浅埋含煤复合顶板切顶卸压自动成巷技术研究

弓 飞

（西山煤电（集团）西曲矿，山西 古交 030200）

虽然长壁开采得到了广泛的推广和发展，但长壁开采时留设的煤柱造成了极大的资源浪费，同时长壁开采时往往会出现一系列特点：地表出现台阶下沉、工作面矿压显现剧烈、基本顶形成不稳定结构等，尤其是在煤炭资源不断枯竭的今天，提高煤炭资源的回采率、降低煤炭资源的开采成本是各大矿区积极提倡的开采原则，因此大力提倡沿空留巷无煤柱开采技术，对于矿井的高产高效建设具有重要意义。

1 工程背景

哈拉沟矿12201工作面为12号煤二盘区首个总采面。12201综采面长320m，切眼至停采线长度747m，沿空留巷长 580m，煤厚 1.6～2.4m，平均煤厚1.9m，工作面平均采高2m，回采煤量61万t，煤层较稳定，北西为设计的12202工作面，其他方向无12煤设计的工作面。煤层直接顶为粉砂岩，厚3.9～0.52m，均厚1.84m；直接顶上部为12上煤层，厚2.75～0.0m，均厚1.56m；12上煤层上部为厚2.14～0.55m、均厚1.35m的泥岩，老顶由均厚为3.34m的细粒砂岩和均厚为4.05m的粉砂岩组成；直接底为粉砂岩，均厚3.67m。具体布置如图1所示。

2 切顶卸压自动成巷工艺技术研究

2.1 切顶卸压自动成巷原理

由于无煤柱开采方法存在着较多的缺陷，所以本文根据顶板垮落规律、长壁开采工作面的矿压分布规律、布置等提出了新的成巷方法，即基于含煤、浅埋复合顶板下的采场顺槽切顶卸压沿空留巷技术。该技术可以有效的将原有长壁开采一面双巷开采模式进行改变，在首采面回采巷道完整的前提之下，利用定向预裂切顶技术将前面的巷道当成之后工作面的一个回采巷道。达到单面单巷的开采模式，该模式可以将相邻工作面媒体上部区域集中的应力进行分散，降低采掘比，增加资源的开采率，同时有效消除留设煤柱产生的瓦斯积聚、冲击地压、煤层失火等一系列灾害。

2.2 切顶卸压沿空成巷方法

切顶卸压沿空留巷是一项新的留巷工艺，也是一项系统工程，由工作面的不断推进而逐步完成和实现，课题根据切顶卸压沿空留巷成巷原理，设计了相应的留巷工艺，具体步骤如下：①首采面上下顺槽施工；②下顺槽工作面侧加固锚索及顶板预裂爆破钻孔施工；③远程实时监测系统布设；④工作面回采；⑤下顺槽顶板预裂爆破定向切缝；⑥老顶来压，断裂下沉，自动成巷；⑦下顺槽预留作为下一工作面上顺槽；⑧预留巷道防漏防火处理；⑨新工作面下顺槽施工（同2）；10.3-9 循环。

2.3 切顶卸压自动成巷设备配套和端头支护优化研究

12201面切顶卸压自动成巷技术施工过程中发现端头支架对顶板锚索、网片破坏严重，需对端头支架进行改造，保护顶板支护不被破坏，进行如下优化：

1）工作面推进到切眼位置时将1#端头支架回撤；

2）重新加工焊接推拉头，将2#端头支架向机尾偏移300mm；

3）将3#端头支架向机尾偏移1100mm；

4）为了保证顺槽锚杆不受回采的破坏，在端头支架上方焊接加固块。

2.4 切顶卸压自动成巷支护设计

随着12201工作面的不断推进，对后方采空区的顶板垮落情况及工作面来压现象进行现场观测和分析，发现工作面初次来压后，12201运顺悬顶较大、垮落矸石较多，工作面周期来压后采空区上覆岩层产生的裂缝贯通地表，为此采用下述支护方案：

1）巷旁支护。

为使工作面周期来压时顶板垮落的岩块不落入巷道，对支架后的内部运用单体柱+工字钢+钢筋网的联合支护方式进行支护，支护图见图3所示。

图3 支护断面图

2）巷内支护。

端头支架后方15m的区域内，沿巷道轴向方向的单体柱在其柱间采用2.4m长的花边梁假设在支柱顶部；距离端头支架15m以外的范围内，沿巷道断面布置单体柱，并在单体柱之间假设4.2m长的花边梁，其布置方式为“一梁四柱”，间排距为1.2m×1m，同时对巷道顶部的较破碎区域进行加强支护；直到工作面推过100后可拆除单体和花边梁重复使用，如图3、图 4。

图4 支护立面图

3 切顶卸压自成巷矿压显现规律数值模拟分析

3.1 切顶卸压自动成巷矿压显现特征

为了研究切顶卸压自动成巷的矿压规律，分别建立有切缝和无切缝时的数值模型进行模拟，模拟结果如图5图、图6所示。

图6 有切缝时垂直应力分布图

图5 无切缝时垂直应力分布图

通过对比有、无切缝时的垂直应力的分布规律，得出如下结论：

1）切顶卸压自动成巷技术能够有效切断巷道及采空区顶板之间应力传播途径，从而减弱实体煤帮内部应力集中现象，不仅大大降低了应力峰值，而且使得应力集中区远离巷帮，转移到实体煤帮深部位置。

2）顶板的切缝具有一定的卸压作用，能够降低巷道围岩内部的应力集中，进而形成一定范围的卸压区，使巷道具有一定的稳定性。

3.2 切顶高度对矿压显现的影响

切顶高度是指对煤层顶板实施定向切缝后，从巷道顶板平面到切缝向上发育的最大垂直距离。分别模拟切顶高度为4.0m、6.0m、10m时围岩的应力、位移分布特征，其模拟结果如图7～图9所示。

图7 4.0m切缝垂直应力和垂直位移分布图

图8 6.0m切缝垂直应力和垂直位移分布图

图9 10m切缝垂直应力和垂直位移分布图

通过对比上述4m、6m、10m切顶高度的垂直应力和位移分布图，得出：

1）不同的切顶高度对巷道的卸压效果具有不同的影响程度，当切顶高度4.0m时，实体煤侧的应力集中区距离巷帮约为2.0m；切顶高度为6.0m时，实体煤帮内部应力集中区距巷帮约4.0m，与切顶高度4.0m相比，应力集中向实体煤帮深处转移较明显；切顶高度为10m时，实体煤帮内部应力集中区距巷帮约4.0～5.0m，与切顶高度6.0m相比，应力集中位置进一步向深处转移，但转移距离较小，即切顶高度越大，应力集中区的位置距离巷帮的距离越大，巷道越稳定；但当切顶高度达到一定的临界高度时，切顶高度继续加大后该效果将不再明显增加。

2）当切顶高度增大时，巷道顶板形成的卸压区范围随着变大，即切顶卸压对巷道顶板应力的影响范围与切顶高度成正相关。

3）切顶高度为 4.0m、6.0m、10m时，实体煤帮内部 应 力 集 中 峰 值 分 别 为 3.03MPa、2.71MpPa、2.67MPa，表明切顶高度对应力集中峰值有一定影响，切顶高度越大，应力集中峰值越小，但是其影响程度相对较小。

4）切顶高度为 4.0m、6.0m、10m时，对应的顶板的最大垂直位移分别为100mm、99mm、96mm，即随着切顶高度的增大，巷道顶板的最大垂直位移不断变小，表明切顶卸压能够有效控制巷道围岩变形，保证巷道具有一定的稳定性。

4 工程实践

1）根据矿压检测结果，记录的5个顶板离层最大量的数据中，1号测定大，

为58.4mm，均值为29.9mm，离层不明显，顶板较为稳定。

2）分析布置的侧向压力监测点的数据后，得出：1#测点侧向压力最大值为2.0MPa，稳定后为1.7 MPa；2#测点侧向压力最大值为0.9MPa，稳定后为0.7 MPa；表明巷道应力集中程度低，围岩稳定新较好。

5 结论

1）根据切顶卸压自动成巷的原理及方法，提出了具体的自动成巷支护技术、设备配套及端头支架优化设计。

2）采用FLAC3D模拟手段对切顶卸压自动成巷的矿压显现规律进行分析，得出该技术能够有效隔离巷道及采空区之间的应力传递，降低其围岩应力集中程度，使得应力集中区远离巷道边缘，向实体煤区转移；顶板的切缝具有一定的卸压作用，能够降低巷道围岩内部的应力集中，进而形成一定范围的卸压区，使巷道具有一定的稳定性。

3）切顶高度越大，巷道顶板卸压区范围越大，即切顶卸压对巷道顶板应力的影响范围与切顶高度成正相关。

4）对自动成巷过程的矿压规律进行了监测，得出巷道的离层、侧向压力均处于较小或稳定状态，验证了支护效果的可行性及成巷的适用性。