薛虎沟矿切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术研究

张志刚

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，运城 河津 043300）

随着我国经济的高速发展，我国煤炭资源的利用率也在逐步增长，使得煤矿开采强度增大，煤层的开采逐步向着深部煤层转移。由于开采深度较大，使得巷道的稳定性降低，所以在进行深部煤层开采时我国大部分矿山选用留煤柱护巷，导致煤炭资源浪费十分严重，同时留设煤柱宽度较大时极易造成应力集中，使得矿井安全受到一定的威胁[1-2]。为了解决此类问题，国内众多学者提出沿空留巷无煤柱开采技术，李向阳[3]以马兰矿为研究背景,对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术进行研究发现，切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术能够有效降低巷道顶板周期来压强度降低煤炭自燃概率的效果、降低采空区瓦斯浓度。崔润彪[4]为了提升矿井开采效率，降低开采成本，介绍了某矿切顶卸压留巷过程中的参数设计，并分析了切顶卸压的施工过程。本文以薛虎沟矿1209工作面为研究背景，对切顶卸压留煤柱开采技术进行研究，为矿山安全开采提供一定的参考。

1 理论分析

薛虎沟矿位于山西省河津市下化乡陈家岭村北，年产90万t，主要开采煤层为2号、10号煤层，该矿开拓方式为斜井、立井联合开拓。2-112工作面位于矿井二采区左翼，该工作面为南五采区的第3个工作面，主采煤层为2号煤层，厚度约为2.08 m，煤层呈现单斜构造，近水平煤层，倾角约为5°，具备了大断面一次成巷的地质条件。2-111工作面长度为216 m，切眼断面面积为15.6 m2，断面宽6.0 m、高2.6 m。预计在2-112工作沿着2-111采空区采用小煤柱沿空留巷。

切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术是在沿空留巷技术的基础上进行优化，在回采工作面前方通过定向爆破进行顶板的预裂，将预裂顶板下放，释放顶板压力，同时碎落的岩块由于碎涨性填充采空区，使得覆岩得到一定的支撑，实现降低巷道顶板压力，维护巷道稳定的目的。碎落的顶板岩块形成新的巷帮，保留的巷道为下个工作面服务，形成一面一巷，有效降低成巷的成本，降低矿山的成本。沿空留巷悬臂梁的力学模型可以简化为如图1所示。

图1 沿空留巷悬臂梁简化力学模型

如图1中：q为覆岩均布载荷，kN；p（x）为支柱反力，kN；T为悬臂梁的厚度，m；LR为留巷的宽度，m；Lo为断裂悬臂梁长度，m；L为悬臂梁长度，m。

通过分析可知在切顶位置需要的支护阻力Pn可以有如下表达式：

式中：W为顶板界面模量；[σ]为顶板极限抗拉强度；Mp为支柱反力距；M为顶板载荷力矩。

当满足公式（1）条件时，此时坚硬顶板将在支护处发生断裂。对切顶卸压覆岩垮落带进行计算，根据薛虎沟矿12号煤覆岩的岩性组成，覆岩主要有细粒砂岩、粉砂岩等组成，所以确定为中硬岩性，确定覆岩最大垮落带的高度如下所示：

式中：M为顶板载荷的力矩，N·m；Hm为最大垮落带高度，m；工作面的导水带计算公式表示如下：

式中：Hl为导水裂隙带高度，m。

2 数值模拟分析

为了对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术进行深入研究，对切顶卸压参数进行分析，选定切顶卸压高度作为分析变量，对切顶卸压高度为4 m、6 m和8 m时巷道围岩的变形情况及受力特征进行研究，首先对模型进行建立。根据薛虎沟矿实际地质情况建立模型长宽高分别为285 m、5 m、114 m，对模型进行边界条件设置，固定模型四面的X、Y、Z三向位移，在模型的上端部施加覆岩的均布载荷，经过计算均布载荷为10 MPa，根据实际地质情况对模型进行各层岩性的设置。完成模型设定后对模型进行模拟计算，如图2为不同切顶高度下巷道垂直应力分布云图。

图2 不同切顶高度下巷道垂直应力分布云图

如图2可以看出，当切顶卸压高度为4 m时，此时的巷道围岩的应力集中出现在煤帮的左侧，应力最大值为36.3 MPa，巷帮的侧应力集中范围位于巷帮对侧距离约为3.8 m，应力集中区域位置太近，不利于巷道的维护，造成留巷巷帮的位移量太大，可能造成留巷的失稳现象。当切顶高度为6 m时，此时的巷道围岩的应力集中区域距离煤帮左侧的位置有了大幅度增大，约为14.5 m，同时应力峰值为35.9 MPa，此时由于应力集中范围距离留巷距离较远，所以对于留巷十分有利。当切顶高度增大为8 m时，此时应力集中范围距离煤帮左侧约为15.3 m，此时的应力峰值约为35.3 MPa，此时对于留巷也较有利。同时对比三种切顶高度下的巷道围岩应力峰值可以看出，当切顶高度为4 m时，此时的应力峰值最大，切顶高度6 m次之，切顶高度8 m时应力峰值最小。对比三种切顶高度下应力集中方位距离煤帮左侧的距离可以看出，切顶高度为6 m和8 m时，两者距离相差不大，且均有利于留巷，考虑到施工的经济成本，所以最为合适的切顶卸压高度为6 m。

对切顶卸压沿空留巷进行施工，具体施工步骤：对工作面巷道进行施工；对巷道工作面顶板进行爆破预裂施工；在巷道内布置矿压监控系统；进行工作面回采；对巷道顶板进行预裂爆破；巷道老顶断裂下沉，成巷；对沿空留巷进行锚杆锚索支护；对巷道进行防火等安全措施的处理。完成切顶卸压沿空留巷无煤柱施工后对巷道稳定性进行日常的监测，选定切顶卸压高度后对巷道的围岩变形及受力进行监测，对巷道顶板的下沉量、底板的底鼓进行监测，巷道监测断面布置图如3所示。

如图3所示，每50 m的距离设置一组测点，每组布置4个测点，分别为顶板的C点、两帮变形量监测点A、B和底板的监测点D，位移监测计选定为ZW-4型位移计，经过监测巷道围岩的变形量均符合规定要求，切顶效果较佳。

图3 巷道监测断面布置图

3 结论

1）本文通过理论分析对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采巷道的应力特征进行研究，给出了成巷的原理。

2）利用FLAC3D数值模拟软件给出了切顶卸压模型建立的过程，并对不同切顶卸压高度下围岩垂直方向受力情况进行研究，发现随着切顶卸压高度的增大，巷道围岩的应力峰值降低，且在切顶高度为6 m时切顶效果最佳。

3）给出了切顶卸压沿空留巷的施工过程并对成巷进行变形量监测，验证了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术的可行性。