自动化综采工作面一次采全高切顶卸压技术研究

索献伟

（西山煤电集团有限责任公司杜儿坪矿，山西 太原 030053）

引言

随着我国工业化的不断发展，能源的需求量日渐增多，尽管我国现阶段大力发展清洁能源产业，但由于风能、水能、太阳能等清洁能源的产出较低，对于我国能源整体格局影响较小，所以煤炭仍是我国目前最为依仗的能源。随着开采年限的不断增加，覆存较为简单的煤层储量日益减少，现阶段我国煤矿开采的重点逐步向着深部煤层转移。在进行深部煤层开采时，由于埋深较大，使得巷道应力集中现象较为明显，巷道围岩变形较大，支护难度及支护成本均较高[1-2]。对于留煤柱开采矿井，由于巷道变形严重，煤柱留设尺寸增大，造成矿井出煤率降低，所以提出沿空留巷技术，通过巷旁充填的手段，保留原回采巷道为下个区段开采做准备[3-4]，但传统的研究均围绕巷旁支护，较少对顶板的传力结构进行研究，因此本文以杜儿坪矿为研究背景，提出一次采去搞工作面切顶卸压沿空留巷技术，为矿井安全高效开采提供一定的参考。

1 背景及补强支护

杜儿坪矿位于吕梁山脉中麓、太原市以西20 km处的西山煤田中部，北通西铭（矿），西邻东曲（矿），南接官地（矿）、白家庄（矿）杜儿坪矿井田面积63.1 km2，可采煤层8#、9#煤层，地质构造简单，所含煤层平均厚度分别为3.99 m、3.62 m。68307 工作面是8#煤层综采工作面，整个综采面呈现长方形布置，回采工作面倾斜长度为175 m，采用走向长壁后退式一次全高机械化采煤法，在68307 工作面进行切顶，留巷长度设定为500 m，留巷后服务于下个工作面。

68307 工作面巷道为梯形断面，巷道掘进净宽为5 m，掘进断面面积为16 m，顶板采用金属网、螺纹锚杆支护，螺纹锚杆规格为Φ18 mm×1 800 mm，间排距为1 000 mm×1 000 mm，顶板布置六排螺纹钢锚杆；帮壁采用塑料网及数值锚杆进行在支护，树脂锚杆规格为Φ16 mm×1 600 mm，间排距为1 000 mm×800 mm。为保证切顶过程巷道的稳定性，在对巷道进行切顶卸压前利用恒阻锚索进行补强支护，选定恒阻锚索长度大于爆破高度2 m，锚索的锚固端位于岩性较为稳定岩层中，选定的锚索长度为12 m。恒阻锚索分别布置在距切缝钻孔400 mm 的位置，排距1 000 mm，锚索间使用3 000 mm×300 mm×5 mm 的W 型钢带进行连接，另一组恒阻锚索沿巷道的中线布置，锚索布置排距为2 000 mm。

2 数值模拟及现场实践

利用数值模拟软件对切顶卸压参数进行研究，选定数值模拟软件FLAC-3D 进行模拟，首先进行模型的建立，模型的长宽高分别为160 m×100 m×1 m，对模型进行边界条件设置，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载，荷载的大小为12 MPa，分别对不同切顶高度下的巷道围岩变形情况进行分析，选定切顶高度分别为8 m、12 m、16 m 和20 m，分别对顶板垂直变形量进行分析，不同切顶高度下巷道顶板变形曲线，如第194 页图1 所示。

如图1 所示，顶板的下沉量随巷道宽度呈现先增大后减小的趋势，在巷道中间部位出现顶板下沉量的最大值。当巷道未进行切顶卸压时，此时的巷道顶板下沉量最大值为181 mm，经过切顶卸压后顶板的下沉量有了较大幅度的降低，当切顶高度为8 m时，此时的顶板下沉量为138 mm，当切顶高度为12 m 时，此时顶板下沉量为132 mm，切顶高度16 m和20 m 的顶板下沉量分别为118 mm 和114 mm，可以看出随着切顶卸压高度的增大，巷道顶板下沉量呈现逐步降低的趋势，但降低的趋势并非线性，切顶高度16 m 和20 m 时，顶板下沉量变化相差不大，仅从巷道顶板下沉量的角度确定合理的切顶高度为16 m。

图1 不同切顶高度下巷道顶板变形曲线

选定切顶高度16 m 后，对不同切顶角度下的巷道围岩变形情况进行研究，选定切顶角度为0°、15°、30°进行模拟研究，不同切顶角度下巷道围岩应力集中系数及顶板下沉曲线，如图2 所示。

图2 不同切顶角度下巷道围岩应力集中系数及顶板下沉曲线

如图2 所示可以看出，当巷道未进行切顶时，此时的应力集中系数为3.7，而巷道切顶后的应力集中系数有了明显的降低，当切顶角度为30°时，此时的应力集中系数为2.6，当巷道切顶角度为15°时，此时IDE 巷道应力集中系数为2.3，当切顶角度为0°时，此时的应力集中系数为1.6，可以看出随着切顶卸压角度的减小，巷道应力集中系数呈现逐步减小的趋势，当切顶角度为0°时，此时的巷道应力集中系数最小。观察不同切顶角度下巷道顶板下沉量曲线可以看出，随着切顶角度的增大，此时巷道顶板的下沉量呈现逐步增大的趋势，切顶角度30°、15°、0°下巷道的顶板下沉量分别为133mm、131 mm、121 mm，综合分析可以确定最佳的切顶卸压角度为0°，此时巷道的应力集中系数及巷道顶板下沉量均为最小值。

确定切顶参数后进行现场试验，切顶钻孔沿着运输巷走向进行布置，钻孔直径为52 mm，切顶高度为16 m，切顶角度为0°，采用d-450/01 聚能管进行爆破，聚能管与专用构件连接，在聚能管端部安装雷管，对孔口进行封闭，完成切顶卸压操作后对进行爆破，观察巷道矿压显现情况，在工作面布置10#、11#、12#测站，监测巷道表面位移，巷道表面位移变形曲线，如图3 所示。

图3 巷道变形曲线

从图3 可以看出，随着工作面回采不断推进，此时巷道顶板、底板、两帮的移近量均呈现逐渐增大的趋势，测站10#、11#、12# 顶底板移近最大分别为70 mm、74 mm、69 mm，此时巷道的两帮最大移近量分别为59 mm、84 mm、67 mm，巷道的顶底板、两帮平均移近量分别为71 mm、70 mm，巷道处于可控范围，巷道围岩变形控制较好。巷道顶底板及两帮移近量随着回采逐渐增大，在超前工作面50 m 外的范围内，巷道的掘进造成围岩位移变形增幅不明显，此时测站10#、11#、12# 顶底板移近量分别为19 mm、23 mm、15 mm，巷道平均移近量为19 mm，两帮平均最大移近量为12.7 mm。当超前工作面50 m 至工作面后方120 m 内为采动影响区，此时巷道围岩趋于稳定，当超前工作面50m 范围内为超前影响区，此时超前侧向支承压力使得巷道围岩变形剧烈，滞后影响区为工作面后方0 m～120 m 范围内，此时巷道顶底板及两帮平均移近量分别为58.7 mm、54.3 mm，对比掘进可以看出顶底板及两帮移近量分别增加了39.7 mm、41.6 mm，增加的位移量较小，巷道稳定性得到保证。

3 结论

1）随着切顶高度的不断增大，巷道顶板的下沉量随巷道宽度呈现先增大后减小的趋势，当切顶高度为16 m 时最佳，此时的巷道下沉量118 mm。

2）随着切顶角度的增大，此时巷道顶板的下沉量呈现逐步增大的趋势，同时巷道应力集中系数逐步增大，当切顶角度为0°最佳时，应力集中系数为1.6，顶板下沉量为121 mm。

3）对切顶卸压进行现场实践，发现随着工作面回采不断推进，此时巷道顶板、底板、两帮的移近量均呈现逐渐增大的趋势，巷道变形得到有效控制。