凌志达煤矿15218 工作面切顶卸压与围岩控制技术研究

栗鹏飞

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046606）

我国井工煤矿开采过程中，为了避免相邻工作面回采过程中造成相互扰动，在工作面间往往留设较大的护巷煤柱，这样造成了严重的煤柱资源损失[1-3]。同时，针对坚硬顶板而言，受采动应力影响，会使煤柱处于高应力扰动区，导致巷道变形严重，对工作面巷围岩控制造成了极大难度，也给工作面安全高效回采带来了风险隐患[4-6]。部分研究表明，对厚硬顶板条件，在合理留设小煤柱前提下，实施切顶卸压方法，能够控制围岩变形，进而保证工作面的回采安全[7-8]。在这方面研究中，金凯强提出了坚硬顶板“深孔+浅孔”组合方式的定向爆破切顶卸压方法与沿空巷道综合一体化支护技术，顶板下沉量降低53%，底鼓量降低41%，两帮移近量降低57%，实现了沿空巷道变形的有效控制[9]；陈宁提出将切顶卸压留巷技术应用到8103 运输巷留巷中，通过布置恒阻锚索并结合W 钢带对顶板进行补强支护，达到降低顶板下沉量目的，顶板及巷帮变形控制在100 mm、38 mm 以内，取得较好留巷效果[10]；张权为了解决工作面初采期间坚硬顶板垮落困难的难题，提出8208工作面初采深孔预裂爆破方案，通过优化爆破参数，有效缩短8208 工作面初次来压步距和来压强度，确保8208 工作面初采安全[11]。王辉等指出切顶可以有效减小留巷顶板悬臂长度，实现卸压保护巷道的目的，切顶高度和切顶角度都存在一个合理的取值范围，并非越大越好[12]。本文以凌志达煤矿15218 工作面为工程背景，在对合理煤柱尺寸进行理论研究基础上，确定了合理的切顶卸压参数及其方法，以保证沿空巷道的稳定，实现工作面安全高效开采。

1 工程概况

15218 工作面主采15#煤层，煤层平均厚4.22 m，倾角4°～10°。煤层顶板为6.78 m 厚的K2 灰岩，f=14～16，属于典型的厚硬顶板条件；底板主要为泥岩和细粒砂岩。工作面采用综采技术。15218 工作面北侧为15220 工作面，南侧为15216 工作面采空区，巷道断面尺寸为宽×高=5.4 m×4.0 m。工作面布置情况见图1。以往的工作面中间留设20 m煤柱，资源浪费严重。为此，研究坚硬顶板条件下15218工作面小煤柱切顶卸压方法与围岩控制技术，对实现工作面安全高效回采至关重要。

图1 工作面位置关系图

2 工作面煤柱留设宽度确定

合理煤柱宽度的确定需要综合其煤柱本身的承载能力，过大的煤柱尺寸导致大量煤炭损失，过小的煤柱尺寸不能满足有效支撑要求，需要合理确定煤柱留设尺寸。小煤柱宽度B理论计算式如下[13]：

式中：X1为采空区侧煤体塑性区宽度，m；X2为煤柱帮锚索有效长度，5.0 m；X3为煤柱有效承载厚度，m。

其中X1确定方法如下：

式中：M为采高，4.22 m；A为侧压系数，0.35；C为内聚力，4.5 MPa；φ为内摩擦角，30°；K为应力集中系数，2.5；H为煤层埋深，550 m；Pz为支架阻力，0.55 MPa；γ为容重，21 kN/m3。

将数据带入公式（2）得，X1=1.84 m，煤柱有效承载厚度X3=（0.15～0.3）（X1+X2），将数据带入公式（1）得，B=7.9～8.9 m。

根据理论分析，小煤柱的合理宽度应在7.9～8.9 m 范围内。因此，根据理论计算结果，初步确定15218 回采工作面小煤柱留设宽度为9 m。

3 切顶参数确定数值模拟分析

3.1 数值模型构建

切顶高度与切顶角度是影响切顶卸压效果的主要参数，为得到合理切顶参数，采用FLAC3D数值软件对厚硬顶板切顶参数的合理值进行分析。数值模型尺寸为长×宽×高=250 m×250 m×150 m，模型底部及四周进行位移约束，上部施加载荷等效上覆岩层自重，岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

3.2 数值结果分析

1）切顶高度模拟结果

在留设9 m 厚小煤柱条件下，对切顶高度分别为8 m、9 m 与10 m 时进行分析。不同切顶高度下的巷道应力及位移变化情况如图2。随着切顶高度的增加，巷道煤柱帮应力及顶板位移呈现降低趋势。当切顶高度为8 m 时，巷道煤柱内存在明显的应力集中区，应力峰值为41.2 MPa，巷道顶板垂直位移为288 mm，顶板下沉量较大，说明这一切顶高度不利于巷道的稳定；当切顶高度为9 m 时，煤柱内应力峰值为39.8 MPa，垂直应力降低明显，此时巷道顶板垂直位移为232 mm，顶板下沉得到有效控制，在一定程度上保证了巷道的稳定。值得注意的是，当切顶高度由8 m 增加至9 m 时，巷道应力及位移整体下降趋势显著；当切顶高度由9 m 增加至10 m时，巷道应力及位移下降趋势较缓慢，整体变化较小。说明当切顶高度为9 m 时，变形已趋于稳定，此时顶板垂直位移为232 mm。综合钻孔施工成本考虑，确定合理切顶高度为9 m。

图2 不同切顶高度模拟结果

2）切顶角度模拟结果

在9 m 切顶高度下，选取切顶角度分别为10°、15°与20°进行分析。不同切顶角度下的巷道应力及位移变化情况如图3。随着切顶角度的增加，巷道煤柱帮应力及顶板位移呈现先降低后增加趋势，表明较大的切顶角度并不能产生较好的切顶效果。当切顶角度为10°时，巷道煤柱内垂直应力峰值为41.3 MPa，巷道顶板最大垂直位移为277 mm，巷道煤柱内垂直应力及顶板下沉量较大，说明这一切顶高度不利于巷道的稳定；当切顶角度为15°时，巷道煤柱内垂直应力峰值为38.6 MPa，巷道顶板最大垂直位移为235 mm，巷道煤柱内垂直应力及顶板下沉量下降明显，巷道变形得到了一定控制；当切顶角度为20°时，巷道煤柱内垂直应力峰值为39.5 MPa，巷道顶板最大垂直位移为268 mm，巷道煤柱内垂直应力及顶板下沉量再一次显著增加，不利于巷道的稳定。对比分析可见，切顶角度15°时巷道所受应力及位移整体较小，由此确定合理切顶角度为15°。

图3 不同切顶角度模拟结果

4 切顶卸压巷道围岩控制方法

4.1 爆破切顶技术方案

当工作面顶板属于坚硬顶板条件时，如果不能确保顶板顺利垮落，顶板所承受的应力将持续施加在巷道煤柱侧及回采帮侧，巷道顶板及两帮围岩在高应力作用下将发生严重变形。通过对工作面坚硬顶板适时实施切顶卸压，通过定向预裂爆破方式将工作面顶板与巷道顶板分隔，切断顶板应力传递路线，在合理范围内确保巷道顶板的稳定性，这是切顶卸压的内涵所在。如果顶板无法顺利垮落，高应力会沿着顶板作用于巷道帮侧，导致的最终结果就是使相邻工作面巷道变形严重。以切顶卸压为核心的原理在于将工作面顶板与巷道顶板有效分离，切断或减弱巷道上覆顶板压力传递。

通过合理优化切顶卸压参数，采用双向聚能爆破预裂方法，是达到最佳切顶卸压效果的重要保证。该爆破预裂方法首先采取特定的装药方式，将药卷填充在聚能装置中，作用在于进行爆破作业后，预裂孔周围围岩可以承受均匀压力，利用岩石本身受压不受拉的特点使裂缝按照要求形成，聚能装置也可以对围岩形成一定的保护作用，降低爆破扰动对围岩的损伤程度。该爆破方法施工方便，有效减少炸药单耗，使岩石在爆破作用下产生集中应力，保证预裂炮孔能够沿着聚能方向顺利击穿，产生较好的预裂面，实现对巷道顶板的有效保护。

4.2 切顶卸压方法

15#煤层基本顶为灰岩，岩性坚硬，结合矿山实际，采用乳化炸药规格为Φ35 mm×200 mm/卷。单个切缝卸压爆破孔装药量按下式确定：

式中：W为单孔装药量，kg；L为切缝孔深，取9 m；μ为装药系数，取0.8；ρ为装药密度，取0.3 kg/（孔·m）。

将数据带入公式（3），计算得单孔装药量为2.16 kg/孔。为便于装药、保证爆破效果，采用聚能管直径为42 mm，长度为1.5 m，爆破孔口采用炮泥封孔。采用逐孔装药爆破方式，在预裂钻孔内布置4 根聚能管，布置顺序即由里到外分别是1.5 m、1.5 m、1.5 m、1.5 m，装药方式为“4+3+3+2”，装药方式见图4。

图4 聚能爆破装药结构图

为防止吹孔，炮孔的封泥长度不小于3 m（若切顶预裂爆破出现瞎炮，封泥可试用红胶泥:黄土:水=6:3:1；若切顶后留下部分炮窝，建议挂网喷浆修复）。由于切顶孔的深度会遇地质变化，故切顶时必须根据地质变化确保切断基本顶。

4.3 巷道支护方法

1）顶板支护

巷道顶板采用“锚杆+金属网+锚索”联合支护。顶锚杆参数为Ф20 mm×2400 mm，每排布置5根，间排距为1200 mm×1400 mm，靠近巷帮的顶板锚杆与顶板成15°角，距帮部300 mm；巷道顶部铺设Ф2.6 mm 勾花菱形铁丝网，网片规格1100 mm×10 000 mm，网片搭接长度为100 mm，用16#铁丝每200 mm 绑扎一道。顶锚索参数为Ф17.8 mm×5300 mm，每排1 根锚索，排距1600 mm，锚索预紧力不低于180 kN。锚索须采取防断射措施，防止锚索崩断伤人及损坏设备。

2）两帮支护

两帮采用“锚杆+金属网+钢筋梯子梁+锚索”联合支护。回采帮锚杆参数为Ф20 mm×2000 mm，每排4 根锚杆，间排距为1000 mm×1200 mm，锚杆与巷帮垂直布置。在打设锚杆区域布置两道纵筋，纵筋间距150 mm，钢带压网；煤柱帮每排补打两根Ф17.8 mm×4500 mm 锚索，间排距为1600 mm×2000 mm；巷道帮部采用铁丝网铺设，铺设Ф2.6 mm 勾花菱形铁丝网，用16#铁丝每200 mm 绑扎一道。巷道加强支护断面如图5。

图5 巷道加强支护断面图

5 工程实践效果

针对15218 工作面厚硬顶板实施留设小煤柱切顶卸压及围岩控制技术后，可多回收11 m 宽区段护巷煤柱，延长了矿井服务年限。方案实施前后巷道围岩变形情况监测结果如图6。方案实施前，巷道变形稳定后顶板最大下沉量446 mm，两帮移近量523 mm；方案实施后，巷道变形稳定后顶板最大下沉量为221 mm，两帮移近量为228 mm。与实施前相比，顶板下沉量降低了50.4%，两帮移近量降低了56.4%，沿空巷道顶板变形得到了有效控制。

图6 巷道变形监测结果

6 结论

1）通过理论分析，确定15218 工作面合理煤柱留设宽度应在7.9～8.9 m 范围内，考虑巷道有效维护与煤柱资源高效回收因素，确定合理煤柱尺寸为9 m。

2）通过数值模拟分析，当切顶高度由9 m 增加至10 m 时，巷道应力及位移下降趋势较缓慢，表明巷道变形趋于稳定；当切顶角度为15°时，巷道所受应力及位移整体较小，由此确定合理切顶高度与角度分别为9 m 与15°。

3）研究提出了以“4+3+3+2”装药方式为主的聚能爆破切顶卸压方法，结合“锚杆+金属网+钢筋梯子梁+锚索”支护方法，可保证坚硬顶板巷道的稳定。

4）针对坚硬顶板条件提出的小煤柱切顶卸压与围岩控制技术，通过矿山现场实际应用，顶板下沉量减小了50.4%，巷道两帮变形量减小了56.4%，巷道变形得到了有效控制。