薛虎溝礦切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術研究

張志剛

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司，運城 河津 043300）

隨著我國經濟的高速發展，我國煤炭資源的利用率也在逐步增長，使得煤礦開采強度增大，煤層的開采逐步向著深部煤層轉移。由于開采深度較大，使得巷道的穩定性降低，所以在進行深部煤層開采時我國大部分礦山選用留煤柱護巷，導致煤炭資源浪費十分嚴重，同時留設煤柱寬度較大時極易造成應力集中，使得礦井安全受到一定的威脅[1-2]。為了解決此類問題，國內眾多學者提出沿空留巷無煤柱開采技術，李向陽[3]以馬蘭礦為研究背景,對切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術進行研究發現，切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術能夠有效降低巷道頂板周期來壓強度降低煤炭自燃概率的效果、降低采空區瓦斯濃度。崔潤彪[4]為了提升礦井開采效率，降低開采成本，介紹了某礦切頂卸壓留巷過程中的參數設計，并分析了切頂卸壓的施工過程。本文以薛虎溝礦1209工作面為研究背景，對切頂卸壓留煤柱開采技術進行研究，為礦山安全開采提供一定的參考。

1 理論分析

薛虎溝礦位于山西省河津市下化鄉陳家嶺村北，年產90萬t，主要開采煤層為2號、10號煤層，該礦開拓方式為斜井、立井聯合開拓。2-112工作面位于礦井二采區左翼，該工作面為南五采區的第3個工作面，主采煤層為2號煤層，厚度約為2.08 m，煤層呈現單斜構造，近水平煤層，傾角約為5°，具備了大斷面一次成巷的地質條件。2-111工作面長度為216 m，切眼斷面面積為15.6 m2，斷面寬6.0 m、高2.6 m。預計在2-112工作沿著2-111采空區采用小煤柱沿空留巷。

切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術是在沿空留巷技術的基礎上進行優化，在回采工作面前方通過定向爆破進行頂板的預裂，將預裂頂板下放，釋放頂板壓力，同時碎落的巖塊由于碎漲性填充采空區，使得覆巖得到一定的支撐，實現降低巷道頂板壓力，維護巷道穩定的目的。碎落的頂板巖塊形成新的巷幫，保留的巷道為下個工作面服務，形成一面一巷，有效降低成巷的成本，降低礦山的成本。沿空留巷懸臂梁的力學模型可以簡化為如圖1所示。

圖1 沿空留巷懸臂梁簡化力學模型

如圖1中：q為覆巖均布載荷，kN；p（x）為支柱反力，kN；T為懸臂梁的厚度，m；LR為留巷的寬度，m；Lo為斷裂懸臂梁長度，m；L為懸臂梁長度，m。

通過分析可知在切頂位置需要的支護阻力Pn可以有如下表達式：

式中：W為頂板界面模量；[σ]為頂板極限抗拉強度；Mp為支柱反力距；M為頂板載荷力矩。

當滿足公式（1）條件時，此時堅硬頂板將在支護處發生斷裂。對切頂卸壓覆巖垮落帶進行計算，根據薛虎溝礦12號煤覆巖的巖性組成，覆巖主要有細粒砂巖、粉砂巖等組成，所以確定為中硬巖性，確定覆巖最大垮落帶的高度如下所示：

式中：M為頂板載荷的力矩，N·m；Hm為最大垮落帶高度，m；工作面的導水帶計算公式表示如下：

式中：Hl為導水裂隙帶高度，m。

2 數值模擬分析

為了對切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術進行深入研究，對切頂卸壓參數進行分析，選定切頂卸壓高度作為分析變量，對切頂卸壓高度為4 m、6 m和8 m時巷道圍巖的變形情況及受力特征進行研究，首先對模型進行建立。根據薛虎溝礦實際地質情況建立模型長寬高分別為285 m、5 m、114 m，對模型進行邊界條件設置，固定模型四面的X、Y、Z三向位移，在模型的上端部施加覆巖的均布載荷，經過計算均布載荷為10 MPa，根據實際地質情況對模型進行各層巖性的設置。完成模型設定后對模型進行模擬計算，如圖2為不同切頂高度下巷道垂直應力分布云圖。

圖2 不同切頂高度下巷道垂直應力分布云圖

如圖2可以看出，當切頂卸壓高度為4 m時，此時的巷道圍巖的應力集中出現在煤幫的左側，應力最大值為36.3 MPa，巷幫的側應力集中范圍位于巷幫對側距離約為3.8 m，應力集中區域位置太近，不利于巷道的維護，造成留巷巷幫的位移量太大，可能造成留巷的失穩現象。當切頂高度為6 m時，此時的巷道圍巖的應力集中區域距離煤幫左側的位置有了大幅度增大，約為14.5 m，同時應力峰值為35.9 MPa，此時由于應力集中范圍距離留巷距離較遠，所以對于留巷十分有利。當切頂高度增大為8 m時，此時應力集中范圍距離煤幫左側約為15.3 m，此時的應力峰值約為35.3 MPa，此時對于留巷也較有利。同時對比三種切頂高度下的巷道圍巖應力峰值可以看出，當切頂高度為4 m時，此時的應力峰值最大，切頂高度6 m次之，切頂高度8 m時應力峰值最小。對比三種切頂高度下應力集中方位距離煤幫左側的距離可以看出，切頂高度為6 m和8 m時，兩者距離相差不大，且均有利于留巷，考慮到施工的經濟成本，所以最為合適的切頂卸壓高度為6 m。

對切頂卸壓沿空留巷進行施工，具體施工步驟：對工作面巷道進行施工；對巷道工作面頂板進行爆破預裂施工；在巷道內布置礦壓監控系統；進行工作面回采；對巷道頂板進行預裂爆破；巷道老頂斷裂下沉，成巷；對沿空留巷進行錨桿錨索支護；對巷道進行防火等安全措施的處理。完成切頂卸壓沿空留巷無煤柱施工后對巷道穩定性進行日常的監測，選定切頂卸壓高度后對巷道的圍巖變形及受力進行監測，對巷道頂板的下沉量、底板的底鼓進行監測，巷道監測斷面布置圖如3所示。

如圖3所示，每50 m的距離設置一組測點，每組布置4個測點，分別為頂板的C點、兩幫變形量監測點A、B和底板的監測點D，位移監測計選定為ZW-4型位移計，經過監測巷道圍巖的變形量均符合規定要求，切頂效果較佳。

圖3 巷道監測斷面布置圖

3 結論

1）本文通過理論分析對切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采巷道的應力特征進行研究，給出了成巷的原理。

2）利用FLAC3D數值模擬軟件給出了切頂卸壓模型建立的過程，并對不同切頂卸壓高度下圍巖垂直方向受力情況進行研究，發現隨著切頂卸壓高度的增大，巷道圍巖的應力峰值降低，且在切頂高度為6 m時切頂效果最佳。

3）給出了切頂卸壓沿空留巷的施工過程并對成巷進行變形量監測，驗證了切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術的可行性。