中厚煤层切顶卸压沿空留巷支承压力监测研究

雷美荣

(山西大同大学机电工程学院，山西省大同市，037003)

深部煤岩体处于“三高一低”的环境中，并且巷道围岩受到原岩应力和采动应力的叠加作用，沿空巷道易出现大变形。目前国内学者针对切顶卸压沿空留巷做出了诸多研究，一些专家从支护方面提出了利用高预紧力、负泊松比效应的恒阻大变形锚杆锚索控制深部沿空巷道围岩大变形的方法，并对恒阻大变形锚杆锚索的拉伸力学性能、冲击拉伸性能、动态力学性能进行了分析；一些学者在理论计算和数值模拟方面对切顶高度、切顶角度等关键参数进行研究；也有从聚能爆破机理、聚能装置的创新、爆破钻孔间距的优化方面探究了聚能爆破这项关键技术。

1 工程地质条件

2 切顶卸压沿空留巷卸压机制

采用切顶卸压的方式进行沿空留巷，首先需要在巷道内施加横阻大变形锚索进行补强支护，加固巷道顶板。按照设计方案在工作面前方的巷道实施爆破预裂，使巷道在轴向方向上形成切缝面，如图1所示。同时，在巷道内要强化顶板和侧向矸石的支护。爆破预裂后，巷道内靠近采空区一侧的直接顶会在周期来压的影响下发生断裂，减小悬臂结构，从根本上防止了基本顶回转挤压直接顶造成巷道围岩出现大变形，如图2所示。

图1 切顶卸压平面技术原理图

图2 切顶卸压顶板破断示意图

3 爆破预裂对支承压力分布的影响

3.1 爆破预裂对巷道支承压力分布的影响

表1 各岩层的主要力学参数

模拟分别选取了工作面推进30 m、50 m、80 m、100 m、120 m和150 m来研究爆破预裂对巷道支承压力的影响，并收集了巷道和工作面的垂直方向应力进行统计分析。工作面不同推近步距时巷道和工作面的垂直方向应力等值线图如图3所示。

由图3可知，当工作面推进30 m时，切缝侧主运输巷的垂直应力为5 MPa，而未切缝侧辅运输巷的垂直应力为15 MPa，切缝后应力下降了67%，工作面后方主运输巷最大垂直应力为15 MPa，如图3(a)所示；当工作面推进50 m时，主运输巷的垂直应力为4 MPa，辅运输巷的垂直应力为22 MPa，切缝后应力下降了82%，工作面后方主运巷最大垂直应力为16 MPa，如图3(b)所示；当工作面推进80 m时，主运输巷的垂直应力为8 MPa，辅运输巷的垂直应力为18 MPa，切缝后应力下降了56%，工作面后方主运输巷最大垂直应力为14 MPa，如图3(c)所示；当工作面推进100 m时，主运输巷的垂直应力为6 MPa，辅运输巷的垂直应力为12 MPa，切缝后应力下降了50%，工作面后方主运输巷最大垂直应力为12 MPa，如图3(d)所示；当工作面推进120 m时，主运输巷的垂直应力为8 MPa，辅运输巷的垂直应力为18 MPa，切缝后应力下降了56%，工作面后方主运输巷最大垂直应力为12 MPa，如图3(e)所示；当工作面推进150 m时，主运输巷的垂直应力为8 MPa，辅运输巷的垂直应力为22 MPa，切缝后应力下降了63.6%，工作面后方主运输巷最大垂直应力为12 MPa，如图3(f)所示。随工作面推进切缝侧和未切缝侧巷道垂直应力变化情况见表2。

图3 工作面不同推进距离垂直应力等值线图

表2 随工作面推进切缝侧和未切缝侧巷道垂直应力变化

综合对比分析可知，运用切顶卸压沿空留巷技术后，沿空巷道顶板垂直应力出现了明显的降低，但在距离巷道约8 m的工作面内部应力开始出现增加，爆破预裂能够切断采空区顶板和巷道顶板力的联系，卸压效果明显。

3.2 爆破预裂对工作面支承压力分布的影响

由图4可知，爆破预裂后，工作面倾向压力分布发生了明显的变化。3#支架处的平均压力为20 MPa，支架压力在监测时间段内的最大值为33 MPa；73#支架处的平均压力为27 MPa，支架压力在监测时间段内的最大值为39 MPa，来压强度最高；133#支架处的平均压力为23 MPa，工作面几乎不受切缝的影响，支架压力在监测时间段内的最大值为41 MPa。由此可见，靠近切缝位置的工作面来压受影响非常明显，远离切缝侧的工作面来压几乎不受切缝的影响。

4 结论

(1)数值模拟和液压支架压力实测表明，主运输巷采用切顶卸压沿空留巷技术后，其顶板压力要明显低于未切顶的辅运输巷。采用技术能够起到明显的卸压效果，同时主运输巷的围岩稳定性也要优于辅运输巷。

(2)采用切顶卸压沿空留巷技术之后，工作面倾向方向的应力状态也会发生改变。靠近切缝侧的液压支架压力下降明显，工作面中部和远离切缝侧的支架压力变化较小，切缝只在一定的范围内对工作面压力有影响。

(3)切顶卸压沿空留巷技术能够显著降低巷道垂直方向的应力。与未切顶的巷道相比，切顶的巷道在工作面后方不会形成垂直应力的集中，巷道围岩出现大变形的概率较低。