斜沟矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术研究

关明利

（西山晋兴能源有限责任公司， 山西 吕梁 033602）

1 概述

随着煤炭开采技术水平的提高和开采力度的加大，我国浅部煤层煤炭储量越来越少，国内许多煤矿逐渐开始了对深部煤炭资源的开采[1]。深部煤炭开采要将巷道布置在高应力地层中，巷道围岩受高应力及强采动影响常常出现复杂的破坏形式。为解决这一现状，通常采用留设区段煤柱方式来缓解巷道变形程度，维护巷道围岩稳定。但是该方式不仅极大地造成了煤炭资源的浪费，不符合经济、高效开采的理念，而且留设的区段煤柱在高应力作用下，煤体内部裂隙发育，吸附在煤体内部的瓦斯逐渐涌出，造成采空区发火等灾害，不利于煤炭开采。

针对上述问题，该领域许多学者在现有沿空留巷技术基础上，提出了切顶卸压无煤柱开采技术，该技术的出现推动了沿空留巷技术的进一步创新[2-5]。基本实现了无煤柱开采，不仅极大地提高了煤炭资源的回收率，降低了采掘比，而且能够有效改善巷道围岩应力环境，减小巷内支护的受力及巷旁支护的阻力，极大地提高了沿空巷道围岩的稳定性。此外，该技术优化了巷道通风方式，实现了Y型通风，进一步实现了煤炭安全高效生产。

2 工程概况

斜沟矿位于山西省兴县北50 km处，矿区南北长约2 km，东西宽约3～4 km，矿井面积约88.6 km2矿井设计生产能力15.0 Mt/a。23111综放工作面位于斜沟矿21采区南翼东侧，紧邻矿界保护煤柱，工作面南侧为实煤区，西侧为已回采完毕的23101工作面，水平标高+700 m，开采煤层为太原组8号煤层，煤层厚度 5.40～6.60 m，平均厚度 5.98 m，23111工作面总体为一走向近南北倾向西的单斜构造，煤层平均倾角6.6°。工作面顶板上存在一层厚度约为0.2 m伪顶（砂质泥岩）；直接顶为细粒砂岩，平均厚度约为5 m；老顶为中粒砂岩，平均厚度约为9 m；直接底为粉砂岩，平均厚度约为1.6 m；老底为细粒砂岩，平均厚度约为3 m，工作面煤层顶底板岩性如图1所示。

图1 20180综采工作面煤层顶底板岩性柱状图

3 沿空留巷围岩赋存特征及破坏机理

3.1 围岩赋存特征

对于沿空巷道巷道而言，其特有的巷旁支护方式及布置位置的特殊性，使巷道围岩应力分布特征与其他回采巷道不同，主要表现在如下几个方面[5]：

1）巷道位于应力降低区。在工作面回采期间，上覆岩层受煤层开采扰动覆岩结构发生变化，煤层开采具有一定的活动性，待覆岩趋于稳定后沿采空区布置巷道。此时煤体受到扰动破坏，煤体内部集中应力得到释放，该区域应力环境相对稳定，利于巷道稳定。

2）围岩应力集中程度小。在煤体应力释放的卸压区布置巷道，该区域围岩破碎程度加大，裂隙较为发育。巷道布置后受围岩应力影响程度较小，相比于其他回采巷道而言围岩更有利于稳定。

3）回采期间受扰动影响程度大。在上区段工作面覆岩结构稳定之后沿采空区边缘布置巷道为沿空留巷，此时巷道围岩进入稳定阶段，围岩应力及变形量相对较小。但在本区段工作面回采期间，巷道围岩受到二次扰动，引起已形成稳定结构的上覆岩层再次活动，造成工作面煤岩体应力叠加，围岩变形加剧。

3.2 围压破坏变形机理

根据对巷道围岩的影响因素可将围岩破坏变形机理分为两大类，具体如下。

3.2.1 自然因素

1）巷道围岩岩性。围岩强度和裂隙发育程度是影响巷道稳定的最直接因素，直接关系到巷道受外力作用下最大抵抗程度。

2）巷道埋深。随着开采深度增加，巷道受上覆岩层压力也逐渐增大，此外，深部巷道围岩稳定性受水平应力和垂直应力共同作用影响。

3）煤层倾角。当巷道布置在倾斜煤层中，巷道围岩所受的垂直应力在巷道走向存在分力，导致巷道围岩受力不均匀，出现非对称性破坏特征。

4）地质构造。布置在地质构造带附近的巷道，地壳运动导致能量的大量释放和聚集，严重影响巷道围岩稳定性，增大巷道控制难度。

3.2.2 开采技术因素

开采技术因素包括采动次数、巷道断面形状及大小、是否存在临近开采工作面等诸多因素，影响因素不同，巷道围岩受扰动程度也不相同。

4 切顶卸压无煤柱开采技术及数值模拟

4.1 技术原理

4.1.1 核心技术

在工作面回采前，用锚杆装机沿着回采巷道一侧打设等距离的爆破孔，装药后运用聚能爆破技术进行预制切顶裂纹。当工作面回采后，在上覆岩层在重力及围岩应力共同作用下，采空区顶板沿裂纹方向发生下滑破碎落至采空区，由岩石的碎胀特性使采空区内垮落岩石体积增大占据采空区并提供一定的支撑力，促使采空区围岩趋于稳定，如图2所示。该技术不仅实现对采空区顶板卸压，而且改变了传统长壁开采的布局方式，由“一面两巷”变为“一面一巷”。

图2 切顶卸压无煤柱开采技术

4.1.2 技术优势

1）降低巷道顶板应力集中程度。通过聚能爆破技术将采空区顶板定向切割，实现采用区顶板与巷道顶板分离，隔绝应力传递，降低巷道顶板应力集中程度。

2）人为控制采空区顶板垮落。通过预制顶板裂纹，构建顶板岩层自由面，使顶板垮落规则化，利于原巷道保留及围岩控制。

3）提高煤炭回收率，增加回采安全性。该技术不仅实现无煤柱开采，提高煤炭回收率，增加经济效益，而且避免工作面回采中留设煤柱导致的瓦斯、冲击地压等矿井灾害的发生。

4.2 切顶留巷数值模拟研究

4.2.1 模型建立

结合斜沟矿20180综采工作面地质情况，模型设计尺寸长×宽×高为285 m×5 m×114 m，模型左右两边、前后两面和底面进行位移约束，模型上面设置10 MPa的均布载荷（垂直向下），设置水平应力12.5 MPa（x轴正方向）、8 MPa（y轴正方向）。顶底板岩性参数选择如表1所示，分别切顶4 m、6 m和8 m这三种情况进行分析，切顶模型图如图3所示。

表1 顶底板岩性选取参数

图3 切顶卸压数值模型图

4.2.2 不同切顶高度垂直应力分布特征

图4 不同切顶高度垂直应力分布云图

如图4所示（不同切顶高度垂直应力云图）可知，切顶高度为4 m时，围岩应力集中区域距煤壁约3.8 m，应力值高达32.5 MPa，此时应力集中区域距煤壁距离较近，煤壁极易破碎不利于维护，容易造成留巷失败；而切顶高度为6 m和8 m时，此时应力集中区域距煤壁较远，分别为14.5 m和15.3 m，应力值较切顶高度4 m时增大幅度较小，此时对留巷影响较小，留巷成功率较大。

依据数值模拟得出的结论，结合现场工业性试验结果分析，最终确定20180工作面切顶高度7 m时，巷道围岩应力集中程度较低，且易于施工，切顶卸压沿空成巷效果明显。

5 结论

1）通过分析沿空留巷围岩赋存特征及活动规律，揭示巷道围岩应力分布及破坏特征。在此基础上提出了切顶卸压无煤柱开采原理及核心技术，并运用FLAC3D数值模拟软件，对不同切顶高度下围岩应力分布特征进行研究。

2）通过对4 m、6 m和8 m三种不同切顶高度下沿空留巷围岩垂直应力分布云图分析可知，4 m切顶高度不能完全切断采空区顶板，导致部分应力传递，不利于留巷，而6 m和8 m切顶高度可有效切断采空区顶板。在此基础上，结合现场工业性试验，最终确定7 m切顶高度，现场切顶卸压沿空成巷效果明显。