杜家溝礦2105工作面一次采全高切頂卸壓技術研究

侯藝超

（霍州煤電集團河津杜家溝礦有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 概述

隨著礦井開采年限和采掘深度的不斷增加，煤層覆存較為簡單的煤層儲量逐步減少，現階段我國煤礦開采的重點逐步向著深部煤層轉移。在進行深部煤層開采時，由于埋深較大，使得巷道應力集中現象較為明顯，巷道圍巖變形較大，支護難度及支護成本均較高。對于留煤柱開采礦井，由于巷道變形嚴重，煤柱留設尺寸增大，造成礦井出煤率降低，所以提出沿空留巷技術，通過巷旁充填的手段，保留原回采巷道為下個區段開采做準備，但傳統的研究均圍繞巷旁支護，較少對頂板的傳力結構進行研究[1]。因此本文以杜家溝礦2-105工作面為研究背景，提出一次采全高工作面切頂卸壓沿空留巷技術，為礦井安全高效開采提供一定的參考。

2 礦井概況及支護技術研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮西北3km，井田面積9.89km2，礦井設計生產能力60×104t/a，主要開采山西組2#煤層，地質構造簡單，所含煤層平均厚度3.99m。2-105工作面是2#煤層綜采工作面，整個綜采面呈現長方形布置，回采工作面傾斜長度為175m，采用走向長壁后退式一次全高機械化采煤法，在2-105工作面進行切頂，留巷長度設定為500m，留巷后服務于下個工作面。

2-105工作面巷道為梯形斷面，巷道掘進凈寬為5m，掘進斷面面積為16m，頂板采用金屬網、螺紋錨桿支護，螺紋錨桿規格為?18mm×1800mm，間排距為1000mm×1000mm，頂板布置六排螺紋鋼錨桿；幫壁采用塑料網及數值錨桿進行支護，樹脂錨桿規格為?16mm×1600mm，間排距為1000mm×800mm。為保證切頂過程巷道的穩定性，在對巷道進行切頂卸壓前利用恒阻錨索進行補強支護，選定恒阻錨索長度大于爆破高度2m，錨索的錨固端位于巖性較為穩定巖層中，選定的錨索長度為12m。恒阻錨索分別布置在距切縫鉆孔400mm的位置，排距1000mm，錨索間使用3000mm×300mm×5mm的W型鋼帶進行連接，另一組恒阻錨索沿巷道的中線布置，錨索布置排距為2000mm[2]。

3 切頂卸壓數值模擬及現場實踐

利用數值模擬軟件對切頂卸壓參數進行研究，選定數值模擬軟件FLAC-3D進行模擬，首先進行模型的建立，模型的長寬高分別為160m×100m×1m，對模型進行邊界條件設置，固定模型左右及下端部的位移，在模型的上端施加垂直均布荷載，荷載的大小為12MPa，分別對不同切頂高度下的巷道圍巖變形情況進行分析，選定切頂高度分別為8m、12m、16m和20m，分別對頂板垂直變形量進行分析[3]，不同切頂高度下巷道頂板變形曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，頂板的下沉量隨巷道寬度呈現先增大后減小的趨勢，在巷道中間部位出現頂板下沉量的最大值。當巷道未進行切頂卸壓時，此時的巷道頂板下沉量最大值為181mm，經過切頂卸壓后頂板的下沉量有了較大幅度的降低，當切頂高度為8m時，此時的頂板下沉量為138mm，當切頂高度為12m時，此時頂板下沉量為132mm，切頂高度16m和20m的頂板下沉量分別為118mm和114mm，可以看出隨著切頂卸壓高度的增大，巷道頂板下沉量呈現逐步降低的趨勢，但降低的趨勢并非線性，切頂高度16m和20m時，頂板下沉量變化相差不大，僅從巷道頂板下沉量的角度確定合理的切頂高度為16m[4]。

圖1 不同切頂高度下巷道頂板變形曲線

選定切頂高度16m后，對不同切頂角度下的巷道圍巖變形情況進行研究，選定切頂角度為0°、15°、30°進行模擬研究，不同切頂角度下巷道圍巖應力集中系數及頂板下沉曲線如圖2所示。

圖2 不同切頂角度下巷道圍巖應力集中系數及頂板下沉曲線

由圖2所示可以看出，當巷道未進行切頂時，此時的應力集中系數為3.7，而巷道切頂后的應力集中系數有了明顯的降低，當切頂角度為30°時，此時的應力集中系數為2.6，當巷道切頂角度為15°時，此時IDE巷道應力集中系數為2.3，當切頂角度為0°時，此時的應力集中系數為1.6，可以看出隨著切頂卸壓角度的減小，巷道應力集中系數呈現逐步減小的趨勢，當切頂角度為0°時，此時的巷道應力集中系數最小。觀察不同切頂角度下巷道頂板下沉量曲線可以看出，隨著切頂角度的增大，此時巷道頂板的下沉量呈現逐步增大的趨勢，切頂角度30°、15°、0°下巷道的頂板下沉量分別為133mm、131mm、121mm，綜合分析可以確定最佳的切頂卸壓角度為0°，此時巷道的應力集中系數及巷道頂板下沉量均為最小值[5]。

確定切頂參數后進行現場試驗，切頂鉆孔沿著運輸巷走向進行布置，鉆孔直徑為52mm，切頂高度為16m，切頂角度為0°，采用d-450/01聚能管進行爆破，聚能管與專用構件連接，在聚能管端部安裝雷管，對孔口進行封閉，完成切頂卸壓操作后進行爆破，觀察巷道礦壓顯現情況，在工作面布置10#、11#、12#測站，監測巷道表面位移，巷道表面位移變形曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著工作面回采不斷推進，此時巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現逐漸增大的趨勢，測站10#、11#、12#頂底板移近最大分別為70mm、74mm、69mm，此時巷道的兩幫最大移近量分別為59mm、84mm、67mm，巷道的頂底板、兩幫平均移近量分別為71mm、70mm，巷道處于可控范圍，巷道圍巖變形控制較好。巷道頂底板及兩幫移近量隨著回采逐漸增大，在超前工作面50m外的范圍內，巷道的掘進造成圍巖位移變形增幅不明顯，此時測站10#、11#、12#頂底板移近量分別為19mm、23mm、15mm，巷道平均移近量為19mm，兩幫平均最大移近量為12.7mm。當超前工作面50m至工作面后方120m內為采動影響區，此時巷道圍巖趨于穩定，當超前工作面50m范圍內為超前影響區，此時超前側向支承壓力使得巷道圍巖變形劇烈，滯后影響區為工作面后方0～120m范圍內，此時巷道頂底板及兩幫平均移近量分別為58.7mm、54.3mm，對比掘進可以看出頂底板及兩幫移近量分別增加了39.7mm、41.6mm，增加的位移量較小，巷道穩定性得到保證。

圖3 巷道變形曲線

4 結論

（1）隨著切頂高度的不斷增大，巷道頂板的下沉量隨巷道寬度呈現先增大后減小的趨勢，當切頂高度為16m時最佳，此時的巷道下沉量118mm。

（2）隨著切頂角度的增大，此時巷道頂板的下沉量呈現逐步增大的趨勢，同時巷道應力集中系數逐步增大，當切頂角度為0°最佳時，應力集中系數為1.6，頂板下沉量為121mm。

（3）對切頂卸壓進行現場實踐，發現隨著工作面回采不斷推進，此時巷道頂板、底板、兩幫的移近量均呈現逐漸增大的趨勢，巷道變形得到有效控制。