李勤生

（張掖市宏能煤業(yè)有限公司，甘肅 張掖 734199）

1 概 況

花草灘煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為90萬t/a，井田由51個拐點組成，井田面積為22.446 3 km2，主要可采煤層為煤1、煤2，屬于低瓦斯礦井，礦井壓力較大，地面標高+2 050 m。1102工作面北側(cè)為1104工作面采空區(qū)，南側(cè)為煤2防水煤柱線，西側(cè)為煤1剝蝕邊界,東側(cè)為回風、膠帶、軌道3條暗斜井保護煤柱，工作面標高1 570—1 640 m，1102綜采工作面為刀把式工作面，主采石炭系上統(tǒng)太原組上段煤1，煤層煤厚2.1 m，傾角為19°，煤層頂、底板以粉砂巖為主，局部見砂巖、泥巖，直接頂為砂質(zhì)泥巖，深灰色稍帶灰褐色，上部灰黑色巨厚層狀，粉砂狀結(jié)構(gòu)，含菱鐵礦結(jié)核、云母，性脆、松軟，下部0.3 m泥質(zhì)砂巖、直接頂0～1.7 m；直接底為泥巖、粉砂巖，性脆、與下層過渡接觸，呈水平微波狀層理，上部有0.3 m泥巖含鋁質(zhì)。里切眼傾斜長度110 m，外切眼為92.6 m，可采走向長度355.2 m，傾向長度202.6 m，可采面積為0.377 635 km2?；仫L暗斜井在煤1，軌道暗斜井與膠帶暗斜井間距30 m，與回風暗斜井水平相距55 m，3條巷道標高為膠帶與軌道暗斜井同高且低于回風暗斜井，1102工作面位置如圖1所示。

圖1 1 1 02綜采工作面布置示意Fig.1 Arrangement of No.1102 fully mechanized mining face

2 切頂高度計算

在緩斜煤層綜放開采中，理論垮落帶巖層厚度Hk按式（1）確定：

式中：M為采煤高度，m；KK為垮落帶巖層平均碎脹系數(shù)；a為煤層傾角19°。

根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)，M=2.1 m，碎脹系數(shù)按1.2計算，得出1102工作面各頂板分層碎脹高度，老頂上覆巖層的破斷高度HK=M/(KK-1)cosa=11.05 m。

經(jīng)過理論計算與地質(zhì)柱狀圖分析，將致裂地點選在老頂上部，使裂開后的老頂充分垮落，結(jié)合致裂影響的范圍理論分析，確定煤層上方5.5 m處6.5 m厚砂巖層為致裂層位，使圍巖在煤柱位置卸壓，爆破孔垂深為12 m。

3 FLAC3 D數(shù)值模型建立

以1102工作面實際地質(zhì)與生產(chǎn)條件為背景建立300 m（X）×100 m（Y）×110 m（Z）數(shù)值模型，埋深450 m，煤層距模型頂部60 m，煤層上方約14 m處有22 m厚的中粒砂巖為關(guān)鍵層，模型頂部上覆巖層等效應力P為10 MPa，模擬采用摩爾-庫倫模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulator

結(jié)合煤礦資料，數(shù)值模擬力學參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬物理力學參數(shù)Table 1 Physical mechanics parameters of numerical simulation

4 不同水平位置切頂卸壓分析

4.1 切頂卸壓模擬方案

模擬爆破卸壓區(qū)域距離工作面停采線水平距離10、20、30、40、50 m共5個方案，爆破區(qū)域垂直高度為自煤層頂向上共13 m。建模并進行原巖應力平衡計算，以25 m為1次回采循環(huán)，開挖4次共計100 m，求解并獲取停采線前方垂直應力與煤層垂直應力曲線，分析不同爆破距離對于煤巖體內(nèi)垂直應力的影響。

4.2 不同水平位置切頂對煤巖體內(nèi)垂直應力分布狀態(tài)的影響

在爆破切頂位置距工作面水平距離10、20、30、40、50 m不同的方案下，停采線前方煤巖體內(nèi)的垂直應力分布情況如圖3所示。

圖3 不同爆破切頂方案下的垂直應力分布云圖Fig.3 Distribution nephogram of vertical stress under different blasting roof cutting schemes

由圖3可以看出，隨爆破卸壓位置距工作面水平距離的減小，工作面前方原有高應力區(qū)域范圍顯著降低，爆破位置距工作面水平距離為30～50 m時，應力峰值區(qū)域位于工作面前方水平距離14～16 m，拉近至20 m時，在卸壓區(qū)域兩側(cè)產(chǎn)生應力升高，卸壓區(qū)域兩側(cè)支承應力向卸壓區(qū)轉(zhuǎn)移，爆破卸壓切斷上覆巖層載荷傳遞。

不同方案工作面前方煤柱內(nèi)垂直應力演化規(guī)律曲線，如圖4所示。

圖4 距工作面停采線不同水平位置垂直應力曲線Fig.4 Vertical stress curves under different horizontal positions from stop line

5個爆破方案中，卸壓位置相較于其兩側(cè)，爆破點所受垂直應力劇烈下降至9～13 MPa，爆破卸壓破壞了爆孔周圍煤巖體，導致承載能力減弱，垂直應力降低，在切頂距離工作面水平距離20 m時超前支承應力峰值最高達到43.92 MPa，比未切頂狀態(tài)時應力峰值40.25 MPa大。

圖5 不同水平位置切頂下峰值應力變化曲線Fig.5 The curve of peak stress change under different horizontal position cutting top

5 不同高度切頂卸壓分析

5.1 切頂卸壓模擬方案

巖層的完整性是載荷傳遞的必要條件，因此，將某一巖層從上至下全部打斷與完整時的狀態(tài)進行對比，方便分析隨著爆破卸壓范圍擴大而造成應力演化規(guī)律。在實際中爆破孔均由工作面兩側(cè)順槽向斜上方打設(shè)，因此所有方案中爆破區(qū)域垂直跨度均以煤層頂面為下界，自此向上逐層切斷，爆破卸壓區(qū)域垂直高度分別為5.5、12、14.5、36.6、44.1 m。

5.2 不同切頂高度對煤巖體內(nèi)垂直應力分布狀態(tài)的影響

在垂直高度不同的方案下，工作面前方垂直應力分布情況如圖6所示。

圖6 不同切頂高度下垂直應力分布Fig.6 Vertical stress distribution under different roof cutting heights

對比不同爆破高度方案下垂直應力分布圖，可以得出如下內(nèi)容。

與未采用卸壓措施方案相比，原工作面煤壁前方應力峰值區(qū)消失，爆破卸壓高度方案中，大量載荷向爆破卸壓區(qū)域附近轉(zhuǎn)移，在爆破卸壓區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應力集中，爆破卸壓區(qū)遠離工作面?zhèn)人艽怪睉ο陆担岣吡嘶仫L巷的穩(wěn)定性。不同的切頂方案工作面前方煤柱內(nèi)垂直應力演化規(guī)律特性，如圖7所示。

圖7 不同切頂高度下垂直應力曲線Fig.7 Vertical stress curve under different roof cutting heights

對比爆破卸壓區(qū)域垂直高度分別為5.5、12、14.5、36.6、44.1 m以及未進行爆破卸壓共6個方案下的煤層內(nèi)垂直應力分布曲線，在距工作面煤壁前方2～3 m均形成支承應力峰值，隨著爆破卸壓區(qū)域垂直高度加大，工作面應力峰值不斷下降，說明某一巖層完整性被破壞，大量載荷只能傳遞到卸壓區(qū)附近，當破斷巖層數(shù)量增加，每一層破斷巖層都存在載荷轉(zhuǎn)移并積聚的現(xiàn)象，在卸壓區(qū)附近疊加，且近工作面范圍內(nèi)應力峰值降低。不同切頂高度下動壓峰值應力分布曲線如圖8所示。

圖8 不同切頂高度下動壓峰值應力分布曲線Fig.8 Dynamic pressure peak stress distribution curve under different roof cutting heights

6 切頂前后卸壓護巷效果對比分析

根據(jù)模擬結(jié)論，選取距停采線水平距離10 m、卸壓帶高度為12 m處為爆破卸壓位置。為分析爆破前后回風巷周邊的卸壓效果，根據(jù)之前的分析，本次模型留設(shè)護巷煤柱40 m，在停采線前方40 m處留設(shè)出西翼回風巷道，分析爆破卸壓前后對巷道周圍應力及圍巖變形的影響。爆破卸壓前后垂直應力如圖9所示。

由圖9可知，爆破卸壓后工作面煤壁前方應力峰值減小，載荷向卸壓區(qū)域附近轉(zhuǎn)移，在卸壓區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)應力集中，超前支承應力影響范圍明顯下降，回風下山巷道得到穩(wěn)定性控制。

圖9 爆破卸壓前后垂直應力云圖Fig.9 Vertical stress cloud before and after blasting pressure relief

爆破卸壓前后巷道位移變化如圖10所示。爆破前后回風下山變形情況見表2。

圖1 0爆破卸壓前后巷道位移變化Fig.10 Roadway displacement changes before and after blasting pressure relief

表2 爆破前后回風下山變形情況Table 2 Deformation of return air downhill before and after blasting

爆破卸壓前回風下山變形大。通過爆破前、后現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)對比分析爆破卸壓對工作面前方巷道變形起到護巷作用，表明對巷道實施切頂卸壓后，可有效卸除頂板巖層應力集中，控制頂板下沉量。

7 結(jié) 論

（1）為達到最佳卸壓效果，運用了FLAC3D數(shù)值模擬方法模擬不同爆破角度、爆破高度切頂卸壓圍巖應力變化規(guī)律，分析不同切頂方案下采場超前應力分布和巷道變形規(guī)律，從理論上證實了切頂卸壓技術(shù)的可行性、可靠性，為煤礦解決堅硬頂板和動壓控制問題,維護巷道穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

（2）花草灘煤礦已開采的多個工作面采動影響造成鄰近的采區(qū)暗斜井巷道頂板下沉、幫部片幫，礦井多次組織暗斜井巷道維修，采取切頂卸壓技術(shù)減少工作面采動對暗斜井巷道的影響，降低了主要大巷的修護費用，實現(xiàn)安全效益。

（3）采用切頂卸壓技術(shù)，不僅可以保障巷道的安全穩(wěn)定性，還為相類似地質(zhì)條件下的巷道施工提供技術(shù)參考和借鑒。