曹澤峰

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)古縣東瑞煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

東瑞煤礦2101 綜采工作面位于2#煤層一采區(qū)，順槽可采長(zhǎng)度762 m，切眼長(zhǎng)度為180 m。工作面西部為三條大巷，西部為2103 回采工作面，北部為井田邊界，東部為井田內(nèi)推斷采空區(qū)。工作面回采期間2101 輔運(yùn)順槽采用切頂卸壓沿空留巷無(wú)煤柱開采工藝，留巷后作為2103 運(yùn)輸順槽使用。2101 工作面推進(jìn)約100 m 時(shí)，采用聚能切縫爆破切頂卸壓技術(shù)。留巷在使用過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如巷道頂板旋轉(zhuǎn)下沉、單體支柱穿底、U 型鋼底端向巷道滑動(dòng)傾斜等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，其主要原因在于切頂高度不足。為此，決定采用密集鉆孔技術(shù)來(lái)進(jìn)行切頂卸壓。

1 密集孔切頂技術(shù)原理

在巷道開挖后，巷道圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布，使得巷道圍巖周圍出現(xiàn)松動(dòng)圈。在松動(dòng)圈內(nèi)圍巖處于兩向或單向受力狀態(tài)，很容易在應(yīng)力集中條件下發(fā)生破壞[1-2]。鉆孔與巷道形成的松動(dòng)圈相類似。隨著鉆孔周圍應(yīng)力的重新分布，圍巖經(jīng)歷了由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)的轉(zhuǎn)化。最終在鉆孔周圍形成一定范圍的破碎區(qū)，如圖1。由于破碎區(qū)的強(qiáng)度降低，使得圍巖喪失承載能力。通常情況下，將鉆孔周圍的破碎區(qū)和塑性區(qū)稱之為卸壓區(qū)。一個(gè)鉆孔的卸壓區(qū)是有限的，但是多個(gè)鉆孔間距足夠小的時(shí)候，會(huì)使得鉆孔的卸壓區(qū)域相互疊加，形成一個(gè)較大范圍的卸壓區(qū)，如圖2。

圖2 鉆孔卸壓區(qū)疊加示意圖

密集鉆孔切頂?shù)闹饕恚涸阢@孔足夠密集的情況下，由于擾動(dòng)范圍的非線性疊加，在很大程度上增加了卸壓的效果。與此同時(shí)，在鉆孔破碎區(qū)域疊加的位置，有很大可能產(chǎn)生一條非定向的裂縫，裂縫可以對(duì)煤層頂板的巖層進(jìn)行切斷。

在進(jìn)行施工時(shí)，主要分為三個(gè)過(guò)程：（1）進(jìn)行密集鉆孔施工，通過(guò)大量的鉆孔改變圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)巖體進(jìn)行卸壓；（2）鉆孔周圍的塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，形成一定范圍的破碎區(qū)；（3）破碎區(qū)的范圍相互疊加，相互貫通，從而達(dá)到對(duì)巖層的切斷效果。

2 切頂技術(shù)參數(shù)計(jì)算

制定密集鉆孔方案時(shí)，針對(duì)鉆孔參數(shù)的選擇一定要根據(jù)理論計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)做出合理的設(shè)計(jì)。為取得較好的切頂效果，本節(jié)對(duì)切頂參數(shù)設(shè)計(jì)展開研究。切頂?shù)募夹g(shù)關(guān)鍵在于四個(gè)重要指標(biāo)[3]：鉆孔直徑、切頂角度、切頂高度、鉆孔間距。鉆孔角度一般由既有鉆機(jī)條件決定，目前東瑞煤礦購(gòu)置型號(hào)為CMS1-1600/30 的煤礦用深孔鉆車開展沿空留巷切頂鉆孔，配套鉆頭直徑50 mm，滿足鉆孔打眼要求。

2.1 切頂角度計(jì)算

在切頂時(shí)，切頂?shù)慕嵌葘?duì)切頂?shù)男Ч嬖谥艽蟮挠绊?，也?huì)對(duì)卸壓的效果產(chǎn)生一定的影響。在切頂角度合理時(shí)，采空區(qū)的頂板垮落將更加合理，應(yīng)力分布更加均勻，從而更加容易穩(wěn)定。正常情況下，頂板切斷后要依靠自身的重力來(lái)克服切縫邊緣的摩擦力，從而使頂板切斷后垮落。水平方向上的切頂角度變化，可以達(dá)到減小擠壓摩擦力的目的。但是，當(dāng)切頂角度過(guò)小時(shí)，采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉?xí)r擠壓摩擦阻力大于下滑力，頂板回采后難以切落。

綜上所述，切頂角度不宜過(guò)大，雖然鉆孔角度的加大會(huì)確保采區(qū)頂板的順利垮落，但是將會(huì)導(dǎo)致巷旁支護(hù)阻力過(guò)大，難以確保留巷的成功。同時(shí)，切頂角度不宜過(guò)小，過(guò)小容易導(dǎo)致采空區(qū)頂板垮落困難或垮落不徹底，造成安全隱患。因此，通過(guò)理論計(jì)算及工程類比設(shè)計(jì)合理的切頂角度，確保切頂過(guò)程經(jīng)濟(jì)、安全。

為了使采空區(qū)頂板能順利垮落，需要建立頂板垮落的力學(xué)模型[4]。假設(shè)切頂?shù)慕嵌葹棣龋许數(shù)暮穸葹镠，在切頂后會(huì)形成一種鉸接梁結(jié)構(gòu)，如圖3。

圖3 切頂受力分析

此時(shí)直接頂范圍內(nèi)巖體仍較易垮落，而基本頂關(guān)鍵巖塊A'、B'則會(huì)在水平壓力的作用下相互咬合形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)。為保證關(guān)鍵塊B'可沿切縫面產(chǎn)生滑落，根據(jù)砌體梁理論和圍巖結(jié)構(gòu)S-R 穩(wěn)定原理可得其失穩(wěn)條件為：

化簡(jiǎn)可得：

式中：q為基本頂自重及其荷載的作用力集度，kN/m；L為基本頂巖塊的側(cè)向跨度，m；h為基本頂?shù)暮穸?，m；ΔS為巖塊B′的下沉量，m；φ為巖塊間的摩擦角，（°）；θ為切頂角度，（°）。

根據(jù)采高Hc不同，切頂角度θ一般也可以按以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：當(dāng)Hc≤1 m 時(shí)，θ=20°；當(dāng)1 m＜Hc＜3 m 時(shí)，θ=15°；當(dāng)3 m＜Hc≤5 m 時(shí)，θ=10°。由于煤層高度0.9 m，采煤高度1.4～1.6 m，因此，確定切頂角度為15°。

2.2 切頂高度計(jì)算

密集孔切頂需要一定高度，切頂高度從順槽頂板平面開始到切縫沿頂板向上發(fā)育完全處之間的最大垂直距離，切縫則是由密集孔周圍巖石在礦山壓力下形成塑性區(qū)。確定切頂高度時(shí)應(yīng)考慮采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉彎曲變形過(guò)程中能否順利剪斷。切頂高度越大，拉應(yīng)力越大，因此進(jìn)行切頂設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把切頂高度設(shè)計(jì)大一些，從而確保足夠的頂板壓力促使頂板順利切落。

當(dāng)設(shè)計(jì)切頂高度過(guò)小時(shí)，容易導(dǎo)致工作面頂板冒落不充分，上部頂板懸而不冒，一旦突然冒落將形成巨大沖擊力；當(dāng)設(shè)計(jì)切頂高度過(guò)大時(shí)，容易降低鉆孔精確度，增加施工難度。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及理論計(jì)算，選取合適的切頂高度。

利用切頂后巖石垮落碎脹的特點(diǎn)，使切頂范圍內(nèi)巖層垮落后充滿整個(gè)采空區(qū)，對(duì)更上位的巖層起到了較好的支撐作用，其切頂高度為：

根據(jù)頂板巖層厚度分布，選取碎脹系數(shù)為1.24，計(jì)算得出切頂高度為6.7 m。由于采煤方式選擇破底施工，順槽高度2.8～3.0 m，采煤高度1.6 m，采空區(qū)頂板距巷道頂板1.4 m。當(dāng)切頂角度為15°時(shí)，對(duì)應(yīng)的鉆孔深度為5.59 m。為滿足切頂要求，設(shè)計(jì)鉆孔深度為6 m。

2.3 鉆孔間距計(jì)算

鉆孔間距應(yīng)考慮地應(yīng)力作用形成的鉆孔塑性區(qū)范圍。當(dāng)切頂孔周圍的切向應(yīng)力與切頂孔圍巖的抗拉強(qiáng)度相等，由此可求出塑性區(qū)半徑。根據(jù)工程地質(zhì)條件知，2101 工作面埋深為210 m，直接頂頂板巖石的抗拉強(qiáng)度為1.63 MPa，計(jì)算出切頂孔孔壁的塑性區(qū)范圍為243 mm，因此設(shè)計(jì)密集切頂孔的間距為250 mm。

3 應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證密集鉆孔卸壓的效果，對(duì)卸壓后的巷道進(jìn)行了觀測(cè)。經(jīng)過(guò)一個(gè)月的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道的頂?shù)装逡平吭?0～120 mm 之間，兩幫收斂量在80～150 mm 之間。而采用深孔聚能爆破時(shí)巷道頂?shù)装逡平吭?00～400 mm 之間，兩幫收斂量在200～700 mm 之間。與此同時(shí)，密集鉆孔卸壓后的巷道頂板裂縫更少，礦山壓力顯現(xiàn)更小。

4 結(jié)語(yǔ)

在煤礦沿空留巷施工過(guò)程中，切頂卸壓已經(jīng)成為一種重要手段。切頂卸壓的實(shí)現(xiàn)有多種方式，選擇合適的方式十分關(guān)鍵。東瑞煤礦過(guò)去采用了聚能爆破的方式，但在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)切頂深度不夠，巷道變形嚴(yán)重。為此，采用了密集鉆孔技術(shù)進(jìn)行切頂。雖然根據(jù)密集鉆孔技術(shù)卸壓的原理選擇了關(guān)鍵的參數(shù)，但是在實(shí)施過(guò)程中還需要根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。