官地礦堅硬頂板切頂沿空留巷圍巖控制技術

柳建琦

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030053）

0 引言

隨著開采深度的增大，此時整體煤巖體環境越來越復雜，這就造成開采難度增大，巷道處于高應力環境中，變形量急劇增加，極易發生失穩破壞，造成了人員傷亡。堅硬頂板是指巷道頂板由巖性較為堅硬的巖層組成，據統計我國堅硬頂板煤層約占據總數的45%，堅硬頂板的存在使得頂板難落難落，形成大面積懸頂，懸頂一旦發生垮落極易造成較大面積的沖擊波，威脅礦井的正常生產。沿空掘巷計劃是指在上區段工作面開采后，通過預留煤柱進行開掘巷道的方式，利用窄煤柱將下區段的工作面與上區段采空區隔開。沿空掘巷圍巖控制是沿空掘巷技術實施的核心，堅硬頂板使得沿空掘巷圍巖變形量增大，同時留設煤柱寬度也相應增大，對于礦井成本控制較為不利[1-2]。目前針對堅硬頂板治理的技術主要為切頂卸壓方式，通過將堅硬頂板切斷來降低堅硬頂板的完整性，降低應力傳遞及懸臂長度[3]，使沿空巷道圍巖穩定性得到有效控制。本文以官地礦23512 工作面為工程背景，采用數值模擬軟件對切頂卸壓參數進行研究，并通過工業化應用驗證其可行性，為礦井沿空掘巷技術實施做出貢獻。

1 礦井概況及數值模擬計算

官地礦位于西山煤田西南，井田面積74.593 1 km2，礦井核定生產能力390 萬t，23512 工作面主要開采3#煤層，煤層平均厚度3.5 m，煤層傾角2°～8°，平均傾角5°，由于現開采煤層頂板較硬。在沿空掘巷切頂卸壓中，由于頂板巖性較為堅硬，直接切頂既無法保證切縫的方向，同時也需要較大的爆破能量，所以引入預切頂，通過在鉆孔內部進行預先切頂，從而保證切頂效果。相鄰鉆孔間裂隙發育形成預裂面，切斷應力傳遞，將長距離懸頂轉換為短臂懸頂，減小懸頂長度。為研究不用切頂參數下切頂效果，建立數值模型，以工作面軌順為背景，根據實際地質條件，利用UDEC 離散元模擬軟件進行二維模擬建立。模型長寬分別為350 m 和100 m，巷道的斷面尺寸寬高分別為5.2、4 m；根據實際地質情況在模型的上端部施加15 MPa 的覆巖均布荷載，對模型進行邊界約束的施加，固定模型左右及底端位移，模型選擇摩爾庫倫破壞準則。對模型的力學參數進行設定。完成模型的建立。

采用控制變量法進行最佳切頂角度研究。選取切頂角度105°、90°、75°、60°和 45°五種，考慮到基本頂為堅硬巖層，所以切頂高度基本頂頂端，切頂前后采空區側頂板破斷結構圖，如圖1 所示。

圖1 切頂前后采空區側頂板破斷結構圖

如圖1 所示為不同切頂角度下，采空區側頂板破斷結構圖。從圖中可以看出，當未切頂時，此時在煤柱上方形成大面積的懸頂，選定向煤柱側發生傾斜，此時煤柱承受較大的壓力，由于煤柱尺寸較小，此時的煤柱及沿空巷道變形嚴重。進行切頂后，當切頂角度為 105°時，此時堅硬頂板由于切頂面的摩擦力及采空區覆巖的水平推力，使得采空區上方巖層無法有效垮落，基本頂與直接頂無法接底。當減小切頂角度至 90°時，此時煤柱上方及采空區上方巖層存在較大摩擦力，采空區頂板無法沿切頂面順利滑落，基本頂與直接頂未有效接底，此時的煤柱受到較大的側向支撐力，巷道穩定性仍不可靠。減小切頂角度至75°時，此時采空區上方巖層能夠沿著切頂面順利滑落，此時巖層的自重大于煤柱上方巖層給予的摩擦力，采空區被切落巖層壓實，基本頂和直接頂完全接底，并連接上部巖層，較好的阻止了高位巖層的下沉，確保了整體的穩定性。當切頂角度為60°時，此時切頂角度較小，使得煤柱上方短懸臂梁長度有所增加，雖然頂板巖層摩擦力降低，但由于不同巖層間出現交叉接觸面，使得巖層不易滑落，不利于煤柱和沿空巷道的穩定。同樣的當切頂角度為45°時，此時出現類似60°時的問題。綜上所述最佳的切頂角度為75°，此時的采空區上方巖層順利滑落，填充采空區，從而形成穩定結構，減小了煤柱側載荷，減小了采空區高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩定性。

在沿空巷道布設的兩條測線，用于監測不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布情況，垂直應力曲線如圖2 所示。

圖2 不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布曲線

從圖2 可以看出，不同切頂角度的垂直應力分布趨勢整體無明顯差異，僅存在數值上的差異。在煤層回采時，此時的應力集中區會發生一定的轉移，當工作面推過后，此時在后方采空區的應力區域穩定，實體煤側的峰值應力也同樣趨于穩定。觀察頂板垂直應力曲線可以看出，從實體煤側至煤內部，應力值呈現增大的趨勢，在距煤壁5～10 m 時，此時出現一定的應力集中，表現為高應力區；而在10～30 m 范圍內時，此時的垂直應力呈現逐漸減少的趨勢。距離煤壁30 m外應力趨于穩定；觀察應力監測曲線上的垂直應力分布，可以看出未切頂時，此時巷道實體煤內部的應力峰值為55.9 MPa，明顯高于切頂后的應力峰值，當切頂角度為105°時，此時相對于切頂時，巷道應力峰值降低了4.11%；當切頂角度減小至90°、75°、60°和45°時，此時應力峰值相對于未切頂時分別降低了7.19%、18.53%、12.54%、13.97%，可以看出雖然減小切頂角度應力峰值變化趨勢呈現先減小后增大的趨勢，當切頂角度為75°，此時的應力峰值最小，同時結合圖一分析可以得出最佳的切頂角度為75°。

2 應用研究

根據模擬結果，預裂爆破切頂最合理角度為75°，在回采工作面內打設鉆孔，在鉆孔內部進行裝藥爆破，爆破采用雙向聚能管，達到回采頂板沿著致裂面滑落的效果。炮眼深度設計為17～18 m，孔間距為2 m，鉆孔直徑為50 mm，炮孔嚴格按照角度施工，孔間連線為一條直線，對鉆孔內部進行裝藥、封孔，爆破。進行測點布置，按照“十字觀測法”對巷道圍巖進行變形監測，將測點A、B 布置于巷幫兩側中點，C、D布置于頂底板中點，對巷道頂底板及兩幫進行位移變形監測，距工作面不同距離圍巖變形量曲線如圖3所示。

圖3 不同切頂角度下沿空巷道垂直應力分布曲線

如圖3 所示可以看出，隨著距離工作面距離的不斷縮近，此時巷道整體的位移變形呈現出逐步增大的趨勢，選取巷道的幾個測點，可知在距離回采面10 m范圍內時，此時的兩幫及頂底板變形量均達到最大值，此時的頂底板總的變形量達到了245 mm，此時的巷道兩幫移近量最大值為162 mm，而當監測點距離回采工作面100 m 以上時，此時的回采并不會對整體巷道變形量有較大影響，此時的巷道變形量大值在40 mm 左右，整體巷道變形量得到有效控制。

3 結論

1）切頂角度為75°，此時的采空區上方巖層順利滑落，填充采空區，從而形成穩定結構，減小了煤柱側載荷，減小了采空區高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩定性。

2）減小切頂角度應力峰值變化趨勢呈現先減小后增大的趨勢，當切頂角度為75°，此時的應力峰值最小。

3）隨著距離工作面距離的不斷縮近，此時巷道整體的位移變形呈現出逐步增大的趨勢，巷道整體變形量得到有效控制。