斜溝礦切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術研究

關明利

（西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033602）

1 概述

隨著煤炭開采技術水平的提高和開采力度的加大，我國淺部煤層煤炭儲量越來越少，國內許多煤礦逐漸開始了對深部煤炭資源的開采[1]。深部煤炭開采要將巷道布置在高應力地層中，巷道圍巖受高應力及強采動影響常常出現復雜的破壞形式。為解決這一現狀，通常采用留設區段煤柱方式來緩解巷道變形程度，維護巷道圍巖穩定。但是該方式不僅極大地造成了煤炭資源的浪費，不符合經濟、高效開采的理念，而且留設的區段煤柱在高應力作用下，煤體內部裂隙發育，吸附在煤體內部的瓦斯逐漸涌出，造成采空區發火等災害，不利于煤炭開采。

針對上述問題，該領域許多學者在現有沿空留巷技術基礎上，提出了切頂卸壓無煤柱開采技術，該技術的出現推動了沿空留巷技術的進一步創新[2-5]。基本實現了無煤柱開采，不僅極大地提高了煤炭資源的回收率，降低了采掘比，而且能夠有效改善巷道圍巖應力環境，減小巷內支護的受力及巷旁支護的阻力，極大地提高了沿空巷道圍巖的穩定性。此外，該技術優化了巷道通風方式，實現了Y型通風，進一步實現了煤炭安全高效生產。

2 工程概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km處，礦區南北長約2 km，東西寬約3～4 km，礦井面積約88.6 km2礦井設計生產能力15.0 Mt/a。23111綜放工作面位于斜溝礦21采區南翼東側，緊鄰礦界保護煤柱，工作面南側為實煤區，西側為已回采完畢的23101工作面，水平標高+700 m，開采煤層為太原組8號煤層，煤層厚度 5.40～6.60 m，平均厚度 5.98 m，23111工作面總體為一走向近南北傾向西的單斜構造，煤層平均傾角6.6°。工作面頂板上存在一層厚度約為0.2 m偽頂（砂質泥巖）；直接頂為細粒砂巖，平均厚度約為5 m；老頂為中粒砂巖，平均厚度約為9 m；直接底為粉砂巖，平均厚度約為1.6 m；老底為細粒砂巖，平均厚度約為3 m，工作面煤層頂底板巖性如圖1所示。

圖1 20180綜采工作面煤層頂底板巖性柱狀圖

3 沿空留巷圍巖賦存特征及破壞機理

3.1 圍巖賦存特征

對于沿空巷道巷道而言，其特有的巷旁支護方式及布置位置的特殊性，使巷道圍巖應力分布特征與其他回采巷道不同，主要表現在如下幾個方面[5]：

1）巷道位于應力降低區。在工作面回采期間，上覆巖層受煤層開采擾動覆巖結構發生變化，煤層開采具有一定的活動性，待覆巖趨于穩定后沿采空區布置巷道。此時煤體受到擾動破壞，煤體內部集中應力得到釋放，該區域應力環境相對穩定，利于巷道穩定。

2）圍巖應力集中程度小。在煤體應力釋放的卸壓區布置巷道，該區域圍巖破碎程度加大，裂隙較為發育。巷道布置后受圍巖應力影響程度較小，相比于其他回采巷道而言圍巖更有利于穩定。

3）回采期間受擾動影響程度大。在上區段工作面覆巖結構穩定之后沿采空區邊緣布置巷道為沿空留巷，此時巷道圍巖進入穩定階段，圍巖應力及變形量相對較小。但在本區段工作面回采期間，巷道圍巖受到二次擾動，引起已形成穩定結構的上覆巖層再次活動，造成工作面煤巖體應力疊加，圍巖變形加劇。

3.2 圍壓破壞變形機理

根據對巷道圍巖的影響因素可將圍巖破壞變形機理分為兩大類，具體如下。

3.2.1 自然因素

1）巷道圍巖巖性。圍巖強度和裂隙發育程度是影響巷道穩定的最直接因素，直接關系到巷道受外力作用下最大抵抗程度。

2）巷道埋深。隨著開采深度增加，巷道受上覆巖層壓力也逐漸增大，此外，深部巷道圍巖穩定性受水平應力和垂直應力共同作用影響。

3）煤層傾角。當巷道布置在傾斜煤層中，巷道圍巖所受的垂直應力在巷道走向存在分力，導致巷道圍巖受力不均勻，出現非對稱性破壞特征。

4）地質構造。布置在地質構造帶附近的巷道，地殼運動導致能量的大量釋放和聚集，嚴重影響巷道圍巖穩定性，增大巷道控制難度。

3.2.2 開采技術因素

開采技術因素包括采動次數、巷道斷面形狀及大小、是否存在臨近開采工作面等諸多因素，影響因素不同，巷道圍巖受擾動程度也不相同。

4 切頂卸壓無煤柱開采技術及數值模擬

4.1 技術原理

4.1.1 核心技術

在工作面回采前，用錨桿裝機沿著回采巷道一側打設等距離的爆破孔，裝藥后運用聚能爆破技術進行預制切頂裂紋。當工作面回采后，在上覆巖層在重力及圍巖應力共同作用下，采空區頂板沿裂紋方向發生下滑破碎落至采空區，由巖石的碎脹特性使采空區內垮落巖石體積增大占據采空區并提供一定的支撐力，促使采空區圍巖趨于穩定，如圖2所示。該技術不僅實現對采空區頂板卸壓，而且改變了傳統長壁開采的布局方式，由“一面兩巷”變為“一面一巷”。

圖2 切頂卸壓無煤柱開采技術

4.1.2 技術優勢

1）降低巷道頂板應力集中程度。通過聚能爆破技術將采空區頂板定向切割，實現采用區頂板與巷道頂板分離，隔絕應力傳遞，降低巷道頂板應力集中程度。

2）人為控制采空區頂板垮落。通過預制頂板裂紋，構建頂板巖層自由面，使頂板垮落規則化，利于原巷道保留及圍巖控制。

3）提高煤炭回收率，增加回采安全性。該技術不僅實現無煤柱開采，提高煤炭回收率，增加經濟效益，而且避免工作面回采中留設煤柱導致的瓦斯、沖擊地壓等礦井災害的發生。

4.2 切頂留巷數值模擬研究

4.2.1 模型建立

結合斜溝礦20180綜采工作面地質情況，模型設計尺寸長×寬×高為285 m×5 m×114 m，模型左右兩邊、前后兩面和底面進行位移約束，模型上面設置10 MPa的均布載荷（垂直向下），設置水平應力12.5 MPa（x軸正方向）、8 MPa（y軸正方向）。頂底板巖性參數選擇如表1所示，分別切頂4 m、6 m和8 m這三種情況進行分析，切頂模型圖如圖3所示。

表1 頂底板巖性選取參數

圖3 切頂卸壓數值模型圖

4.2.2 不同切頂高度垂直應力分布特征

圖4 不同切頂高度垂直應力分布云圖

如圖4所示（不同切頂高度垂直應力云圖）可知，切頂高度為4 m時，圍巖應力集中區域距煤壁約3.8 m，應力值高達32.5 MPa，此時應力集中區域距煤壁距離較近，煤壁極易破碎不利于維護，容易造成留巷失敗；而切頂高度為6 m和8 m時，此時應力集中區域距煤壁較遠，分別為14.5 m和15.3 m，應力值較切頂高度4 m時增大幅度較小，此時對留巷影響較小，留巷成功率較大。

依據數值模擬得出的結論，結合現場工業性試驗結果分析，最終確定20180工作面切頂高度7 m時，巷道圍巖應力集中程度較低，且易于施工，切頂卸壓沿空成巷效果明顯。

5 結論

1）通過分析沿空留巷圍巖賦存特征及活動規律，揭示巷道圍巖應力分布及破壞特征。在此基礎上提出了切頂卸壓無煤柱開采原理及核心技術，并運用FLAC3D數值模擬軟件，對不同切頂高度下圍巖應力分布特征進行研究。

2）通過對4 m、6 m和8 m三種不同切頂高度下沿空留巷圍巖垂直應力分布云圖分析可知，4 m切頂高度不能完全切斷采空區頂板，導致部分應力傳遞，不利于留巷，而6 m和8 m切頂高度可有效切斷采空區頂板。在此基礎上，結合現場工業性試驗，最終確定7 m切頂高度，現場切頂卸壓沿空成巷效果明顯。