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(kāi)采深度的增大，此時(shí)整體煤巖體環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，這就造成開(kāi)采難度增大，巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中，變形量急劇增加，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成了人員傷亡。堅(jiān)硬頂板是指巷道頂板由巖性較為堅(jiān)硬的巖層組成，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)堅(jiān)硬頂板煤層約占據(jù)總數(shù)的45%，堅(jiān)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(fā)生垮落極易造成較大面積的沖擊波，威脅礦井的正常生產(chǎn)。沿空掘巷計(jì)劃是指在上區(qū)段工作面開(kāi)采后，通過(guò)預(yù)留煤柱進(jìn)行開(kāi)掘巷道的方式，利用窄煤柱將下區(qū)段的工作面與上區(qū)段采空區(qū)隔開(kāi)。沿空掘巷圍巖控制是沿空掘巷技術(shù)實(shí)施的核心，堅(jiān)硬頂板使得沿空掘巷圍巖變形量增大，同時(shí)留設(shè)煤柱寬度也相應(yīng)增大，對(duì)于礦井成本控制較為不利[1-2]。目前針對(duì)堅(jiān)硬頂板治理的技術(shù)主要為切頂卸壓方式，通過(guò)將堅(jiān)硬頂板切斷來(lái)降低堅(jiān)硬頂板的完整性，降低應(yīng)力傳遞及懸臂長(zhǎng)度[3]，使沿空巷道圍巖穩(wěn)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(shù)值模擬軟件對(duì)切頂卸壓參數(shù)進(jìn)行研究，并通過(guò)工業(yè)化應(yīng)用驗(yàn)證其可行性，為礦井沿空掘巷技術(shù)實(shí)施做出貢獻(xiàn)。

1 礦井概況及數(shù)值模擬計(jì)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(chǎn)能力390 萬(wàn)t，23512 工作面主要開(kāi)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(xiàn)開(kāi)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(jiān)硬，直接切頂既無(wú)法保證切縫的方向，同時(shí)也需要較大的爆破能量，所以引入預(yù)切頂，通過(guò)在鉆孔內(nèi)部進(jìn)行預(yù)先切頂，從而保證切頂效果。相鄰鉆孔間裂隙發(fā)育形成預(yù)裂面，切斷應(yīng)力傳遞，將長(zhǎng)距離懸頂轉(zhuǎn)換為短臂懸頂，減小懸頂長(zhǎng)度。為研究不用切頂參數(shù)下切頂效果，建立數(shù)值模型，以工作面軌順為背景，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，利用UDEC 離散元模擬軟件進(jìn)行二維模擬建立。模型長(zhǎng)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(jù)實(shí)際地質(zhì)情況在模型的上端部施加15 MPa 的覆巖均布荷載，對(duì)模型進(jìn)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(kù)倫破壞準(zhǔn)則。對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。完成模型的建立。

采用控制變量法進(jìn)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(jiān)硬巖層，所以切頂高度基本頂頂端，切頂前后采空區(qū)側(cè)頂板破斷結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖1 切頂前后采空區(qū)側(cè)頂板破斷結(jié)構(gòu)圖

如圖1 所示為不同切頂角度下，采空區(qū)側(cè)頂板破斷結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，當(dāng)未切頂時(shí)，此時(shí)在煤柱上方形成大面積的懸頂，選定向煤柱側(cè)發(fā)生傾斜，此時(shí)煤柱承受較大的壓力，由于煤柱尺寸較小，此時(shí)的煤柱及沿空巷道變形嚴(yán)重。進(jìn)行切頂后，當(dāng)切頂角度為 105°時(shí)，此時(shí)堅(jiān)硬頂板由于切頂面的摩擦力及采空區(qū)覆巖的水平推力，使得采空區(qū)上方巖層無(wú)法有效垮落，基本頂與直接頂無(wú)法接底。當(dāng)減小切頂角度至 90°時(shí)，此時(shí)煤柱上方及采空區(qū)上方巖層存在較大摩擦力，采空區(qū)頂板無(wú)法沿切頂面順利滑落，基本頂與直接頂未有效接底，此時(shí)的煤柱受到較大的側(cè)向支撐力，巷道穩(wěn)定性仍不可靠。減小切頂角度至75°時(shí)，此時(shí)采空區(qū)上方巖層能夠沿著切頂面順利滑落，此時(shí)巖層的自重大于煤柱上方巖層給予的摩擦力，采空區(qū)被切落巖層壓實(shí)，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(wěn)定性。當(dāng)切頂角度為60°時(shí)，此時(shí)切頂角度較小，使得煤柱上方短懸臂梁長(zhǎng)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(xiàn)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(wěn)定。同樣的當(dāng)切頂角度為45°時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)類似60°時(shí)的問(wèn)題。綜上所述最佳的切頂角度為75°，此時(shí)的采空區(qū)上方巖層順利滑落，填充采空區(qū)，從而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減小了煤柱側(cè)載荷，減小了采空區(qū)高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩(wěn)定性。

在沿空巷道布設(shè)的兩條測(cè)線，用于監(jiān)測(cè)不同切頂角度下沿空巷道垂直應(yīng)力分布情況，垂直應(yīng)力曲線如圖2 所示。

圖2 不同切頂角度下沿空巷道垂直應(yīng)力分布曲線

從圖2 可以看出，不同切頂角度的垂直應(yīng)力分布趨勢(shì)整體無(wú)明顯差異，僅存在數(shù)值上的差異。在煤層回采時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)發(fā)生一定的轉(zhuǎn)移，當(dāng)工作面推過(guò)后，此時(shí)在后方采空區(qū)的應(yīng)力區(qū)域穩(wěn)定，實(shí)體煤側(cè)的峰值應(yīng)力也同樣趨于穩(wěn)定。觀察頂板垂直應(yīng)力曲線可以看出，從實(shí)體煤側(cè)至煤內(nèi)部，應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在距煤壁5～10 m 時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，表現(xiàn)為高應(yīng)力區(qū)；而在10～30 m 范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。距離煤壁30 m外應(yīng)力趨于穩(wěn)定；觀察應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線上的垂直應(yīng)力分布，可以看出未切頂時(shí)，此時(shí)巷道實(shí)體煤內(nèi)部的應(yīng)力峰值為55.9 MPa，明顯高于切頂后的應(yīng)力峰值，當(dāng)切頂角度為105°時(shí)，此時(shí)相對(duì)于切頂時(shí)，巷道應(yīng)力峰值降低了4.11%；當(dāng)切頂角度減小至90°、75°、60°和45°時(shí)，此時(shí)應(yīng)力峰值相對(duì)于未切頂時(shí)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(yīng)力峰值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)切頂角度為75°，此時(shí)的應(yīng)力峰值最小，同時(shí)結(jié)合圖一分析可以得出最佳的切頂角度為75°。

2 應(yīng)用研究

根據(jù)模擬結(jié)果，預(yù)裂爆破切頂最合理角度為75°，在回采工作面內(nèi)打設(shè)鉆孔，在鉆孔內(nèi)部進(jìn)行裝藥爆破，爆破采用雙向聚能管，達(dá)到回采頂板沿著致裂面滑落的效果。炮眼深度設(shè)計(jì)為17～18 m，孔間距為2 m，鉆孔直徑為50 mm，炮孔嚴(yán)格按照角度施工，孔間連線為一條直線，對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行裝藥、封孔，爆破。進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，按照“十字觀測(cè)法”對(duì)巷道圍巖進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，將測(cè)點(diǎn)A、B 布置于巷幫兩側(cè)中點(diǎn)，C、D布置于頂?shù)装逯悬c(diǎn)，對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭瓦M(jìn)行位移變形監(jiān)測(cè)，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(yīng)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(shí)巷道整體的位移變形呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)，選取巷道的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，可知在距離回采面10 m范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)的兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤_(dá)到最大值，此時(shí)的頂?shù)装蹇偟淖冃瘟窟_(dá)到了245 mm，此時(shí)的巷道兩幫移近量最大值為162 mm，而當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離回采工作面100 m 以上時(shí)，此時(shí)的回采并不會(huì)對(duì)整體巷道變形量有較大影響，此時(shí)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(jié)論

1）切頂角度為75°，此時(shí)的采空區(qū)上方巖層順利滑落，填充采空區(qū)，從而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減小了煤柱側(cè)載荷，減小了采空區(qū)高位巖層的垮落下沉，保障了巷道的穩(wěn)定性。

2）減小切頂角度應(yīng)力峰值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)切頂角度為75°，此時(shí)的應(yīng)力峰值最小。

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