中厚煤層堅硬頂板切頂卸壓自成巷切頂效果及應用研究

楊 威，周謝康，祖自銀，但伸富，曹俊才，馬振乾，許 飆

(1.貴州盤江煤電集團技術研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州林東礦業集團有限責任公司 紅林煤礦，貴州 畢節 551614)

煤炭采出率是一直以來困擾我國煤炭開采的核心問題之一[1]，隨著煤炭資源的不斷采出，煤炭儲量不斷減少，傳統留煤柱開采工藝的弊端日益突出。近年來何滿潮院士團隊提出的無煤柱切頂卸壓自成巷新技術，提高區段煤柱資源回收率，同時有效解決了上隅角瓦斯積聚、煤柱應力集中引發煤與瓦斯突出、采掘接續緊張等問題[2]。

國內外學者對該項技術進行了大量的理論研究及現場實踐，多個工程成功應用并取得良好的成果[3-12]。王亞軍等[4]針對切頂留巷在一段時期內受動壓影響嚴重的問題，提出了一種臨時支護基本思路，通過理論計算及數值模擬分析了該臨時支護的作用機理并在現場進行實測，效果良好；陳金明[5]采用理論分析及現場實測的方法，得到了切頂留巷覆巖運動規律及頂板斷裂特征，分析了影響切頂的主要因素，并對切頂參數進行設計，在現場成功應用；馬廣興[6]提出了基于110工法的現場實測巖石不同測點碎脹系數的方法，分析了切頂留巷過程中巖石碎脹特性的變化規律，得出隨著工作面的推進巖石碎脹系數逐漸變小的結論，對切頂留巷巖石碎脹特性的利用具有重要意義；楊森等[7]分析了切頂卸壓留巷巷道礦壓顯現規律，并采用現場實測得到了留巷期間巷道變形量、變形速率及恒阻錨索受力變化規律，提出了軟弱底板加強支護的觀點；楊軍等[8]建立了基本頂不同斷裂位態力學模型，推導出不同位態下巷內臨時支護阻力計算公式，得到基本頂在巷道上方斷裂對留巷不利；魏光榮等[9]在現場進行切頂卸壓沿空留巷工藝進行實踐，分析總結了留巷巷道礦壓顯現規律，得出了一次采動及二次采動影響范圍，并提供了頂板控制方法；毛懷勇[10]論述了切頂留巷施工工藝流程，設計了補強支護參數、來壓期間頂板支護參數、臨時支護參數、切頂參數，在現場取得良好效果；孫曉明[11]結合理論分析及數值模擬分析，確定了影響薄煤層切頂卸壓留巷的關鍵參數為切縫高度、切縫角度及爆破孔間距，并在現場進行爆破試驗確定了預裂切縫參數，在實際工程中成功應用；王炯等[12]運用理論計算并結合現場實際設計了補強支護參數，在原有支護基礎上采用恒阻大變形錨索對頂板進行補強支護，有效解決了切頂卸壓沿空留巷過程中巷道頂板下沉變形現象；張國鋒等[13]基于厚層砂巖頂板分析了普通充填留巷和切縫留巷側向頂板斷裂結構特征并利用UDEC數值模擬軟件分析出切縫有利于頂板冒落支撐上覆巖層；王炯等[14]基于中厚煤層復合頂板工作面條件利用FLAC3D模擬分析了有無切縫對頂板應力峰值及位移的影響；楊曉杰等[15]利用3DEC模擬分析了不同切頂高度下對采空區頂板應力場及位移場規律；楊軍等[16]采用現場實測及FLAC3D數值模擬研究了厚煤層切頂卸壓無煤柱自成巷圍巖變形規律，結果表明圍巖穩定性分布規律可分為壓力變化區、壓力趨穩區、壓力穩定區三個階段，確定了滯后工作面的保守安全位置及重點支護區域，并在現場成功應用。

經查閱文獻發現[13-16]，多數研究成果是對巷道頂板圍巖應力場進行分析，對巷道實體煤側及臨空側巷幫圍巖應力場的研究較少，本文基于中厚煤層堅硬頂板利用FLAC3D數值模擬，針對巷道是否切頂進行了巷道實體煤側及臨空側圍巖應力對比分析，為切頂留巷巷道支護提供參考意義。

1 工程地質概況

39114工作面埋深226～275m，平均煤厚2.21m，煤層傾角2°～9°，平均傾角為5°，沿走向布置，走向長度650m，傾向長度178m，留巷巷道為矩形斷面，寬4.5m，高2.8m。39114工作面位于一采區東翼，區域內上、下煤層均未開采，北部為39112采空區，東部為村寨保護煤柱，南部為9號煤層未開采，下覆15#煤層為315116采空區，西部為一采區運輸下山、回風下山、軌道下山。工作面相鄰位置關系如圖1所示。

圖1 工作面位置關系

煤層直接頂為泥質粉砂巖，中厚層狀，平行層理，含瘤狀菱鐵質結核，厚度3.4m；基本頂為細粒砂巖，中厚層狀，細砂狀結構，鈣鐵質膠結，厚度6.9m；無直接底，基本底為泥質粉砂巖，薄～中厚層狀，平行層理，鈣質膠結，厚度6.7m。

2 切頂卸壓自成巷原理

切頂卸壓自成巷是通過切斷巷道頂板與采空區巖層之間的聯系，將“長臂梁”結構變為“短壁梁”結構，當工作面來壓時采空區巖層沿切縫線垮落形成巷幫，利用垮落巖石的碎脹性支撐上覆巖梁，優化巷道圍巖應力環境[17，18]。如圖2所示，由于超前預裂切縫的存在，誘導巖塊B在實煤體側彈塑性交界處斷裂，巖塊B與巖塊A、C鉸接形成上覆巖層的承壓結構，巷道圍巖則始終處于承壓結構的保護下，巖塊B發生旋轉下沉會對巷道產生給定變形，切頂高度適宜則可充分利用垮落巖石的碎漲性限制巖塊B的旋轉下沉，從而控制巷道變形。

圖2 頂板結構

預裂切頂高度[19]：

Hf=(H-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，Hf為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數，取1.3～1.5。

采高為2.21m，不考慮頂板下沉及底鼓，碎脹系數取1.35，代入式中可得切頂高度為6.31m。考慮到巖石垮落后對擋矸支護的擠壓作用，結合現場情況及理論計算切頂角度取15°。

3 數值模型建立與分析

3.1 數值模型建立

根據39114工作面地質條件建立數值模型，模型長×寬×高=300m×100m×40m，選取Mohr-Coulomb本構模型，模型下地面與前后左右面均采用位移邊界，上頂面采用應力邊界，埋深應力值設為6.75MPa，切縫高度6m，角度15°，未切縫模型除無切縫外均與切縫模型保持一致。煤巖體力學參數見表1。

表1 煤巖體力學參數表

3.2 數值模擬分析方法

將切頂與未切頂模型均進行模擬開挖、工作面分步推采，每次計算終止步數均為5000步，步距為5m，直至推采至50m，在工作面后方垂直于巷道頂板方向布置3條測線，測線1、2、3分別位于工作面后方5m、10m、15m；工作面前方垂直于工作面布置3條測線，測線4、5、6分別距離留巷巷道臨空側2m、4m、6m；工作面后方垂直于實體煤幫布置3條測線，測線7、8、9分別位于工作面后方5m、10m、15m；在巷道頂板中部沿走向方向布置測線10。對切頂與未切頂巷道圍巖應力、位移進行對比分析，測線布置如圖3所示。

圖3 測線布置

4 切頂效果分析

4.1 巷道頂板圍巖應力對比

測線1、2、3分別布置在工作面后方5m、10m、15m處，垂直巷道頂板布置，切頂前后1、2、3號測線垂直應力豎直切片云圖如圖4所示。由圖4可知：由于切頂切斷了巷道頂板與采空區內巖層的聯系，減小了懸臂長度，導致巷道頂板上方應力集中區域減小，且當工作面回采后，巷道頂板圍巖受工作面來壓影響較小，巷道頂板上方隨工作面推進形成小范圍卸壓區；當未對巷道頂板進行切頂，采空側巖層與巷道頂板之間存在聯系，當工作面來壓時采空區內巖層將與巷道頂板巖層產生不耦合運動，導致巷道頂板圍巖松動、離層，在工作面后方開始出現大范圍卸壓，不利于圍巖發揮自身承載能力。

圖4 切頂前后1、2、3號測線垂直應力云圖

切頂前后1、2、3號測線頂板不同層位應力分布規律如圖5所示，與未切頂進行對比，切頂后1、2、3號測線在頂板上方10m范圍內應力均減小，在3～6m范圍內降低的幅度較大，且隨著距工作面距離的增加卸壓幅度增大。

圖5 切頂前后1、2、3號測線垂直應力分布規律

以頂板上方4m為例：切頂后1、2、3號測線分別由8.27MPa、7.58MPa、7.57MPa降低至5.99MPa、5.29MPa、5.11MPa，最大降低了2.46MPa。

4.2 工作面前方留巷巷道臨空側巷幫圍巖應力對比

測線4、5、6均布置工作面前方，距留巷巷道臨空側巷幫2m、4m、6m，切頂前后4、5、6號測線超前工作面不同距離下垂直應力分布規律如圖6所示。無論切頂與否，隨著超前工作面距離的增加，垂直應力分布規律均為先增大后減小，但切頂后的應力峰值較未切頂有所降低，峰值位置均在距工作面前方3m位置處，且在距幫部2m處卸壓幅度最大。4、5、6號測線切頂前后峰值統計見表2。

圖6 切頂前后4、5、6號測線超前工作面不同距離下垂直應力分布規律

表2 測線4、5、6切頂前后圍巖應力峰值

4.3 工作面后方留巷巷道實體煤幫圍巖應力對比

測線7、8、9布置在工作面后方5m、10m、15m，布置在留巷巷道實體煤側內，切頂前后7、8、9號測線垂直應力點線如圖7所示。由圖7可知，切頂后應力集中區域減小，切頂前后應力集中區均位于實體煤幫4～6m范圍內，且均為先增大后逐漸趨向于原巖應力。切頂后應力峰值有所降低，且隨著距工作面距離的增大應力峰值降低幅度隨之增大。7、8、9號測線切頂前后峰值統計結果見表3。

圖7 切頂前后7、8、9號測線垂直應力點線圖

表3 測線7、8、9切頂前后圍巖應力峰值

4.4 巷道頂板下沉量

10號測線布置在巷道表面中心線上，切頂前后10號測線位移變化規律如圖8所示。

圖8 切頂前后10號測線位移變化規律

隨著工作面回采，后方頂板懸頂過長產生ox破斷，弧形三角塊以實體煤側深部某處為支點下沉旋轉，導致巷道頂板產生位移，切頂可減小弧形三角塊的長度，且由于切頂垮落下的矸石的碎漲特性可及時抑制巖層下沉旋轉，降低巷道圍巖控制難度。由圖8可知切頂后巷道頂板下沉量普遍減小，最大下沉量由756mm下降至552mm，減小了204mm。

5 現場應用

技術方案中確定切縫深度為7m，切縫角度為15°，炮眼布置在距臨空側幫角以里200mm處，炮眼間距600mm，炮眼直徑50mm；采用3根外徑42mm，內徑36.5mm，管長1500mm的聚能管進行預裂爆破，采用三級煤礦乳化炸藥，規格為直徑?32×300mm/卷，裝藥結構“321”，爆破孔口采用2500mm炮泥封堵；巷道掘進期間按照留巷要求進行一次性支護，選用?17.8×8000mm錨索替代原支護方案中巷道頂部的4顆?17.8×6200mm進行一次性支護，錨索支護間排距為967×1600mm，臨空側采用樹脂錨桿支護，實體煤側采用螺紋鋼錨桿支護；回采后，臨空側采用鋼筋網+密閉布+工字鋼進行擋矸支護，后期采用噴漿封閉巷道；采用單體柱配合鉸接梁或工字鋼進行架前、架后臨時支護。

在紅林煤礦39114工作面運輸巷進行了切頂卸壓自成巷的工業性實驗，工作面回采后，隨著來壓頂板沿切縫面垮落，垮落矸石及時充填采空區，目前巷道支護能滿足要求，巷道變形量在可控范圍內，達到了預期效果。

6 結 論

1)超前工作面臨空側幫部切頂后的應力峰值較未切頂有所降低，在幫部2m處卸壓幅度最大，由21.91MPa降至20.43MPa，降低了1.48MPa。滯后工作面15m范圍內，實體煤幫切頂后應力峰值有所降低，應力集中區域位于實體煤幫4～6m范圍內，且隨著滯后工作面距離的增大應力峰值降低幅度隨之增大。

2)由于切頂垮落下的矸石的碎漲特性可及時抑制巷道內關鍵塊的下沉旋轉，降低了巷道圍巖控制難度，切頂后巷道頂板下沉量普遍減小，最大下沉量由756mm下降至552mm，減小了204mm。

3)工業性試驗結果表明，臨空側矸石能及時垮落充填采空區，巷道留巷后，能滿足下區段服務要求，對中厚煤層堅硬頂板切頂卸壓自成巷技術推廣具有借鑒意義。