综放工作面切顶卸压沿空留巷技术的应用

苗卿

【摘 要】 针对沿空留巷围岩稳定性问题，文章采用数值模拟研究、实验研究、现场实施和后期效果考察的方法进行研究，得出以下结论：① 数值模拟结果显示切顶导致留巷上覆岩层应力居中区域右移;② 采用爆破切顶措施，切顶钻孔孔间距3m，6个钻孔一组进行爆破;③后期效果考察显示巷道回采期间，切顶区域单体液压支架应力平稳，未切顶区域单体液压支架在回采10m后出现大幅波动。

【关键词】 切顶留巷;数值模拟;实验研究;工程应用

【中图分类号】 TD853.391 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2022）01-0009-03

矿井回采过程中，回采工作面和备采工作面之间预留的安全煤柱，严重影响资源回收率。留巷技术可以解决此问题，但实施过程中围岩应力集中，会影响二次支护效果。我国相关领域专家学者关于沿空留巷技术应用及支护措施优化做过大量研究，王亮针对潞宁煤矿22116工作面留巷支护进行了切顶措施研究;安浩炜针对亿欣煤业综采工作面留巷进行了爆破切顶技术的实施。其他专家学者针对切顶留巷支护技术也进行了大量的研究工作。以往的研究主要以现场技术应用为主，针对切顶留巷技术实施过程中围岩应力演化过程分析、现场实施、后期效果考察综合研究较少。山西某矿2505综放工作面回采过程中采用了切顶留巷技术，现针对该技术的工程应用进行研究。

1 工程概况

2505工作面主采煤层5#煤层，平均厚度6.7m，煤层顶板为泥岩，平均厚度2.7m;底板为粉砂岩，平均厚度6m。工作面采用综合机械化放顶煤开采，采高2.5m，放顶3.5m。目前在采工作面为2505工作面，邻近工作面为2507工作面，现对2505工作面回风顺槽进行支护，作为2507工作面运输顺槽，两个工作面之间不留煤柱，实施沿空留巷技术。2505工作面煤层柱状图如图1所示，区域内煤岩力学参数如表1所示。

2 切顶技术数值模拟研究

为研究切顶技术对矿井围岩生产变形，现采用软件COMSOL对未切顶巷道和切顶巷道围岩应力分布情况进行数值模拟研究，模型宽度20m，高度10m，巷道宽度6m，高度3m，模型左、右边界为固定约束，顶板应力100MPa。

数值模拟集合模型为2505工作面运输顺槽断面，通过数值模拟研究得到不进行切顶情况下和切顶情况下巷道围岩应力分布情况如图2所示，切顶角度为10°，切顶深度为4m。

由图2可知，矩形断面在无切顶情况下，巷道顶板围岩应力比较集中，集中区域位于巷道顶板上方呈拱状，底板同样会在地应力情况下呈现围岩底鼓现象，由于巷道底板围岩为粉砂岩，硬度比较大，因此底鼓现象不是特别严重。当实施顶板切顶技术时，应力集中区域分布于巷道上方右侧，应力集中区域右移，整体呈现巷道变形应力集中区域偏移，正常情况下，巷道右侧为2505工作面采空区，因此，应力集中区域右移可以有效解决采空区垮落后对留巷上覆岩层的破坏。

3 切顶技术实施及效果考察

切顶技术能量源为爆破能，钻孔设计见图3。钻孔间距为3m，钻孔孔径为50mm。爆破切缝原理图如图4所示。

爆破使用的聚能管每节长度1.5m，外径40mm，爆破使用的炸药为300×Φ32mm规格的矿用乳化炸药卷。实际施工钻孔10m，倾角10°，爆破过程封孔深度3m，装药长度为6m，封孔采用普通炮泥进行封孔作业，每6个钻孔为一组进行爆破，根据实验研究表明，相邻两个钻孔同时爆破时钻孔之间产生能量耦合作用，切割效果更好。

爆破完成后需要对巷道进行超前支护，超前支护采用U型钢结合单体液压支架，为考察切缝效果，回采过程中对单体液压支架承受的应力进行考察，考察距离为距离采面的通过单体液压支架20m间距，分别将原先未切顶区域单体液压支架和切顶区域单体液压支架应力情况进行对比统计，数据统计结果如图5所示。

由图5可知，当2505工作面回采通过切顶区域时，单体液压支架出现大的波动，液压支架承受的最大应力为50MPa，最小应力为40MPa;当采面推进通过切顶位置时，在通过单体液压支架10m、11m、12m区间端，单体液压支架分别出现应力波动较大的情况，波动从55MPa陡增到86MPa，出现如此波动主要原因为达到工作面正常放顶步长，由于没有切顶，留巷上覆岩层依旧保持一致性。突然放顶产生地压冲击波对单体液压支架产生大的冲击，因此出现应力陡增的现象。

4 总结

山西某矿2505工作面实施留巷切顶技术，进行数值模拟研究，现场实施和效果考察得到以下结论：

数值模拟表明，切角10°情况下导致巷道顶板上覆岩层应力右移，防止了巷道顶板应力集中情况;

阐述了爆破切顶技术实施的过程和技术原理，钻孔间距3m，6个钻孔一组可以满足要求;

工作面通过单体液压支架过程中，未切顶位置在采面推进通过支架10m后出现应力陡增的情况，切顶区域单体支架应力未出现大的波动。

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