煤矿综采工作面切顶卸压围岩控制技术探究

＊张 敏

（山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿 山西 046100）

前言

近年来，随着煤矿生产规模的不断扩大，无煤柱沿空留巷技术的发展，逐步提高了采场的利用率。采用无煤柱空留巷技术解决了煤矿顶板短缺问题，有效地减少了煤炭资源的浪费，降低了掘进工作量和支护费用。所以，随着无煤柱沿空留巷技术的逐渐发展，越来越多的煤矿采用了该技术进行矿井巷道布置。

很多学者都在对采油过程中的技术关键技术指标进行了深入的探讨。贺森鑫[1]、盛奉天[2]等人分别采用数值计算的方式，分析了开顶卸压的卸载高度和卸载角度；赵大维[4]采用数值计算的方式，对回采区在不同水平上的支撑压进行了研究；胡建平[5]就留巷侧矸石窜人巷的采顶排液问题进行了分析，并对留巷段挡磨施工工艺进行了较详尽的阐述；杨威、周谢康等[6]进行了中厚煤层坚硬顶板切顶卸压自成巷效果的分析与实际应用研究。而对于留巷段巷道围岩补强技术的沿空巷道的研究尚属空白。因此，主要围绕着留巷段巷道切顶卸压补强和加固措施进行了探讨，并给出了一种较为科学的加固方案，并在实际工程中得到了较好的应用。

1.工程背景

潞安集团某煤矿23105煤矿在二采区西侧，主要开采3号煤层，是该矿区的主要开采区域之一。3煤层是一个较低的浅煤，其煤体的平均深度在378m左右，平均厚度为3.7m。采区集中巷位于工作面南侧，采区边缘煤层位于北侧，23103工作面位于西侧。23107东段的回风顺沟采取了沿空留巷的布局，以保证顺槽的安全，同时也为东部的回采提供了空间。23105回风顺沟的设计截面为长方形，其开挖深度为5200mm，开挖深度3800mm，设计巷边支撑墙宽0.8m，留巷宽4400mm。23105回风顺槽段采取了锚索+锚杆+金属网组合支护的方法，对沿沟的大范围内的岩体和局部疏松的破裂段进行了支护。煤的整体条形图，见图1。

图1 煤层综合柱状图

2.切顶卸压沿空留巷围岩控制原理

沿空留巷切顶卸压等围岩的控制原理：在23105综采工作面采空区附近，沿空留巷纵向预裂顶板，在掘进过程中，可沿掘进方向沿顶板的预开裂部位切入。这样，可以为沿着空留巷的岩体A和岩石B脱离连接，从而可以得到较好的围岩控制环境。切顶卸压的功能主要从以下两个角度进行分析。

通过对沿空巷的横向顶板进行人工干预，确定破断的位置，使基础顶板横向移动能够得到及时的稳定，从而减小了顶板水平支撑的影响范围和影响时间。

使上、下两个工作面没有直接联系，并减小了空巷侧壁“圆弧三角形”的回旋和不稳定，降低了横向支撑压力作用的区域。

图2 沿空巷道侧向顶板运动特征

综合来看，采用切顶卸压的空留巷技术，可以有效地隔离上部和下部基础顶部的连通，减小了采场壁水平支撑的作用时间和影响区域，从而使空巷在水平支撑下的应力减小区域中设置，沿空巷道围岩的受力状况得到了较好的治理。

3.数值模拟

(1)模型建立

本文以23105回风顺槽沿空留巷施工为例，通过FLAC3D数值仿真对沿空留巷的影响进行了研究。模型的长×宽×高为200m×300m×55m，模型的前、后、左、右侧分别固定水平偏移、下部固定垂直偏移、上部施加（378m至27.8m）×0.025MN/m=8.755MPa的作用力，以对尚未确定的真实地层进行建模，为了减小模型的边界效应，在右侧各留置50m煤柱，并给出了相应的数值模拟结果。表1对岩石的物理参数进行了数值模拟。

图3 数值模型示意图

表1 数值模拟岩层物理参数

(2)模拟结果分析

图4是在不同采场的滞后距离情况下，煤层的沉降数值计算结果。

图4 几种不同滞后距离下巷道顶板下沉量情况图

从图4可以看出，沿空巷道的滞后性工作面越远，顶板的沉降量越大，沉降量在增长到一定程度后区域稳定。滞后距离在5～10m的区间内，巷道顶板沉降量增加显著，滞后距离在10～20m的区间内，巷道顶板沉降量的增速显著下降，并最终趋于稳定状态。从实际的调查结果发现，在滞后工作面约10～20m的位置，下沉的速度会趋于稳定。另外，采场顶部与横向基础顶部的连接被切断，因此，在接近实际煤帮的一侧，顶板的沉降量比靠近巷边充填体一侧的下沉量要小。

图5是在不同工作面的滞后距离情况下，煤层底板隆起的数值解。

图5 几种不同滞后距离下巷道底板鼓起量情况图

从图5可以看出，沿空巷道的落后作业面越远，底板隆起率先逐渐增大，后接近于平稳。随着滞后距离从5m增至10m，煤层的隆起率最先增大，随着滞后距离的进一步扩大，在10～20m的区域，底板的鼓起不在继续增加。另外，采场顶部与横向基础顶部的连接被切断，使得顶部的压力由实心煤帮转移到底部，在接近实际煤帮的一端，底板的隆起率比靠近巷边的充填体侧高得多。

因此，为了保证空巷的有效支撑，必须对落后采场0～10m范围内的岩体进行加固。针对这一问题，建议采用空巷加固措施，在空留巷内设置3根支撑，以达到加固效果。加固支撑方案的结构示意图，见图6。

图6 强化支护方案图

4.应用效果

为了探索23105工作面沿空留巷的切顶卸压技术在回风顺槽中的运用，对23105工作面后30m处的顶底位移进行了观测、统计和分析。在23105工作面后30m处，有3个测点，分别位于工作面5m、15m、25m处。图7为23105回风顺槽顶板位移的现场观察结果。通过对井筒顶、底板位移的监测表明：井筒顶板位移控制在范围内，煤层顶板位移量显著降低，取得了较好的支护效果。

图7 23105回风顺槽顶板及底板实际移近量观察图

5.结论

以23105采区沿空留巷的切顶卸压施工为研究对象，通过理论探讨、数值模拟和现场测量，探讨了沿空留巷采空巷道的围岩控制技术，并在此基础上，对沿空巷留巷段的加固措施进行了探讨。得出了以下的研究成果：

切顶卸压留巷围岩管理，对采场横向顶板的连接进行人工介入，在预定的位置进行破断，使沿空巷的压力降低，从而达到对巷道的有效管控。

通过数值仿真发现，沿空巷道的滞后性开采距离越大，煤层的下沉率和底板的隆起率呈现不同的变化规律，表现为先增加后区域稳定。由于煤层在开采区后10～20m时，其围岩的变形已趋于平稳，所以，在开采区后0～10m的区域，必须对沿空巷留巷进行加固和支护[11-13]。

在采顶卸载过程中，采场上部和横向顶部的连接被断开，而上部的压力则通过实际的煤帮转移到了基部。邻近采场区的工作面上，煤帮巷道顶板的沉降比靠近巷边的采空区要少，而靠近巷边采空区的底板则鼓起量高于靠近巷边的采空区的鼓起量。