无煤柱工作面切顶施工数值模拟及可行性研究

范新春

（同煤集团雁崖煤业公司，山西 大同 037031）

1 工作面概况

大同煤矿集团雁崖煤业公司8304工作面位于三盘区北侧，工作面沿东西方向布置，南部为实煤区，西部为盘区回风巷、辅运巷，下部为2#层辅运巷，层间距为18m，北部为8305工作面。工作面设计走向长度为750m，倾向长度为127m，回采煤层为二叠纪下统山西组4#煤层，平均厚度为3.1m，山4#煤层结构复杂，煤层内含有多层夹矸，多数为炭质泥岩。煤层顶板属软岩复合顶板，其直接顶为泥岩，平均厚度1.47m，基本顶为细砂岩，平均厚度5.88m，直接底为泥岩，平均厚度3.2m，基本底为粉砂岩，平均厚度3.10m。工作面采用综合机械化后退式回采工艺，全部垮落法填充采空区。

为了提高采区煤柱回采率，8304工作面初步设计采用无煤柱回采工艺，即8304工作面在回采期间需沿空留巷，保证8305工作面正常回采。为了防止8304工作面回采期间沿空留巷段顶板下沉及煤柱帮应力集中现象，综采二队利用FLAC3D数值模拟软件对定向聚能爆破切顶施工进行模拟分析及可行性研究。

2 定向聚能爆破施工可行性研究

本次留设的巷道为8304工作面5304巷，为了能够说明切顶留巷的矿压过程及应力集中情况、参数选择，决定采用FLAC3.0有限元矿压分析软件进行建模、模拟，来分析切顶后对留巷侧煤柱帮及顶板应力影响变化。

2.1 FLAC建模参数

（1）5304巷道断面规格为宽×高=4.8×3.2m，根据窥视孔获取的岩层参数，按照顶板岩层厚度及岩性的不同给模型材料赋值，如表1所示。

（2）载荷条件：结合该矿地应力测量结果及模拟工作面布置方位，经过计算可以确定在模型X轴方向施加15MPa的梯度应力，模型Y轴方向施加15MPa的梯度应力，模型上部施加10.7MPa的等效载荷，下部施加10MPa的等效载荷，Z轴方向设定自重载荷。初始值设置好后，开始初步运行，让模型地应力首先达到平衡，如图1模型初始应力达到平衡后szz应力云图。

表1 5304巷顶板各岩层力学参数

图1 地应力平衡后szz应力云图

2.2 切顶前后模型应力及位移分析

（1）当模型单元格达到初始地应力平衡后就可以对模型进行开挖。首先模拟没有施工切顶槽留巷段巷帮应力值及位移值变化情况，并选择2个点P（45 10 6.5）、P1（37 10 9）（点P为留巷煤柱内监测点，点P1为留巷巷道顶板监测点）进行监测，运算2000步，可以看出煤柱帮出现了很大的应力集中现象，如图2所示。

图2 模型开挖后运行2000步szz应力云图

（2）对模型重新开挖，并预留切顶槽，其中切顶槽深度为6.5m，并与顶板夹角为80°，观察留巷帮应力及位移变化情况。设置同位置2个点进行监测，运算2000步，观察应力集中及位移变化现象。从图3中可以看出经过切顶后，煤柱帮应力现象得到极大的减弱。

图3 切顶后运行2000步后szz应力云图

3 定向聚能爆破切顶施工

3.1 定向聚能爆破原理

定向聚能爆破指的是在指定区域，根据顶板岩性及稳定程度合理设计爆破钻位置、孔深度、角度、装药量等参数，通过定向爆破后，使顶板岩体在指定方向上产生连续性裂隙，无煤柱工作面在回采时可利用顶板爆破裂隙进行卸压，防止顶板超前应力集中，导致顶板下沉、破碎、垮落等。工作面回采后采空区顶板可在裂隙区发生切顶垮落，提高了沿空留巷安全性，保证了留巷段支护效果。

3.2 施工工艺

（1）8304工作面直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为1.47m，回采后顶板易垮落；基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为4.88m。该岩石普氏系数f＞4.5，岩体硬度大，难以破碎、垮落，所以将8304工作面切顶深度确定为6.5m。为了便于8304工作面在回采过程中通风及行人，定向聚能爆破孔施工在距工作面煤壁帮4.0m处，钻孔成直线布置，钻孔间距为3.0m。

（2）首先由地测科现场给定炮孔布置走向线，并标定炮孔位置，采用YT-28型风动钻机配套直径为65mm一字型合金钻头进行炮孔施工，炮孔向采空区方向以10°偏斜角布置，如图4所示。

（3）爆破钻孔施工完后，对炮孔内安装定向聚能管。8304工作面采用的聚能管主要为长度2.0m、直径63mmPVC管，相邻两节聚能管采用连接套连接，每节聚能管对称两侧焊制直径为8mm的能量释放圆孔，孔间距为150mm。聚能管安装时保证能量释放孔位置与工作面走向一致。

（4）聚能管安装后，每个炮孔填装3支药卷长度为300mm、质量为300g的三级矿用乳化炸药以及一支毫秒延期电雷管引爆，采用正向装药以及串联连接方式。

（5）为了防止工作面回采时位于8305工作面侧切顶线附近岩体出现垮落现象，8304工作面回采过程中在8305工作面煤壁侧，距爆破孔1.0m处顶板施工一排恒阻组合锚索。每组组合锚索配套一块长×宽=0.5×0.5m钢方垫以及五根长度为8.0m、直径为21.6mm恒阻锚索，组合锚索间距为3.0m。同时支设一排T型钢棚，钢棚间距为1.0m，在钢棚棚腿处安装钢带以及风筒布进行挡矸及堵风。

3.3 应用效果分析

2018年4 月3 日8304工作面回采至50m处，在5304巷进行定向聚能爆破，由于工作面日进度为6m，所以每次爆破2个炮孔为爆破时间节点。截至2018年6月3日，工作面回采至590m，共计爆破180个爆破孔，切顶后通过对留巷段顶板及回采煤壁应力观察分析可知：

（1）5304沿空留巷段定向爆破切顶施工后，8304工作面在回采过程中，在工作面前方5.0m处位于煤壁侧顶板出现局部下沉现象，最大下沉量为0.23m，切顶处顶板局部破碎，采用单锚杆支护即可维护，未发生顶板大面积破碎、垮落事故。同时采用切顶爆破后，顶板深处裂隙带可对8304、8305工作面在沿空留巷段产生的集中应力进行超前释放，降低了集中应力对巷道围岩破坏作用。

图4 沿空留巷段定向聚能爆破钻孔布置示意图

（2）8304工作面沿空留巷段定向聚能爆破切顶后，8304工作面采空区沿切顶线得到充分垮落，垮落高度达8.5m。8304工作面采空区垮落后，沿空留巷段顶板及围岩未发生严重变形、破碎现象，受顶板围岩塑形变化影响，距采空区8～15m范围内，沿空留巷段顶板出现局部跨距现象，切顶线附近顶板出现局部破碎。随着工作面推进，位于采空区后方的沿空留巷段围岩变形趋于稳定，顶板下沉量控制在0.35m以内，留巷段采用架棚、施工恒阻组合锚索联合支护对切顶处顶板起到预期支护效果。

4 结 语

大同煤矿集团雁崖煤业公司综采二队通过技术研究，利用FLAC3D数值模拟软件对8304无煤柱工作面切顶施工进行模拟和可行性研究，并提出了定向聚能爆破切顶施工工艺。通过对应用效果分析发现，切顶施工使沿空留巷顶板上方区域形成短臂梁，大大减小了留巷侧采空区岩层垮落对留巷顶板的影响，增大采空区岩层的碎胀体积，利用岩体碎胀特性，使垮落矸石充满采空区形成新的巷帮，对上覆岩层起到有效的支撑作用。在恒阻大变形锚索支护、巷内临时补强支护及挡矸支护共同作用下，大大降低了上覆岩层的回转下沉变形，从而有效控制了留巷围岩的稳定性，保证了无煤柱工作面安全高效回采，取得了显著应用成效。