堅硬頂板爆破切頂巷道支護穩定性研究

李強強

（山西樓俊集團泰業煤業有限公司， 山西 呂梁 033000）

我國能源儲量十分豐富，但分布較為不均，整體處于富煤、少油、貧氣的格局。據統計在我國一次能源消耗占比中，煤炭資源占據絕對位置。當前我國提出可持續發展戰略，大力發展清潔能源如風能、水能、太陽能等，但考慮到我國清潔能源仍處于發展階段，且能源需求量及人口面積等問題嚴重，所以在未來很長一段時間，煤炭資源的領導地位不會發生改變。在我國礦井開采過程中，堅硬頂板問題一直制約著礦井的開采，堅硬頂板問題是指巷道頂板為堅硬巖層，使得其極難發生垮落，會形成大面積的懸頂[1，2]，大面積的懸頂一旦垮落形成大的沖擊地壓，威脅礦井的生產，同時大面積的懸頂會造成巷道變形及煤柱尺寸增大等問題，降低礦井的生產效益，所以對堅硬頂板進行治理是礦井重要的工作[3，4]。目前對堅硬頂板的治理主要是爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓等，本文以泰業煤業為研究背景，對爆破切頂卸壓進行研究，利用數值模擬結合現場實踐驗證了爆破切頂卸壓的可行性，為礦井堅硬頂板治理提供一定的參考與借鑒。

1 背景及數值模擬研究

山西樓俊集團泰業煤業有限公司位于臨縣縣城南的三交鎮田家山村一帶，距臨縣縣城直距約25.5 km。地理坐標為東經110°56′07″—110°59′17″，北緯37°41′18″—37°43′36″。井田西南與臨縣勝利煤焦有限責任公司相鄰，東北與山西東江煤業集團有限公司相鄰，南與西山亞辰煤業有限公司、山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司相鄰。目前主采5 號煤，煤層厚度2.75～3.97 m，平均3.30 m，一般含1 層夾矸，局部含2 層夾矸或不含夾矸，夾矸厚度為0.08～0.22 m，巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層穩定，全區可采。頂板巖性為石灰巖，局部為粉砂巖；底板巖性為砂質泥巖、細砂巖、泥巖及粉砂巖。

首先對不同鉆孔深度下巷道煤柱及圍巖變形情況進行分析，確定不同切頂高度下巷道圍巖變形情況，從而得出最佳的切頂高度。利用數值模擬軟件UDEC 進行研究，確立模型為二維模型，尺寸為316 m×53 m，模型選定摩爾-庫倫模型為本構模型，在上端部施加垂直均布荷載12 MPa，固定模型左右及下部的位移。對模型進行網格劃分，網格劃分直接影響模擬的計算時間及模擬計算精度，所以在充分考慮后適當粗化分網格單元，盡量加快模擬計算的速度，網格劃分后對模型的物理參數進行設定，完成模型的建立。

對切頂高度對巷道圍巖變形情況進行研究，選定切頂卸壓高度為6 m、8 m、10 m 和12 m 時研究巷道圍巖的變形情況，分析不同切頂高度下圍巖的變形情況，從而給出最佳的切頂卸壓高度。不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線

從圖1 可以看出，隨著切頂高度的增加，巷道頂板的下沉量及底板變形量都呈現快速減小的趨勢。當巷道切頂高度為4 m 時，此時巷道的頂板及底板變形量分別為410 mm 和272 mm，而當切頂高度為16 m時，此時的巷道頂板及底板變形量分別為274 mm 和216 mm，巷道左右幫的變形量隨著切頂高度的增大呈現不同的趨勢，右幫呈現先增大后減小再增大的趨勢，而右幫變形量呈現逐步降低的趨勢，在切頂高度為12 m 時，此時的巷道左右幫移近量達到最小值，最小值為452 mm，所以綜合分析后確定最佳的切頂高度為12 m，此時的巷道兩幫移近量為452 mm，而頂板底板移近量為544 mm。

2 工業化試驗

對切頂卸壓技術進行工業化實踐，首先進行鉆孔布置，鉆孔與回采幫的距離設定為200 mm，角度為30°（與豎直方向夾角），鉆孔深度為12 m，鉆孔的直徑為60 mm，鉆孔的布置間距為600 mm。炸藥選用礦用三級乳化炸藥，炸藥參數為Φ32 mm×200 mm，完成裝藥后對鉆孔進行封堵。

完成鉆孔布置后對切頂效果進行監測，在軌道順槽內施工窺視縫，監測巷道圍巖的變形情況。在順槽內50 m 位置布置一個測站，在測站內分別布置頂板離層監測儀，巷道表面位移監測儀，用于監測巷道頂底板及巷道兩幫的變形情況。同時利用鉆孔窺視儀對鉆孔效果進窺視，用于確定鉆孔效果，窺視儀實物圖如2 所示。

圖2 窺視儀實物圖

對頂板進行支護，錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm的高強度無縱肋左旋螺紋錨桿，錨桿強度為HRB335。錨桿間排距設定為900 mm×900 mm，每排6 根，在巷道左右肩部位錨桿與垂線呈15°布置，剩余錨桿全部垂直布置。錨桿采用高強度弧形托盤支撐，托盤的規格為150 mm×150 mm×10 mm，托盤拱高36 mm，配備高強度錨桿螺母，同生死配有尼龍墊圈和調心球墊。錨桿采用MSK2335 和MSZ2360 錨固劑進行錨固，預緊力大于300 N·m。錨索采用Φ18.9 mm×8 300 mm 的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 800 mm。

網片采用10 號鋼絲網進行支護，網片規格為5 600 mm×1 000 mm，網孔為40 mm×40 mm，頂網間采用16 號鐵絲進行三扣連接，扭結數不得少于3圈。梯子梁采用Φ16 mm 圓鋼。具體支護斷面圖如3所示。

圖3 支護斷面圖（mm）

對切頂卸壓后的巷道圍巖變形情況進行監測，將測站監測數據進行繪制，給出巷道兩幫及巷道頂底板變形曲線，巷道頂底板及巷道兩幫移近量曲線如圖4 所示。

圖4 巷道頂底板及巷道兩幫移近量曲線

從圖4 可以看出，經過切頂卸壓后，巷道頂底板及兩幫的移近量均呈現隨工作面距離增加逐步增大的趨勢。在滯后工作面80 m 時，此時的巷道頂板及底板移近量變化趨勢較大，巷道頂板及底板的變形大部分來源此階段，而在滯后工作面80 m 以后，巷道圍巖的變形隨逐步增大，但增大的趨勢呈現逐步減弱。巷道頂板及底板最大變形量分別為321 mm和62 mm，頂底板移近量為383 mm。兩幫移近量的變化趨勢與頂底板變化趨勢類似，兩幫移近量的最大值為116 mm。綜合來看巷道經過切頂卸壓后巷道圍巖的變形情況有了明顯的改觀，巷道圍巖的穩定性有了較大的提升，整個切頂卸壓效果較為成功。

3 結論

1）利用數值模擬軟件，對切頂高度對巷道圍巖變形的影響進行研究，發現最佳的切頂高度為12 m，此時的巷道兩幫移近量為452 mm，而頂板底板移近量為544 mm，整體圍巖變形量最小。

2）對切頂卸壓技術進行工業化實踐，給出了切頂卸壓的施工方案、巷道支護方案及圍巖變形監測方案。

3）經過切頂卸壓后，巷道頂底板移近量為383 mm，兩幫移近量的最大值為116 mm，經過切頂卸壓后巷道圍巖的變形情況有了明顯的改觀，整個切頂卸壓效果較為成功。