緩傾斜厚大煤層堅硬頂板切頂卸壓方法研究

楊志弘

(山西忻州神達南岔煤業有限公司，山西 忻州 036700)

我國地下煤礦開采中，受采動應力影響，當工作面巷道及煤柱處于高應力狀態下時，致使巷道變形嚴重，甚至發生冒頂風險。特別針對堅硬頂板條件，頂板極限垮落步距往往較大，致使高應力通過頂板傳導至煤柱及巷道中，使巷道變形問題更加突出[1-2]。這類煤層在開采過程中，通過采取合理的切頂卸壓方法可對巷道圍巖實現有效控制[3-4]。

在這方面研究中，劉乙霖指出基本頂巖層在爆破切頂卸壓后初次垮落步距與周期垮落步距均減小，進而減輕了礦壓顯現程度[5]；鄭立軍等采用理論分析和數值模擬相結合的方法，對切頂卸壓巷道頂板運動規律進行研究[6]；周宏范等對切頂卸壓與柔模支護技術進行集成創新，取得了良好的沿空留巷效果[7]；孫濤勝指出切頂卸壓后工作面卸壓區域礦壓明顯小于未卸壓區，在恒阻錨索作用下預緊力快速降低[8]。

綜合文獻分析，本文以某礦厚大煤層堅硬頂板條件為工程背景，對堅硬頂板受載特征、合理切頂參數確定以及切頂卸壓方法進行了研究，有效保證了巷道圍巖的穩定性。

1 工程概況

煤礦主采5號煤層，煤層傾角2～8°，平均傾角5°，平均厚度4.5 m，屬于典型的緩傾斜厚大煤層埋深約為345 m，采用綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。煤層偽頂主要為泥巖，基本頂為灰巖，直接底為砂質泥巖，基本底為細砂巖，煤巖體綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

目前，5號煤層主要回采5301工作面與5302工作面，工作面走向長約2 450 m，傾向長約230 m，兩個工作面間留有25 m寬保護煤柱，工作面位置關系如圖2所示。由于煤層頂板主要為堅硬灰巖，據工程調查資料顯示，頂板初次垮落步距約60 m，周期垮落步距約25 m，由于頂板堅硬，回采過程中易發生大規模懸頂風險。

圖2 工作面位置關系圖

受臨近工作面回采影響，在采動應力影響下，3502回風巷道變形嚴重，通過現場監測，巷道頂板最大下沉量達876 mm，煤柱幫移近量達675 mm，回采幫位移量達636 mm，同時巷道還出現了局部開裂及錨桿(索)失效問題，為控制巷道變形發展，礦山采取擴幫維護方法，但未取得較好的控制效果。為此，研究提出適用于該礦的堅硬頂板切頂卸壓技術。

2 堅硬頂板受載特征分析

針對堅硬頂板條件，為了掌握其受載特征，需要研究頂板的極限垮落以及頂板需承受的極限載荷，根據懸臂梁理論，構建堅硬頂板受力分析模型如圖3所示。

圖3 堅硬頂板受力分析模型

隨回采工作面推進，當堅硬頂板承受的最大拉應力超過其極限抗拉強度時，此時頂板達到極限垮落步距并隨之發生垮落，根據彈性力學中的圣維南原理[9]，堅硬頂板極限垮落步距表達式如下：

(1)

式中：γ為覆巖平均容重，N/m3；l3為堅硬頂板極限垮落步距，m；σmax為堅硬頂板極限抗拉強度，N/m2；h3為覆巖厚度，m；h2為堅硬頂板厚度，m；α為頂板垮落角，°.

堅硬頂板所承受的極限載荷表達式如下：

(2)

將公式(2)帶入公式(1)，整理得：

(3)

根據上述公式可以看出，頂板極限垮落步距及其極限載荷與頂板厚度及極限抗拉強度成正比，對于堅硬頂板而言，由于其強度大，特別是當頂板厚度也較大時，極限垮落步距增加，致使臨近工作面巷道及煤柱處于高應力狀態，導致巷道變形嚴重，甚至發生冒頂風險。為此，需從堅硬頂板受載特征入手，通過切頂卸壓，破壞頂板一定范圍內巖層完成程度，弱化其結構強度，將高應力從煤柱及工作面巷道轉移至采空區，從而達到卸壓目的。

3 堅硬頂板切頂卸壓數值模擬分析

為了取得良好的卸壓效果，需要合理確定切頂角度與切頂高度，研究根據工作面實際工程地質條件，采用3DFC數值分析軟件，分析不同切頂高度及角度下覆巖位移發展及應力演化特征，以確定合理的切頂參數值。所構建的數值模型長×寬×高=150 m×40 m×50 m，煤層厚度為4.5 m，頂板灰巖厚度為8.55 m，模型兩側進行X方向位移約束，前后進行Y方向位移約束，模型底部進行Z方向位移約束，模型頂部施加垂向載荷等效于上覆巖層容重，主要巖層煤巖體力學參數見表1.

表1 煤巖體力學參數

3.1 不同切頂角度數值模擬分析

對于不同切頂角度的數值分析，研究給定切頂高度為9 m，模擬切頂角度分別為90°(切頂線與頂板水平面垂直)、75°與60°三種條件下頂板位移及應力分布特征。

不同切頂角度的頂板位移變化情況如圖4所示。可以看出，對堅硬頂板進行切頂后，頂板沿切頂線位置出現了顯著的位移變化，使頂板完整性遭受破壞，對采空區頂板起到了一定的卸荷作用。當切頂角度為90°時，頂板完整性破壞最為嚴重，在切頂的頂端出現了小范圍的懸頂，此時頂板最大垂直位移達3.5 m；當切頂角度為75°時，最大垂直位移達3 m，此時頂板保持整體下沉；當切頂角度為60°時，最大垂直位移達2.5 m，頂板下沉量最小，此時頂板保持整體下沉。

不同切頂角度的頂板應力變化情況如圖5所示。可以看出，以切頂線為界限，卸壓區主要存在與采空區頂板上方，對于煤柱側表現為應力集中顯現，切頂的存在起到了很好的阻隔作用，避免了采空區頂板應力煤柱內部及臨近巷道傳導，保障巷道位于地應力作用區。

圖4 不同切頂角度頂板位移變化情況

圖5 不同切頂角度頂板位移變化情況

不同切頂角度的煤柱頂板應力分布曲線如圖6所示。可以看出，隨著巷道與煤柱內測點距離的增加，垂直應力表現為曲線增長趨勢，對于垂直應力分布，90°切頂與75°切頂應力相差較小，應力增加幅度最大的為90°切頂，垂直應力最高達16.3 MPa，不利于煤柱及臨近巷道的穩定。

圖6 不同切頂角度的煤柱頂板應力分布曲線圖

綜合分析，90°切頂條件，雖然位于煤柱上方的頂板垂直應力最小，可取得較好的卸壓效果，但是對于頂板完整性破壞程度最大，會導致頂板切頂的頂端出現懸頂，不利于安全生產；對于60°切頂，較好保證了頂板的完整性，但頂板整體下沉量較小，采空區懸頂高度較大，相較90°與75°切頂而言，煤柱所受垂直應力顯著增加，不利于巷道的穩定；對于75°切頂，頂板整體完整性較好，煤柱所受應力與9°切頂相差不大。為此，從切頂卸壓效果與工作面安全回采角度，確定合理的切頂角度為75°.

3.2 不同切頂高度數值模擬分析

通過前述分析，確定合理的切頂角度為75°，對于切頂高度的模擬，分別選取高度為5 m、9 m與13 m三種條件下頂板位移及應力分布特征。

不同切頂高度的頂板位移變化情況如圖7所示，其中9 m切頂高度的頂板位移情況如圖5所示。可以看出，不同的切頂高度，頂板均保持較好的完整性，表現為整體下沉趨勢，但是垂直位移發展程度有所不同。當切頂高度為6 m時，采空區頂板最大垂直位移為1.1 m，采空區懸頂高度較大；當切頂高度為9 m時，采空區頂板最大垂直位移為3 m；當切頂高度為12 m時，頂板最大垂直位移為3.2 m.

圖7 不同切頂高度頂板位移變化情況

不同切頂高度的頂板應力變化情況如圖8所示。其中9 m切頂高度的頂板應力情況如圖6所示。可以看出，隨著切頂高度的增加，位于采空區側煤柱頂板所有應力逐漸降低。相較9 m與12 m切頂高度，6 m切頂高度下高應力區已經占據了一半煤柱位置，不利于巷道的穩定。

不同切頂高度的煤柱頂板應力分布曲線如圖9所示。可以看出，隨著巷道與煤柱內測點距離的增加，垂直應力同樣表現為曲線增長趨勢，對于垂直應力分布，9 m切頂與12 m切頂應力相差較小，垂直應力最高分別為13.5 MPa與13.2 MPa；應力增加幅度最大的為90°切頂，垂直應力最高達16.6 MPa，不利于煤柱及臨近巷道的穩定。

圖9 不同切頂高度的煤柱頂板應力分布曲線圖

綜合分析，6 m切頂高度下，采空區頂板垂直位移最先，懸頂高度最大，同時煤柱所受應力最高，不利于巷道及煤柱的穩定；9 m與12 m切頂高度下，采空區頂板垂直位移及煤柱所有應力比較接近，從切頂施工難易程度及施工成本角度考慮，最終確定合理的切頂高度為9 m.

4 堅硬頂板切頂卸壓方法

根據前述分析結果，確定合理的切頂角度為75°，切頂高度為9 m，以此參數為依據對3501工作面運輸巷道實施切頂卸壓。在3501運輸巷道頂幫角位置按照75°布置預裂爆破鉆孔，卸壓孔垂直高度9 m，傾斜步距9.3 m，直徑為75 mm，卸壓孔布置方式如圖10所示。

圖10 卸壓孔布置方式

預裂爆破采用乳化炸藥，藥卷規格為D55 mm×500 mm，每卷藥量為1.3 kg，卸壓孔裝藥量為7.8 kg，裝藥不耦合系數為1.3，采取間隔裝藥布置形式，在卸壓孔內通過布設1個電雷管及2根導爆索實施爆破，孔內完成間隔裝藥完成后，對孔口采用黃泥封堵，封堵步距約為孔深的1/3(不小于3 m)，卸壓孔裝藥方式如圖11所示。

圖11 卸壓孔裝藥方式

5 現場實踐效果分析

預裂切頂效果如圖12所示。對于封口段，存在兩條明顯的縱向延深裂隙，孔內巖體完整性良好；對于預裂爆破段，孔內裂隙寬度發育良好，以環向裂隙向深部延展，裂隙寬度較大，整體切縫率達到了86%以上，取得了良好的預裂卸壓效果。

圖12 預裂切頂效果圖

為進一步分析切頂卸壓對巷道圍巖控制作用，對切頂卸壓后3501運輸巷進行了巷道變形監測，結果如圖13所示。隨著監測時間的增加，巷道變形表現為緩慢-快速-平穩波動變化特征，頂板最大下沉量為358 mm，煤柱側最大移近量為315 mm，回采側最大移近量為282 mm，圍巖變形在可控范圍內。針對堅硬頂板條件，切頂卸壓方法取得了良好的卸壓效果。

圖13 卸壓后巷道位移監測結果

6 結 語

1) 頂板極限垮落步距及其極限載荷與頂板厚度及極限抗拉強度成正比，對堅硬頂板而言，當頂板厚度較大時，極限垮落步距隨之增加，致使臨近工作面巷道及煤柱處于高應力狀態，易導致巷道變形甚至冒頂。

2) 通過數值分析不同切頂角度及高度下頂板應力及位移變特征，從切頂卸壓效果與開采效益角度綜合考慮，確定合理的切頂角度與高度分別為75°與9 m.

3) 研究提出的切頂卸壓方法，通過現場實踐，卸壓孔內裂隙寬度發育良好，裂隙寬度較大，整體切縫率達到了86%以上；同時，巷道變形表現為緩慢-快速-平穩波動變化特征，圍巖變形在可控范圍內，取得了良好的卸壓效果。