厚煤層小煤柱護巷切頂卸壓技術研究

劉四平

（山西靈石華苑煤業有限公司，山西 晉中 031300）

由于上覆巖層旋轉下沉產生的動載荷，以往巷道的充填體會因此受到影響而發生破壞，而采用切頂卸壓技術就可以減弱由于頂部巖層旋轉下沉所導致的動壓影響[1]。該技術利用人工爆破進行放頂，使前方巷道的頂板預裂，在工作面推進后，頂板可以沿著爆破裂縫直接垮斷，充填采空區，使頂板塊體更早地與采空區矸石接觸，以此來減少上覆巖層動載荷的影響[2-3]。

1 概況

山西靈石華苑煤業有限公司開采標高+1 106.00～ +747.4 m，目前開采9#、10#煤層，2#、3#煤層封閉，7#煤層尚未開采。井田內溝谷發育，地形復雜，地勢總體西高東低。10202工作面為孤島工作面，屬于10#煤層，位于井田南部二采區，工作面埋深約400 m，走向長度2000 m，工作面寬度195 m，平均采高4.23 m。10#煤層煤厚2.80～5.93 m，平均4.23 m，煤層結構較簡單，為全區可采的穩定煤層。在開拓范圍內，煤層傾角3°～5°。

10#煤層上覆巖層依次為5.32 m的砂質泥巖、1.12 m的9#煤和6.8 m的石灰巖，底板為3.23 m的砂質泥巖、0.63 m的煤。

2 切頂卸壓技術數值模擬

2.1 模型建立

利用FLAC3D軟件對切頂卸壓護巷可行性進行模擬分析，根據工作面的實際生產條件，建立模型大小為140 m×2 m×100 m（長×寬×高），上部施加均布荷載7.5 MPa，模型其他面進行位移約束。建立模型如圖1，頂底板各層的物理力學參數見表1。

圖1 模型圖

表1 頂底板各層物理力學參數

2.2 切頂卸壓護巷技術的數值模擬

首先探究一下不同煤柱寬度下巷道圍巖變形特性，設置兩種工況：20 m和40 m的煤柱寬度。圖2為20 m煤柱寬度未切頂條件下圍巖移近圖。由圖可知兩幫最大變形量分別為149 mm、163 mm，頂底板最大變形量為175 mm和34 mm。圖3為20 m煤柱寬度切頂條件下圍巖移近圖。由圖可知，兩幫最大變形量分別為112 mm、131 mm，頂底板最大變形量為147 mm和31 mm。由此可知，在切頂卸壓條件下，相比于未切頂時兩幫移進量減少22%，巷道上下板之間變形減小近13%。從模擬結果可以得知，相比于不采用任何措施，采用了該技術可以阻隔支承壓力，進而減小圍巖所承受的壓力。

圖2 20 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量

圖3 20 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量

圖4為40 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量，圖5為40 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量。由圖5可知，在未切頂條件下兩幫最大變形量分別為113 mm、95 mm，頂底板最大變形量為110 mm和30 mm；在切頂條件下兩幫最大變形量分別為60 mm、61 mm，頂底板最大變形量為62 mm和19 mm。由此可知，在切頂卸壓條件下，相比于未切頂時兩幫移進量減少42%，頂底板移進量減少42%。

圖4 40 m煤柱寬度未切頂條件下巷道圍巖變形量

圖5 40 m煤柱寬度切頂條件下巷道圍巖變形量

3 切頂卸壓工程應用

結合礦井實際情況，在工作面皮帶順槽超前工作面100 m處布置測站，共7個測點（孔深不一致），安裝應力傳感器，參數見表2。測孔孔徑4.2 mm，與底板相距1.5 m。具體布置圖如圖6。

圖6 測點布置圖

表2 測點布置參數表

通過現場數據的搜集與整理，得各測點的超前支承壓力，將其繪制于二維坐標軸得散點圖如圖7。由圖7散點趨勢可知，隨著工作面的開挖，測點所測得的超前支承壓力越來越明顯。

圖7 超前支承壓力散點圖

1號測點距離工作面73.5 m時，其支承壓力為7.55 MPa，約等于γH，之后支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.5 m時達到最大值為15.9 MPa，之后數值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數值為4.14 MPa。

2號測點距離工作面72.9 m時，其支承壓力為7.13 MPa，之后支承壓力開始緩慢增大，在距工作面10.2 m時達到最大值為16.8 MPa，之后數值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數值為3.3 MPa。

6號測點距離工作面70.4 m時，其支承壓力為7.55 MPa，約等于γH，之后支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.5 m時達到最大值為15.9 MPa，之后數值迅速減小，在距工作面距離為1 m時數值為4.14 MPa。

7號測點距離工作面71.6 m時，支承壓力開始逐漸增大，但增速較小，在距工作面9.7 m時達到最大值為18.1 MPa，在距工作面距離為1 m時數值為4.82 MPa。

綜上，結果表明：各測點測得支撐壓力的峰值集中在9.5～10.2 m之間，影響范圍約為71.6～73.5 m；超前支承壓力的最大值在工作面前10 m左右出現，工作面超前支承壓力最大會影響工作面73 m左右的距離。

4 結論

以山西華苑煤業10202工作面為研究對象，對切頂卸壓護巷可行性進行了數值模擬研究，主要結論為：

（1）20 m煤柱和40 m煤柱兩種工況下，切頂卸壓相比于未切頂時兩幫移近量分別減少22%、42%，頂底板移近量分別減少13%、42%，可見采用切頂卸壓技術可以隔斷支承壓力，減小圍巖應力。

（2）利用應力傳感器進行監測，將所得數據進行分析可知：超前支承壓力的最大值出現在工作面前約10 m左右，其影響范圍約為73 m，支承壓力最大值出現在工作面9.5 m前的位置，某種程度上可表明采區大巷在70 m停采線煤柱下仍然在經受采動的影響。