煤礦切頂卸壓自成巷開采技術的應用研究

王 磊

（大同煤礦集團公司云崗礦技術科，山西 大同 037000）

我國煤炭資源分布廣泛且所在區(qū)域地質(zhì)條件復雜，為保證煤礦的采出率和生產(chǎn)效率，需根據(jù)工作面地質(zhì)、水文以及煤層等情況選擇最佳采煤工藝。目前，我國淺部煤層的儲量逐年減少，大部分煤礦已經(jīng)進入深度開采階段。傳統(tǒng)深部煤層開采采用留設區(qū)段煤柱開采直接導致大量煤炭資源，而且容易造成工作面應力集中導致頂板坍塌、兩幫移近等問題。因此，為盡可能的提升工作面煤炭的采出率，保證煤礦生產(chǎn)的安全性，將切頂卸壓自成巷開采技術應用于大同煤礦集團公司云崗礦生產(chǎn)中。本文對切頂卸壓自成巷開采技術的應用效果進行研究。

1 工程概況

某煤礦可開采煤層包括有3號、9號和15號煤層，設計初期的生產(chǎn)能力為30萬t/a，本文以3號煤層為例展開研究。3號煤層所屬工作面煤層平均厚度為4.36 m，普式硬度為1.2，且工作面煤層傾角較小。經(jīng)探測，3號煤層所屬礦井為低瓦斯礦井。為保證3號煤層工作面巷道圍巖控制效果，對其頂?shù)装迩闆r進行研究，具體如表1所示。

表1 3號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測可知：3號煤層所屬工作面的最大涌水量為320 m3/h。3號煤層工作面所斷面形狀為梯形，斷面上寬度值為2.4 m，下寬度值為3.6 m。

2 切頂參數(shù)的最優(yōu)化求解

針對某礦3號煤層采用切頂卸壓自成巷開采技術，為保證采取該采煤工藝不論從工作面采出率和圍巖的控制效果能夠達到預期效果，需對切頂卸壓自成巷開采工藝的相關參數(shù)進行綜合確定。本文首先采用數(shù)值模擬試驗方法對切頂參數(shù)進行最優(yōu)化求解。根據(jù)“1”中所述工作面煤層、巖層等特征建立平面模型，并對模型中的參數(shù)進行設置。

2.1 切頂卸壓自成巷開采技術的適用性研究

首先，基于所建立的數(shù)值模擬模型對采用切頂卸壓自成巷開采技術和采用不切頂開采工藝下工作面巷道內(nèi)應力分布及頂板下沉量、巷道底鼓量以及兩幫盡量等情況進行仿真分析。經(jīng)仿真分析得出如下結論：

基于不切頂開采工藝對應巷道內(nèi)最大應力值為37 MPa，而基于切頂開采工藝下對應巷道內(nèi)最大應力值為33 MPa。因此，采用切頂卸壓自成巷開采工藝可有效降低工作面的應力集中現(xiàn)象。

對兩種不同開采工藝下工作面巷道頂板、底板和兩幫圍巖的控制效果進行仿真，鑒于篇幅原因此處僅列出底板和兩幫的控制效果，得出如圖1所示的結果。

圖1 巷道圍巖控制效果圖

如圖1所示，采用切頂卸壓自成巷開采技術對應巷道底板和兩幫的移近量分別為17 cm和26 cm；而采用不切頂開采技術對應巷道底板和兩幫的移近量分別為24 cm和36 cm。

綜上所述，采用切頂卸壓自成巷開采技術可有效控制工作面的圍巖，并降低工作面的應力集中現(xiàn)象。

2.2 切頂工藝參數(shù)的優(yōu)化確定

2.2.1 采煤高度參數(shù)的確定

結合設計經(jīng)驗，對采煤高度分別為1.5 m和3.0 m對應的位移和應力云圖進行對比研究。經(jīng)仿真分析可知：隨著采煤高度的增加對應工作面頂板垮落位移從1.2 m增加至2.5 m，即說明隨著采煤高度的增加對應巷道頂板所承受的壓力增大。

通過分析可知，隨著采煤高度的增加工作面巷道的應力集中現(xiàn)象越發(fā)嚴重。因此，在保證工作面開采效率的基礎上應盡可能降低采煤高度。針對3號煤層，最終確定切頂卸壓自成巷開采技術中采煤高度為1.5 m。

2.2.2 切頂高度參數(shù)的確定

本節(jié)對切頂高度分別為3.6 m、8.0 m、9.6 m以及14.4 m對工作面沿空留巷的影響進行研究，其中采煤高度為1.5 m，切頂角度為0°，著重對工作面開采后的應力情況和圍巖變化量進行對比研究。

就工作面巷道圍巖應力分布情況而言，切頂高度分別為3.6 m、8.0 m、9.6 m、14.4 m對應巷道圍巖的應力集中位置分別位于距離左幫煤柱11.0 m、12.5 m、13.0 m、13.4 m，且對應應力值大小分別為36 MPa、33 MPa、33 MPa、32 MPa。

不同切頂高度下對應工作面巷道頂板、底鼓以及煤柱側位移量的仿真結果如圖2所示。

圖2 不同切頂高度下對應巷道圍巖的位移量對比

如圖2所示，隨著切頂高度的增加巷道頂板、底鼓以及煤柱的位移量均在減小，而且當切頂高度為9.6 m和14.4 m時對應位移量變化幅度減小。考慮到實際施工的情況以及成本，最終確定切頂高度值控制在8~10 m的范圍之內(nèi)。

2.2.3 切頂角度參數(shù)的確定本節(jié)對切頂角度分別為0°、10°、20°、30°對工作面沿空留巷的影響進行研究，其中采煤高度為1.5 m，切頂高度為9.6 m，著重對工作面開采后的應力情況和圍巖變化量進行對比研究。

就工作面巷道圍巖應力分布情況而言，切頂角度分別為0°、10°、20°、30°對應巷道圍巖的應力集中位置分別位于距離左幫煤柱8.0 m、12.5 m、13.0 m、12.3 m，且對應應力值大小分別為34.7 MPa、33.0 MPa、31.2 MPa、32.0 MPa。

不同切頂角度下對應工作面巷道頂板、底鼓以及煤柱側位移量的仿真結果如圖3所示。

如圖3所示，隨著切頂角度的增加巷道頂板、底板以及煤柱位移增加，而且當切頂角度大于20°后位移量增大速度增大。結合圍巖應力仿真結果，應將切頂角度控制在0°~20°之間。

針對某礦工作面其對應切頂卸壓自成巷開采技術的最佳開采參數(shù)如下：采煤高度應在保證工作面生產(chǎn)效率的基礎上，盡可能的選取較小采煤高度值；對應切頂高度應控制在8~10 m之間；對應切頂角度應控制在0°~20°之間。

圖3 不同切頂角度下對應巷道圍巖的位移量對比

3 結語

切頂卸壓自成巷開采技術適用于深部煤炭資源的開采，其與傳統(tǒng)采煤工藝相比較具有較高的安全性和開采率。本文將切頂卸壓自成巷開采技術應用于某礦3號煤層的開采中，并對切頂開采技術中涉及到的開采工藝參數(shù)進行最優(yōu)化求解：

1）基于切頂開采工藝可有效解決工作面圍巖的應力集中現(xiàn)象，并可有效控制工作面的圍巖；

2）針對某煤礦3號煤層最佳切頂開采參數(shù)如下：切頂角度為0°~20°、切頂高度控制在8~10 m、采煤高度控制在1.8 m。