麥捷150505 綜放工作面回采巷道切頂卸壓分析

賀龍

（山西壽陽潞陽麥捷煤業，山西 晉中 045400）

1 概 況

麥捷煤業位于壽陽縣城北解愁鄉榮家溝村東，井田主要含煤地層為山西組、太原組，煤層自上而下編號為1、2、3、4、5、6、8、9、12、13、15號共11 層煤，含可采煤層5 層，分別為6、8、9、12、15 號煤層。目前正在開采的15 號煤層，位于太原組下部，直接頂為K2 灰巖，上距12 號煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤層厚度3.32～8.80 m，平均6.10 m，多含1 層夾石，局部含2 層夾石，偶含4～5 層夾石；煤層純煤厚度3.32～7.10 m，平均5.63 m，屬穩定的全區可采煤層。

但長期以來，麥捷煤業工作面之間都留設30 m 煤柱，加之礦井地質構造等特殊條件的影響，存在煤炭采出率低、工作面回采巷道變形嚴重、維護工程量大等問題。按照推廣應用小（無）煤柱開采技術的要求，現計劃在麥捷煤業150507 工作面實施小煤柱沿空掘巷開采技術，確保該技術能順利實施的關鍵因素之一就是切頂卸壓技術。

為保證150505 工作面在初采期間采空區基本頂能夠及時垮落，確保初采期間安全開采，在150505 皮帶順槽和切眼順槽進行切頂卸壓。

2 切頂卸壓護巷技術原理

切頂卸壓護巷主要思想是在工作面回采前，采用相應技術手段在巷道上方靠近采空區一側切縫，阻斷采空區的支承壓力向巷道傳遞，如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓護巷技術原理Fig.1 Technical principle of roof cutting pressure relief roadway

3 切頂卸壓數值模擬分析

3.1 數值模型

根據150505 工作面地質條件，通過FLAC3D模擬軟件建立數值模型，如圖2 所示，模型尺寸為500 m×190 m，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。在頂部施加6.4 MPa 的垂直應力，模擬上覆巖層自重。根據麥捷煤業的具體地層情況對巖層賦予物理力學參數。分別模擬不同切頂高度條件下采空區側向支承壓力分布情況，為合理的切頂高度選取提供參考依據。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

3.2 模擬結果分析

3.2.1 不切頂

不切頂條件下垂直應力分布如圖3 所示。在150505 工作面采空區穩定后，側向支承壓力呈現出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區煤壁14 m、30 m 位置分別出現第一次應力峰值（21.83 MPa）、第二次應力峰值（23.61 MPa）。結合該礦地質條件，15 號煤層原巖應力約12 MPa，可以計算出第一次、第二次峰值處的應力系數為1.82、1.97。

圖3 不切頂條件下巷道垂直應力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution of roadway without roof cutting

3.2.2 切頂高度5.3 m

根據麥捷煤業麥-6 號鉆孔柱狀圖顯示，15 號煤層上方依次為1.49 m 厚的K2石灰巖、1.9 m 厚的泥巖、1.85 m 厚的K2上石灰巖、2.4 m 厚的砂質泥巖和9.35 m 厚的粉砂巖。先按照切斷K2上石灰巖層位進行模擬研究，即按照切頂高度5.3 m 進行模擬。此時工作面在回采結束至穩定后的垂直應力分布如圖4 所示，切頂和不切頂的側向支承壓力對比如圖5 所示。

從圖4 和圖5 可以看出，按照高度5.3 m 切頂，在150505 工作面采空區穩定后，側向支承壓力仍然是呈現出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區煤壁14 m、30 m 位置分別出現第一次應力峰值（22.14 MPa）、第二次應力峰值（24.13 MPa），應力集中系數分別為1.85、2.01；在距150505 采空區煤壁邊緣約3.0 m 范圍內出現了應力降低區，應力降低區中的垂直應力低于原巖應力水平。

圖4 切頂高度5.3 m時的垂直應力分布云圖Fig.4 Vertical stress distribution cloud chart at 5.3 m top cutting height

圖5 切頂和不切頂的側向支承壓力對比Fig.5 Comparison of lateral support pressure between cut and uncut roofs

與不切頂時相比，切頂5.3 m 后側向支承壓力峰值位置、應力降低區范圍基本未發生變化，只是峰值大小有微小的增加。說明切斷K2上石灰巖層位未能起到切頂卸壓的作用。

3.2.3 切頂高度17 m

根據上述情況，按照切斷粉砂巖層位進行模擬研究，即認為切頂高度為17 m 時煤層堅硬頂板被完全切斷，此時工作面在回采結束至穩定后的垂直應力分布如圖6 所示，不同切頂高度時的側向支承壓力對比如圖7 所示。

(2)以車廂內溫度的溫度差、電池荷電情況以及整車負載的電流大小等數據為參考，通過智能控制算法、神經網絡、模糊控制以及車聯網等技術的應用，調節執行器、風機轉速、風門開度以及壓縮機的輸出功率，監測車輛的運行狀態，充分實現空調控制系統的智能化以及人機交換系統的構建。

從圖6 和圖7 可以看出，切頂高度為17 m 時，在150505 工作面采空區穩定后，側向支承壓力仍然是呈現出“先增大后減小”的趨勢；在距采空區煤壁16 m、35 m 位置分別出現第一次應力峰值（17.88 MPa）、第二次應力峰值（20.34 MPa），應力集中系數分別為1.49、1.7；在距150505 采空區煤壁邊緣約4.0 m 范圍內出現了應力降低區，應力降低區中的垂直應力低于原巖應力水平。

圖6 切頂高度17m時的垂直應力分布云圖Fig.6 The nephogram of vertical stress distribution at 17 m top-cutting height

圖7 不同切頂高度時的側向支承壓力對比Fig.7 Comparison of lateral abutment pressure at different cutting heights

根據不同切頂高度時的側向支承壓力對比曲線圖可以看出，切頂高度為17 m 時側向支承壓力峰值明顯降低，且峰值位置均向深部轉移，第一次峰值不再明顯。與不切頂、切頂高度5.3 m 時相比，第一次側向支承壓力峰值位置向深部轉移了2 m，第二次向支承壓力峰值位置向深部轉移了5m，壓力峰值大小降低了3～4 MPa。因此，切頂高度為17 m（切斷粉砂巖層位）時，煤層堅硬頂板被完全切斷，應力集中現象明顯減弱，應力環境大幅改善，對改善小煤柱巷道周邊的應力環境具有顯著作用。

4 切頂卸壓方案

超前切頂卸壓方案主要包括爆破鉆孔參數設計和鉆孔裝藥及封孔結構設計。

4.1 爆破鉆孔參數

爆破鉆孔布置及傾角如圖8 所示。

圖8 爆破鉆孔布置及傾角示意圖Fig.8 Blasting borehole layout and inclination diagram

4.1.1 鉆孔位置

鉆孔位置即鉆孔開孔處與巷道煤柱側巷幫的距離。結合150505 皮帶順槽設備管路布置情況及鉆機設備等實際情況，爆破鉆孔與煤柱幫距離為300 mm，且保證一次爆破的鉆孔在一條直線上。

4.1.2 鉆孔傾角

鉆孔傾角α 是巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角，傾角β 是巷道斷面圖中鉆孔與豎直方向的夾角。結合150505 皮帶順槽頂板基本頂厚度及鉆機的施工情況，確定鉆孔傾角α 向工作面后方傾斜，α=75°，β=85°，即在巷道中線剖面圖中，鉆孔向采空區方向偏轉時最大不超過15°。

4.1.3 鉆孔深度

預裂切縫鉆孔參數的確定必須結合工作面圍巖條件，并要確保通過預裂爆破能把巷道和煤柱上方的基本頂完全切斷。結合現場實際鉆孔深度取18 m。

根據《煤礦安全規程》規定，深孔爆破時封孔長度不低于孔深的1/3，即封孔長度至少6 m。麥捷煤業15 號煤層直接頂為K2石灰巖，深孔爆破后則對K2石灰巖的影響較小，因此，應采取深淺孔結合的方式進行切頂卸壓。所以，考慮到深孔封孔長度為6 m，則淺孔深度選擇為7 m。

4.1.4 鉆孔直徑和鉆孔間距

根據麥捷煤業工作面頂板巖性情況，并結合相似條件下切頂卸壓爆破工程經驗，暫時確定鉆孔間距1 000 mm，鉆孔直徑55～60 mm。

4.2 裝藥及封孔結構

根據爆破預裂切縫需要，結合麥捷煤業實際情況，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑35 mm，長200 mm，重200 g。定向切縫管用來控制巖層中裂縫的定向產生和形成，須在不耦合時才是可行的，根據以往工程經驗，不耦合系數K 的合理范圍為1.30＜K＜2.4，150505 皮帶順槽爆破預裂鉆孔直徑d=55～60 mm，礦用三級乳化炸藥直徑35 mm，因此不耦合系數K=1.57～1.71，符合要求。

裝藥段采用O 型聚能管作為載體進行裝藥，為減小O 型聚能管連接次數，避免出現截割聚能管的情況，采用2 m 長、直徑48 mm 的O 型聚能管配合使用，裝藥結構按照頂板巖層巖性分布情況合理分配，如圖9 所示。

圖9 鉆孔裝藥結構示意圖Fig.9 Chart of borehole charge structure

5 結 語

針對麥捷煤業回采過程中，工作面回采巷道變形嚴重、維護工程量大等問題，決定對150507 工作面進行了切頂卸壓。經過數值模擬可以發現，在切頂高度超過17 m 后，回采巷道的應力明顯降低，并設計了爆破切頂的施工方案，為堅硬頂板切頂卸壓設計提供一定的參考。