红庆河煤矿厚煤层巷道切顶卸压关键参数研究

杨晓杰 毛文彬 张星宇 王二雨 刘晨康 孙 跃

(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京市海淀区，100083)

经过几十年的发展，传统的长壁式留设煤柱开采技术已经得到广泛应用，但是该技术造成的资源回收率低、采掘比高等问题日益突出，特别是留设煤柱造成煤(岩)爆现象和瓦斯突出等地质灾害，在围岩高应力作用下巷道发生大变形增加巷道维护成本，缩短了巷道使用寿命，严重威胁井下工人的生命安全，因此传统的留设煤柱开采方式已经不能很好地适应深部煤炭开采要求。

巷旁充填沿空留巷技术是应用较多的沿空留巷无煤柱开采方式，国内外学者对巷旁充填材料、矿压显现规律及巷旁支护体作用机制等方面进行大量研究，且成果显著，但是现有的巷旁支护技术具有充填材料支护强度不高、造价昂贵、巷旁充填体内部易产生应力集中、采空区密封性能差等缺点，使得该技术很难推广。为解决传统无煤柱开采技术难题，何满潮院士提出切顶卸压自成巷无煤柱开采新技术，该技术不仅可以提高煤炭回采率，降低开采成本，缓解采掘接替紧张，避免因留设煤柱引起的煤矿地质灾害，而且可以实现Y型通风，解决瓦斯突出问题。本文以红庆河矿3101工作面为地质背景，对厚煤层切顶卸压关键参数进行研究，以期指导厚煤层巷道切顶卸压自成巷无煤柱开采技术实施。

1 工程概况

红庆河煤矿3101工作面位于3-1采区，西北邻3-1采区边界，东北邻南翼辅运大巷，东南邻3103辅运平巷，西南邻DF10断层，工作面平均埋深600 m，采高6 m，属于大采高、大埋深工作面，工作面长度245.75 m，回采长度3212.7 m。该工作面为首采工作面，实行双巷布置，在大采高、大埋深条件下受工作面强扰动影响，并且在留设30 m巷道煤柱的条件下，3103辅运平巷依然变形严重，出现冒顶、底鼓、片帮和煤爆现象，严重影响正常使用。煤层厚度平均6 m，属于厚煤层，煤层直接顶主要由砂质泥岩和粉砂岩组成，平均厚度13.04 m，基本顶主要由细砂岩和砾岩组成，平均厚度为58.66 m，工作面地层综合柱状图如图1所示。

2 切顶卸压技术分析

2.1 技术原理

切顶卸压技术是解决传统沿空掘巷开采方式问题的重要手段之一。该技术原理是沿巷道走向实施超前工作面的预裂爆破，爆破后各炮孔之间形成一条连续的结构面切断了巷道顶板与采空区顶板之间的应力传递路径，工作面回采后采空区顶板在上覆岩层重力和矿山压力作用下发生垮落，减小了悬臂梁的长度，使得顶板作用在煤壁上的压力减少，缓解了煤柱的应力集中，减少了煤爆现象。垮落后的碎胀矸石对顶板起到很好的支撑作用，减少了基本顶对巷道顶板的压力，避免了巷道顶板随基本顶的回转变形而发生明显变形位移。

2.2 参数力学分析

煤层开挖后，直接顶首先发生垮落。随着工作面的推进，直接顶悬露面积也随之增大，直接顶悬露一定程度后发生初次垮落。直接顶厚度明显大于工作面采高时，靠近煤壁侧的直接顶可能不会断裂，将其视为悬臂梁，预裂切顶后受力模型如图2所示。

图2 顶板受力简化图

该工作面顶板厚度显著大于采空区高度，而且切顶高度没有贯穿整个直接顶，可能导致悬臂梁未充分垮落。为了实现悬臂梁的完全垮落，预裂切缝未贯穿面的拉力要大于岩石的极限抗拉强度，其计算公式如下：

(1)

式中：σ——岩石的极限抗拉强度，MPa；

M(x)——预裂切顶未贯穿面岩梁内的弯矩，MN·m；

W——顶板截面模量，m2。

(2)

式中：q——基本顶作用均布荷载，MPa；

hc——切顶高度，m；

α——切顶角度，(°)；

L——直接顶断裂长度，m；

Gm——垮落顶板自重，MPa；

Mp——垮落顶板弯矩，MN·m；

J——顶板岩块绕点O的转动惯量，kg·m2；

g——重力加速度，kg·s-2；

La——巷道宽度，m；

P(x)——巷内支护作用力，MPa。

(3)

式中：mz——垮落顶板厚度，m。

由式(1)、式(2)和式(3)可以看出，预裂切顶未贯穿面的拉力主要取决于切顶高度。因此应当设计合理的切顶高度，保证预裂切顶未贯穿面的拉力大于其抗拉强度，使得悬臂梁在上部荷载和自重作用下完全垮落，形成切顶短臂梁，减小煤柱应力集中。为此，借助数值模拟软件计算出不同切顶高度下巷道围岩应力和位移变化情况，通过分析对比确定合理的切顶高度。

3 数值模拟

3.1 模型建立

针对红庆河矿3101工作面工程地质条件，采用数值模拟软件建立模型，对比分析各种切顶高度下巷道围岩应力和位移变化情况。模型尺寸为：长×宽×高=328 m×100 m×80 m，模拟巷道开挖尺寸为6 m×100 m×4 m，工作面开挖尺寸为200 m×100 m×6 m，巷道埋深600 m，一次采全高。数值模拟中的切顶线是通过细化单元格，将切顶线位置的单元格进行分组、开挖实现模拟切顶，如图3所示。固定模型的侧面和底部，上侧表面为应力边界，施加的荷载为14.7 MPa，本构模型为Mohr-Coulomb模型，计算所用参数见表1。

图3 数值模拟示意图

3.2 模拟结果

结合现场工程地质条件，首先建立数值计算模型以研究切缝对巷道顶板的卸压效果，在不影响研究问题实质的情况下，数值模型设置切顶角度为垂直顶板，避免了模型网格畸化，造成较大扭转角从而影响切顶区域的数值计算结果，切顶高度分别为10 m、12 m和14 m，模拟结果如图4和图5所示。

表1 模型主要物理力学参数

图4 不同切顶高度应力场分布

图5 不同切顶高度位移场分布

由图4可以看出，未切顶时3103辅运巷道左侧煤柱出现应力集中区，应力峰值较大，为25.329 MPa；预裂切顶后巷道左侧煤柱应力峰值明显减小，巷道顶底板应力较小，巷道围岩应力值也相对减少，右侧煤层应力集中区远离巷道，显示出明显卸压效果。对比图4(b)、(c)和(d)，切顶高度为14 m时巷道左侧煤柱应力峰值最小，为15 MPa，应力集中区范围最小，巷道围岩应力最小。

由图5可以看出，未切顶时巷道顶底板位移量最大；预裂切顶后巷道顶底板位移量均明显减小，切顶高度为14 m时巷道顶底板位移量最小，顶板下沉量为272 mm。

综上所述，预裂切顶高度为14 m时卸压效果最佳。

3.3 工程试验

对比模拟结果和现场不同切顶角度试验效果，最终确定预裂切顶高度为14 m、切顶角度为15°。在现场进行了爆破参数试验，爆破孔间距0.5 m，采用连孔爆破方案。聚能爆破采用二级乳化炸药，炸药规格为ø32 mm×200 mm/卷。聚能管内安装炸药，采用不耦合装药形式。双向聚能管外径42 mm，内径36.5 mm，管长1500 mm，单孔装药量为4500 g，封泥长度为3 m。

3103辅运平巷使用锚网索联合支护，帮部支护采用左旋螺纹钢锚杆+铅丝菱形网+钢护板，锚杆排距为1000 mm，每帮5根，间距为900 mm，上下锚杆距顶底各为350 mm。顶板支护采用左旋螺纹钢锚杆+钢护板+钢筋网+锚索，锚杆排距1000 mm，每排6根锚杆，间距900 mm，两边顶锚杆距帮各为350 mm。

工作面推进期间对3103辅运巷道切顶卸压试验段的巷中位置布置10个测点，测点间距20 m。通过激光测距仪对各个测点的顶底板位移量进行监测，试验段开始位置和结束位置两个测点的数据曲线如图6所示。

由图6可知，顶底板在超前工作面50 m时开始产生变形；滞后工作面0～60 m内，顶底板间的变形量较快增长，围岩处于剧烈变形阶段；滞后工作面60～170 m内，由于采空区碎胀矸石的垮落，变形量增长较慢，围岩处于缓慢变形阶段；滞后工作面170 m后，采空区碎胀矸石对顶板起到较好支撑作用，变形量趋于平缓，围岩处于稳定阶段。

图6 试验段顶底板位移量监测曲线

4 结论

(1)当采空区顶板厚度远大于采高时，切顶高度决定了预裂未切缝面的拉力大小，是实现采空区顶板充分垮落的关键。数值模拟软件可以较好的计算不同切顶高度下巷道围岩应力和位移变化情况，从而确定合理切顶高度。

(2)通过定向聚能爆破理论研究和观察现场爆破试验效果，确定合理的装药量和预裂爆破孔间距，从而达到切缝效果，确保顶板完全垮落。

(3)针对红庆河煤矿3101工作面厚煤层切顶卸压工程地质条件，确定切顶高度为14 m，切顶角度为15°，预裂爆破孔间距0.5 m；现场监测数据表明：辅运巷道顶底板在超前工作面50 m处发生变形，滞后工作面170 m处变形量趋于稳定，试验效果良好，可为切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术提供应用参考。