薄煤層沿空留巷切頂卸壓技術研究

李饒榮 周 虎 樊在壯

（1.神木匯森涼水井礦業有限責任公司，陜西 神木 719319；2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116）

薄煤層沿空留巷技術解決了薄煤層開采中的煤柱留設、巷道掘進量大、煤炭采出率低等問題，符合綠色采礦、科學采礦的發展方向，促進了我國無煤柱護巷技術的發展[1]。當煤層頂板為堅硬穩定頂板，工作面回采后頂板不易垮落甚至大面積懸頂，會造成巷旁充填體、巷道圍巖的變形破壞。因此在巷旁充填體構筑起來之前必須采取有效的采空區頂板人工切頂措施。

近年來，國內外學者在沿空留巷切頂卸壓方面做了大量的實踐和研究工作[2-5]，建立了沿空留巷切頂卸壓的力學模型，分析了切頂卸壓過程中應力轉移規律，結合數值模型與現場實際條件，得出了沿空留巷切頂卸壓機制與主要參數，提出了切頂卸壓沿空巷道的支護技術，但對陜北地區淺埋薄煤層堅硬厚頂板切頂卸壓研究較少。

本文以涼水井煤礦4-3 煤層薄煤層沿空留巷為工程背景，綜合采用理論分析、數值計算和現場試驗的方法，研究了淺埋下位薄煤層堅硬厚頂板沿空留巷聚能爆破切頂卸壓關鍵參數。研究結果有助于提高相關條件礦井沿空留巷的成功實施，并有利于保障該類礦井的安全生產。

1 工程概況

431301 工作面斜長180 m，走向長1894 m，煤層厚度1.1～1.4 m，煤層埋深平均130 m，傾角小于2°。頂板自下而上為10.73 m 細砂巖、5.32 m 粉砂巖、3.45 m 中砂巖、0.70 m 粉砂巖、4-2 煤采空區。工作面采用綜合機械化采煤，采用沿空留巷技術后，其膠運巷作為431302 工作面回風巷，留巷寬度與高度分別為4.9 m 和3 m，巷旁支護體采用高水材料進行充填，充填體寬度與高度分別為1.6 m 和1.6 m，高水材料水灰比為1.5:1。沿空留巷斷面如圖1 所示。

圖1 431301 工作面沿空留巷斷面圖

2 切頂卸壓關鍵參數確定

切頂卸壓關鍵參數包括切頂高度、切頂角度、爆破鉆孔間距。

（1）切頂關鍵參數分析

① 預裂切頂高度

從地質柱狀圖可知，其4-3 煤層上部直接頂厚度遠大于其采高。當預裂切頂面未貫穿整個巖層時，由于受采空區高度限制，直接頂在彎曲變形過程中就會與底板接觸。要實現堅硬厚頂板的整體拉斷，則切頂高度必須足夠大，以使作用在預裂切頂未貫穿面的拉力將頂板切斷，切頂高度的取值小于20 m。

② 預裂切頂角度

對于薄煤層開采來講，其頂板切落的實現主要依靠直接頂自身重力及頂板下沉變形施加到直接頂巖層上的上覆荷載而產生的剪切作用。因此，必須要有一定預裂切頂角度，避免在切頂面產生較大的摩擦阻力，切頂角度取10～30°。

③ 預裂爆破鉆孔間距

若要達到良好的切縫效果，兩孔的損傷裂隙應貫通，其判據條件為2 個聚能爆破孔產生的損傷深度之和大于孔距，爆破的判據條件為：

式中

d-切縫鉆孔中心距，mm；

rb-切縫鉆孔半徑，取19 mm；

λ-側壓系數，λ=μ/（1-μ），μ取0.35；

p-原巖應力，取13 MPa；

pb-炮孔壁沖擊波峰值壓力，取3578 MPa；

D0-巖體初始損傷參數，取0.6；

σt-巖石抗拉強度，取8.85 MPa；

δ-爆炸應力波衰減系數，δ=2-μ/（1-μ） 。

求得d≤1023 mm。

（2）切頂關鍵參數的數值模擬分析

① 切頂高度

根據431301 工作面具體工程地質條件，運用有限差分軟件FLAC3D建立切頂留巷數值模型，分別模擬切頂深度為6 m、8 m、10 m、12 m時圍巖變化特征，得出計算結果及圍巖變形規律如圖2 所示。

圖2 不同切頂高度下垂直應力分布規律

計算結果表明：切頂高度由6 m 增加到12 m 時，巷道內部應力集中程度逐漸減弱，應力集中區域距離巷道越來越遠，充填體內部的最大垂直應力分別為6.5 MPa、6.1 MPa、5.8 MPa、5.3 MPa、5.6 MPa，巷道實煤體側最大垂直應力分別為9.6 MPa、7.3 MPa、5.4 MPa、5.0 MPa、5.4 MPa。充填體的最大垂直位移量分別為110 mm、90 mm、60 mm、50 mm、40 mm，巷道頂板最大下沉量分別為80 mm、60 mm、50 mm、40 mm、30 mm。表明切頂高度越大，應力集中峰值越小，且應力集中區距離巷幫越遠，對巷道穩定越有利。但當切頂高度達到一定程度后，繼續增加切頂高度對應力集中區位置影響不甚明顯，并且切頂高度越大，施工難度越大。綜合對比可知，切頂高度為10 m 時，集中應力較小，應力集中區距巷道較遠，頂板下沉在可控范圍內，有利于巷道圍巖穩定。考慮到現場實際情況切頂高度選擇10 m。

② 切頂角度

為分析預裂切頂角度的影響，設計預裂切縫長度10 m，預裂切頂面向采空區偏轉不同角度，分別為0°、10°、20°、30°四種情況，得出計算結果及圍巖變形規律如圖3 所示。

圖3 不同切頂角度下垂直應力分布圖

計算結果表明：切頂角度由0°增加到30°時，巷道內部應力集中程度逐漸增強，應力集中區域距離巷道越來越近，充填體內部最大垂直應力分別為5.0 MPa、5.1 MPa、5.2 MPa、7.6 MPa、8.1 MPa，巷道的實煤體側最大垂直應力分別為5.0 MPa、5.3 MPa、5.6 MPa、6.4 MPa、7.4 MPa。表明切頂角度越大，應力集中峰值越大，且應力集中區距離巷幫越近，對巷道穩定越不利。充填體最大垂直位移量分別為50 mm、51 mm、53 mm、58 mm、61 mm，巷道頂板最大下沉量分別40 mm、42 mm、44 mm、48 mm、51 mm。結果表明：隨著切頂角度的增加，充填體垂直位移量與頂板下沉量逐漸增大。綜合對比可知，切頂角度為0°、10°、20°時，巷道集中應力較小，巷道變形量較小，但切頂角度為0°和10°時，施工較為不便，綜合考慮，選擇預裂角度為20°。

（3）定向預裂炮孔間距優化

爆破孔間距的選擇對切縫效果有著重要的影響，在4-3 煤層尚未開采時，在4-2 煤層進行了定向預裂試驗。經對試驗結果的分析確定炮孔間距為600 mm。4-3 煤層留巷期間，對600 mm 孔間距的留巷效果做了進一步觀測，認為可以將炮孔間距適當增大，以減緩工人勞動強度與切頂費用。此次超前定向預裂試驗的優化炮孔間距采用900 mm 的孔間距，切頂參數見表1。

試驗結果為：① 爆破孔與觀測孔均有冒煙現象，且對觀測孔窺視過程中，推桿上有濃重的炮煙味；② 爆破后觀測孔1#、3#、6#、9#和爆破孔7#、8#、10#有流水現象，流水持續時間10 min 左右，其中爆破孔的水量比觀測孔的水量大，且在對觀測孔窺視過程中發現了微小裂隙；③ 由窺視結果可知，爆破孔裝藥段出現明顯對稱的縱向裂隙如圖4 所示；④ 900 mm 炮孔間距平均孔隙率為86.39%，小于600 mm 炮孔間距的平均孔隙率（96%），但爆破孔裝藥段裂隙率仍大于80%，滿足切頂需求。試驗現象統計見表2。

表1 超前定向預裂技術參數一覽表

圖4 部分鉆孔窺視影像（縱向裂隙成對稱分布）

表2 試驗現象統計

綜上分析可知：900 mm 孔間距的炮孔布置爆破切頂效果較為理想。為了減輕勞動強度與切頂成本，可以將炮孔間距調整為900 mm。

3 工程實踐

（1）在工作面0～20 m 范圍內，處于留巷初期，圍巖變形量較小；在20～40 m 范圍內，充填體上部頂板活動劇烈，圍巖變化速率較大；在40～60 m 范圍內，采空區側頂板垮落得到支撐，沿空留巷結構趨于穩定。頂底板最大移近量為 75 mm 左右，兩幫最大移近量為65 mm 左右。

（2）采用了合理的聚能爆破切頂卸壓技術方案后，在工作面后方60 m 范圍內沿空巷道圍巖控制效果良好，巷道周圍沒有出現較明顯的應力集中，巷道圍巖變形量較小，充填體的強度能保證留巷結構穩定，留巷效果達到設計要求。

4 結論

（1）運用理論、數值計算等方法分析了切頂高度、切頂角度對沿空巷道圍巖穩定性的影響，最終確定切頂高度為10 m、預裂角度為20°時，頂板垮落及時，巷道集中應力較小，沿空巷道具有良好的穩定性。

圖5 沿空留巷圍巖位移量

（2）綜合采用理論分析與現場試驗的方法確定了預裂炮孔間距為900 mm。試驗結果表明，炮孔內出現了與聚能槽相對應的對稱縱向裂隙，且孔隙率達到設計要求。

（3）現場工程實踐表明，在采用了聚能爆破切頂卸壓沿空留巷技術后，巷道圍巖變形量較小，充填體結構穩定，留巷效果達到設計要求。