孤岛工作面复合顶板切顶卸压参数研究

2019-06-06史建富

山东煤炭科技 2019年5期

史建富

（西山煤电集团斜沟矿，山西兴县 033600）

煤矿掘进过程中，顶板的离层、片帮、底板的鼓起等为比较常见的矿压显现现象。孤岛工作面回采时，顶板及围岩由于受两侧采空区影响破碎现象更突出，导致围岩自身的承载力下降，支护工作难度和风险都比较大。应对这种情况，通常采用加大、加密锚杆与锚索的方式对围岩进行加固，但这种方式并不能从根本上解决动压传动现象，且后期维护费用较高。采用切顶卸压技术，可切断孤岛工作面顶板与相邻采空区顶板的动压传动，从而减小工作面两侧采空区动压对孤岛工作面的影响，维持孤岛工作面围岩及顶板的安全。

1 工程背景

西山煤电集团斜沟煤矿10203孤岛工作面沿走向布置，东部为北辅运、北回风大巷，南部为二盘区集中胶辅运大巷，西部为10202回采工作面（已回采），北部为10305胶辅运顺槽（已形成）。工作面走向长200m，倾斜长1632m，煤层平均厚度为4.8m，倾角4°50′。该煤层基本顶为厚度5.70～7.30m的粗、中、细粒砂岩、粉砂岩；直接顶为厚度0.15～4.80m的泥岩夹煤线、炭质泥岩夹煤线，泥岩裂隙发育，砂泥质胶结，易冒落；直接底为厚度3.00～7.50m的泥岩，深灰色，疏松，易碎，易风化。10303工作面矿压显现大于以往的综采工作面，容易造成主回撤支架压死等安全风险，故必须通过切顶卸压的方式减小或者消除矿压显现现象，防止主回撤支架压死事故的发生。

2 切顶卸压技术参数研究

煤矿通常用预裂爆破方法实现切顶卸压。通过爆破方法实现在回采巷道沿采空区处顶板切一条缝，回采完成后，在矿山压力的作用下回采巷道顶板会在切缝处断开，形成一个面，回采巷道与采空区的动力传动就会消失，孤岛工作面顶板不会受采空区动压影响。如何控制切缝的位置以及切顶厚度成为切顶卸压技术的关键。采用爆破方法进行切顶卸压时，应控制好预裂切顶高度、预裂切顶角度以及预裂切顶时炮眼间距。

2.1 数值模型建立

根据该矿工程地质条件以及工程实际采煤方法，建立FLAC3D三维数值模拟模型，模型尺寸为100m×50m×50m，共划分671600个单元，73124个节点。上覆岩层的自重通过施加固定荷载模拟，底部为固定边界，上部为应力边界。煤岩层的力学特性参数见表1。

表1 煤岩层力学特性表

2.2 模拟方案及结果分析

2.2.1 预裂切顶高度

方案一：对最佳切顶高度进行模拟，将切顶角度设置为固定值0°，根据工作面煤层顶板厚度，预裂切顶的高度分别设置为2m、5m以及10m。不同切顶高度下巷道应力分布变化模拟结果如图1所示。

图1 不同切顶高度下巷道应力分布

由图1可看出：预裂切顶高度为2m时，巷道周围应力集中现象还比较明显，且应力集中的影响范围较大，峰值也较大，切顶高度5m和10m时应力集中现象消除很大，且应力集中的影响范围逐渐缩小，峰值也较切顶高度为2m时下降很多。由此可见，切顶高度为2m时卸压效果不明显，高度为5m和10m时有明显的切顶卸压效果。由图1（c）还可看出，在切顶区域存在比较大的面积应力值为正，分析原因，由于切顶受采高的影响，形成切缝后，端部变为自由端，自由端过早与底板接触，自由端与底板形成反作用力，影响切顶卸压的效果。综上所述，切顶高度为5m时切顶卸压效果最佳。

2.2.2 预裂切顶角度

预裂切顶时，顶板并不会马上完全从切缝处断裂，它们之间仍然存在应力传递现象，选择合理的预裂切顶角度，可优化预裂切顶的效果。

方案二：将切顶高度设置为固定值5m，切顶角度设置为10°和20°，不同切顶角度下应力场变化如图2所示。

图2 不同切顶角度下巷道应力分布

由图2可看出，切顶角度为10°时巷道周围存在比较大区域的应力集中，当切顶角度增大到20°时，应力集中现象得到明显减弱，且应力集中区域远离顺槽，说明切顶角度为20°时孤岛工作面与相邻巷道的动力传动得到有效切断，切顶效果好。

3 工程实验效果分析

10203孤岛工作面正常推进过程中，巷道支护采用恒阻大变形锚索对巷道进行超前加固，锚索长度为10m，排距1m，对巷道顶板进行有效支护的同时，可增大孔内裂隙率，改良切顶卸压效果。该工作面切顶卸压结合之前的爆破参数和数值模拟结果，炮眼沿采空区侧巷道边450mm沿走向布置一排，炮眼间距取600mm，深度5m，切顶角度为20°。

通过在线监测系统对开采过程中锚索受到的拉应力进行监测，得到锚杆拉应力随开采进尺的变化曲线图，如图3所示。