最有效的裝藥量和爆破孔結構，然后通過連孔試驗來確定最佳孔間距，最后再通過單次起爆數量試驗來確定異常最佳的起爆孔數量。按此流程，確定了12101 綜采面爆破孔深度為8 m，封泥段長度為2 m，相鄰兩個爆破孔的孔間距為700 mm，爆破孔的內徑為42 mm。

在進行實爆驗證后，采用CXK6 型成像儀[4]對爆破鉆孔進行探測，各個爆破孔內的平均裂縫率達到了91.4%，表明了該爆破方案的有效性，爆破后的鉆孔成像結果如圖3 所示。

圖3 爆破孔內裂縫實物圖

2 切頂卸壓留巷支護

為了滿足切頂卸壓無煤柱巷道穩定性需求，結合12101 綜采面的實際情況，在井下采用了新的綜合支護方案，具體如下。

2.1 巷旁支護方案

為了避免周期性來壓時巷道頂板垮落，導致巖石沖入到巷道內，在巷旁采用了可縮性29U 型鋼+鋼筋網聯合支護方案[5]，型鋼的設置間距為0.5 m，其布置時應設置為一條直線，鋼筋網和型鋼需要用鋼絲捆扎在一起保證結構強度。鋼筋網的規格為1 m×2 m，同時為了避免落石的影響，在鋼筋網和采空區的矸石之間還設置了一個菱形網，菱形網之間的搭接長度不低于400 mm，避免影響支護穩定性。巷旁支護結構如圖4 所示[6]。

圖4 巷旁支護結構示意圖

2.2 巷內支護方案

為了提高頂板垮落期間巷道的穩定性，在端頭支架后側250m內采用了“液壓抬棚+π 型梁+單體支柱”聯合支護模式[7]。液壓抬棚的整體長度為4 000 mm，工作時的阻力為3 500 kN，采用了連續布置結構，在抬棚的頂部設置了保護墊，避免損傷頂板。π 型梁整體長度為3 800 mm，布置時垂直于巷道的走向，采用了一梁兩柱的布置結構，π 型梁的距離為600 mm，在頂板破碎度大的地方可以采用加密支護的模式。

3 井下應用情況

目前該切頂卸壓無煤柱綜采技術已經在山西寧武大運化盛老窯溝煤業12101 綜采面投入了應用，對應用以來巷道頂板和煤幫的下沉量進行監測，將監測結果繪制為變形量變化曲線，結果如圖5 所示。

圖5 頂板下沉量變化曲線

由圖5 可知，采用新的無煤柱綜采技術方案后，巷道頂板的最大下沉量為259 mm，比優化前的447.5 mm降低了42.1%，巷道煤幫的下沉量約為151 mm，比優化前的366.2 mm 降低了58.8%。顯著的提升了巷道在綜采作業過程中的穩定性。

由于采用了新的綜采技術模式，使井下的綜采作業效率由最初的4.2 m/天提升到了目前的5.9 m/d，效率提升了40.5%，極大的提升了井下綜采作業的效率和經濟性，目前已經得到了推廣。

4 結論

為了解決山西寧武大運化盛老窯溝煤業12101綜采面煤體上方應力集中大、巷道變形嚴重的問題，提出了一套新的切頂卸壓無煤柱綜采技術。以FLAC3D 數值模擬分析軟件為基礎，對切頂高度、切頂角度設置進行了分析，確定了最佳參數，根據在井下的實際應用表明：

1）FLAC3D 數值模擬分析軟件能夠比較精確的模擬井下巷道應力變化狀態，為科學、合理、快速、精確的確認井下綜采參數奠定了基礎。

2）切頂高度選擇為7 m、切縫角度為10°、爆破孔的孔間距為700 mm 情況下具有最佳的切頂預裂爆破效果。

3）新的無煤柱綜采技術能夠將井下巷道頂板變形量降低42.1%，兩幫變形量降低58.8%，綜采作業速度提升了40.5%，極大的提升了老窯溝煤業井下綜采效率和安全性。