沿空留巷切頂卸壓技術研究

魏昌彪

（山西煤炭進出口集團有限公司， 山西 太原 030024）

引言

我國能源儲量豐富，但賦存不均，整體能源形式呈現出多煤、少油、貧氣的格局，隨著我國不斷地深化改革，工作化進程的不斷推進，能源需求量日益增大。雖然目前我國積極發展綠色能源，但考慮到清潔能源的開發仍處于起步階段，對于我國龐大的能源需求可謂杯水車薪，所以在未來很長的發展過程中，煤炭資源的歷史地位很難發生改變。沿空留巷作為我國礦井開采的重要技術[1-2]，是指上個回采工作面經過維護后用于服務下個工作面。其不僅可以大幅度降低掘進工作任務，同時可以提升礦井的開采效率，提升礦井經濟。但在進行沿空留巷時，由于巷道頂板極難發生垮落，使得大量覆巖堆積，形成大面積的難垮難落巖層，此時若不及時對頂板進行斷裂處理，一旦大面積懸頂垮落極易造成工作面沖擊災害，所以對沿空留巷切頂卸壓技術研究是十分有必要的[3-4]。本文通過理論分析結合數值模擬對沿空留巷切頂卸壓參數進行研究，給出最佳的切頂參數，為沿空留巷切頂卸壓技術的應用提供一定的理論依據。

1 數值模擬研究

井田內有3 號、14 號、15 號等3 層可采煤層，目前主要開采對象為3 號煤層。1301 工作面布置于3號煤層中，巷道的地面標高為+914 ～+940 m，煤層的底板標高為+354～+432 m，3 號煤的容重為144 t/m3，煤層的厚度5.98～6.50 m，煤層平均厚度為6.24 m，煤層傾角為1°～12°，煤層平均傾角6°。煤層的頂板由粉砂巖、細粒砂巖等組成，頂板巖性較為堅硬。

隨著工作面的推進，此時沿空留巷的圍巖應力進行重新分布，同時巖層的位移也會發生變化，頂板的應力場的改變勢必會對沿空留巷造成一定的影響。工作面逐步推進，此時的巷道液壓支架也隨之移動，造成已采工作面的頂板會形成懸臂梁結構，當懸臂梁結構自身自重結合采動影響會使得基本頂及老頂出現下沉旋轉。垮落的巖層會充填采空區，垮落的巖層并未一次性完全垮落，而是有規律的自下而上逐層垮落。當頂板的巖層垮落達到一定程度時，此時的頂板區域會區域穩定，煤體側會出現應力集中。沿空留巷圍巖結構示意圖如圖1 所示。

圖1 沿空留巷圍巖結構示意圖

為了更好地分析切頂卸壓參數對切頂卸壓效果的影響，本文利用FLAC3D 數值模擬軟件進行建模分析，模型的長寬高尺寸設定為150 m×50 m×67 m，根據實際地形資料可以模型埋深580 m，根據模型的埋深及巖層的容重可以計算得出模型的頂端載荷為14.5 MPa，為了保證垂直應力與水平應力間的應力相互相應，設定側向應力系數為1。對模型進行網格劃分，并根據實際地質情況對各層巖層的物理參數進行設定，對模型的上下左右及底端進行固定約束設定，避免出現位移，完成模型的建立。

首先研究模型切頂卸壓前后巷道支撐應力分布情況，對切頂前后應力云圖進行分析，如下頁圖2 所示。

從下頁圖2 中可以看出，沿空留巷切頂前與切頂后巷道煤幫側及采空區的整體支撐應力分布趨勢未發生較大的改變，但在切頂后，此時的巷道煤幫側的應力降低區域面積有了明顯的擴大，而采空區上部的應力集中部位的面積則有所減小。同時切頂后巷幫充填體的上方應力有了一定幅度的降低，支撐應力出現隔斷的情況，此時巷道頂板的應力傳遞被切斷，巷道穩定性得到一定的提升。切頂后的應力最大值為35.6 MPa，較切頂卸壓前的42.6 MPa，降低了7 MPa，可以切頂卸壓可以降低巷道的垂直應力值，應力系數也會有所降低。

圖2 巷道切頂卸壓前后應力（Pa）分布云圖

對不同切頂卸壓高度下巷道的圍巖變形情況進行研究，選定切頂研究高度分別為10 m、12 m、14 m和16 m，不同切頂卸壓高度下的巷道圍巖變形曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，切頂高度10 m、12 m、14 m 和16 m 時巷道的變形量有著較大幅度的差異，當切頂高度為14 m 時，此時的巷道圍巖變形量相對處于最佳狀態。隨著切頂高度的增加巷道的巷旁、煤體移近量均呈現逐步減小的趨勢，當切頂高度為10 m 時，此時的巷旁移近量和煤幫移近量分別為251 mm 和391 mm，當切頂高度為16 m 時的煤幫移近量和巷旁移近量分別為211 mm 和370 mm。隨著切頂高度的增大頂板下沉量及底板的底鼓量呈現先減小后增大的趨勢，當切頂高度為14 m 時，此時的巷道頂板下沉量及底板底鼓量均達到最小值，最小值分別為298 mm 和266 mm，可以看出切頂卸壓的高度并不是越大越好，隨著綜合比較選定切頂卸壓高度為14 m時，巷道圍巖變形量最佳。

圖3 不同切頂卸壓高度下的巷道圍巖變形曲線

2 巷道支護及卸壓效果分析

對巷道進行支護，選定頂板錨桿為高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿尺寸規格為Φ22 mm×2400 mm，強度（HRB）為335。錨桿采用等間距布置，設定每排6 根，錨桿的間排距為0.9 m×0.9 m，在左、右肩角位置的錨桿設置與垂線夾角150°，距離巷幫的距離均為350 mm，剩余錨桿全部垂直頂板布設。同時采用網片及梯子梁進行聯合支護，具體至方案如圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面圖（單位：mm）

對切頂卸壓支護后的圍巖變形進行研究，通過在巷道布設位移監測儀研究30 d 的巷道表面變形，巷道表面變形圖如5 所示。

從圖5 中可以看出，經過切頂卸壓后巷道的圍巖變形量整體處于可控狀態，隨著監測天數的增加，巷道表面位移變形量呈現先增大后平穩的趨勢。巷道兩幫及頂板的最大移近量分別為39 mm 和32 mm，可以看出切頂卸壓可以有效降低巷道的應力，改善圍巖變形情況。同時巷道的變形大致分為三個階段，分別為0～5 d 變形加速階段，在此階段內巷道圍巖變形速度較快，巷道的大變形主要來源此階段，5～15 d 變形速度降低階段，在此階段內巷道圍巖變形速度較變形加速階段有所降低，15～30 d 變形穩定階段，在此階段巷道圍巖變形量區域穩定，無較大幅度的變化。

圖5 巷道表面變形曲線

3 結論

1）空留巷切頂前與切頂后巷道煤幫側及采空區的整體支撐應力分布趨勢未發生較大的改變，切頂后的應力最大值為23.9 MPa，較切頂卸壓前的25.3 MPa，降低了1.4 MPa。

2）切頂高度10 m、12 m、14 m 和16 m 時巷道的變形量有著較大幅度的差異，當切頂高度為14 m 時巷道整體變形量處于最佳。

3）經過切頂卸壓后巷道的圍巖變形量整體處于可控狀態，隨著監測天數的增加，巷道表面位移變形量呈現先增大后平穩的趨勢。