煤矿切顶卸压技术研究

孟宪峰

(大同煤矿集团王村煤业公司技术科，山西 大同 037003)

1 引言

煤矿因为地质条件的差异，开采过程中会因煤层埋深以及岩层覆盖情况出现各种各样的问题，而顶板压力一直是煤矿顶板处理的难题，其对于支架的支护以及巷道的整体稳定性都有一定的影响。许多学者已经有深入的研究，马振乾，李桂臣以淮南某矿的巷道修复治理为背景，在对深部软岩航道的额围岩力学特性分析的技术上，利用FLAC软件对巷道的修复进行了模拟，同时将模拟结果实施在现场工作中，发现加固支护技术对于巷道的变形控制有良好的效果[1]；郭建平详细的分析了巷道在掘进以及回采过程中变形的特征，作者认为，支架的支护强度低是巷道变形的主要原因，作者通过对巷道围岩的力学特性以及支架的参数性能分析上，对于巷道顶底板两帮以及顶板变形得到了很好地控制[2]；王维维，李凤义，兰永伟针对煤矿开采留设煤柱的资源浪费情况下巷道的失稳进行了研究，在爆破的基础上，采用切顶卸压沿空留巷技术对工作面应力值进行了试验计算，对于围岩的控制以及煤层的高效回采提供了参考依据[3]。在众多学者的研究基础上，本文通过FLAC3D数值模拟软件，在理论数据的支持上，对切顶卸压技术进行了可行性研究，研究取得了良好的结果，对于坚硬顶板处理以及巷道的维护提供了参考，可以大举实施在现场工作中。

2 切顶卸压工作面应力研究

切顶卸压技术即采用人工干预的方法，煤矿通常采用顶板欲裂爆破的方法促使坚硬顶板的完整性破坏，降低其强度从而达到工作面压力降低的目的。

目前，我国煤矿基本实现了综合机械化采煤，在工作面推进的过程中，煤壁在采煤机的作用下会率先出现破碎并掉落，在上覆岩层以及围岩的共同应力作用下，巷道会承受复杂的应力挤压作用。对于工作面，采煤机掘进后其应力也会重新分布，工作面前方会出现应力集中区，即应力会较大，出现超前支承压力，工作面一直推进，超前支承压力会一直跟随工作面的推进而推进。因为超前支承压力的存在对工作面以及顶板的处理都有一定的影响。

图1 煤壁超前支承压力分布图

在此我们详细讨论超前支承压力分布，如图1所示，从图中可以看出，煤体的应力随工作面的推进整体呈现增大的趋势，整个超前支承应力区域分为区域I，区域II，区域III，区域IV，区域I煤壁在采煤机采动的作用下，因为受力超过煤体的最大抗压强度直接达到破碎状态，称为破碎区域；区域II内的煤体距离工作面较远，但是受采动的影响，应力高于煤体本身的弹性强度，在应力作用下煤体内部出现大量的裂纹并不断扩张，出现不可恢复变形的塑性破坏，此区域称为塑性破坏区；区域III的煤体依然会受到采用的影响，但是相比区域I、区域II，煤体受力在其弹性范围内，所以煤体并未达到破坏，应力只是将煤体中原有的孔裂隙压密，少量的裂纹会伴随出现，煤体出现可恢复变形的破坏，此区域称为弹性区域；区域IV距离工作面最远，并没有受到采动的任何影响，所以煤体受力并没有发生变化。整个超前支承应力分布区域内，区域I、区域II、区域III内的煤体都会在工作面推进o应力得到重新分布，且煤体所受的应力都要高于原岩应力，距离采动区较远的区域IV内的煤体因为未受采动影响所以受到的应力为原岩应力。从图中可以看到距离区域II和区域III的交界处，煤体出现的应力高峰值，此高峰值的出现对于巷道的稳定性有重要的影响。

在实际煤矿开采过程中，因为地质条件的复杂性，煤矿巷道所受的应力会更加复杂。对于坚硬顶板的切顶卸压技术，采用人工爆破的干预措施后，巷道会受到突然的应力集中作用，这时对于巷道液压支架的冲击力会非常大，如果不能严格的控制好切顶卸压技术，出现的巷道失稳、支架损坏、煤体破坏等情况都会对煤矿造成巨大的损失，甚至造成人员的伤亡，出于此原因，对于切顶卸压技术需要深入的研究。

3 切顶卸压技术的数值模拟研究

在理论知识的基础上，我们利用FLAC3D数值模拟软件对切顶卸压技术进行了深入的研究。此次模拟以某矿为背景，根据其地址条件进行了数值模拟分析，煤层以及上覆岩层的地质情况如表3-1所示。某矿煤层直接顶分别为砂质泥岩以及砂岩，因此以此为背景研究切顶卸压技术是最好的支持。

表3-1 煤层及上覆岩层的力学参数

在已知地质条件的支持下，我们针对未切顶卸压技术处理的顶板以及进行过切顶卸压技术处理的顶板的移动量进行了数值模拟分析，模拟结果如图2、图3所示，左侧显示条为巷道顶板的移动量，右侧为模拟图形。图2可以看到，顶板未进行任何人工干预后，顶板下沉量达到105mm，在经过切顶技术处理后顶板下沉量降低为60mm，降低幅度为42.85%，从顶板控制的角度来看，效果较好。

图2 未进行切顶技术处理的顶板移近量

图3 进行切顶技术处理的顶板移近量

从本次模拟结果可以看出，切顶卸压技术成功的降低了巷道顶板的移动量，有效的降低了超前支承压力，使得破坏区域的煤层数量减小，对于塑性破坏区域以及弹性破坏区域的煤层来说，因为坚硬顶板的破碎导致上覆岩层整体性得到破坏，强度的下降使得作用在煤体上的压力也有所降低，因此塑性区域的部分煤体会由塑性破坏变为弹性破坏，弹性区域的煤体受力会减小，达到了整体卸压的目的。从模拟结果可以得到，切顶卸压技术的实施，可以有效的降低超前支承压力，对于坚硬顶板的煤层开采，能够降低巷道顶板的移动量，减少支架的支承力，使巷道达到稳定的状态，为煤矿煤层开采提供便利的同时提高了生产的效率，保证了巷道的安全性以及设备的利用率。

4 结论

通过对煤层支承压力区域分布的详细讨论后，以某矿为研究背景，利用FLAC3D数值模拟软件对切顶卸压技术进行了数值分析，得到以下结论。

(1)煤壁超前支承压力分布区域分别为破坏区、塑性区、弹性区以及原岩应力区，距离工作面越近，受力越大，破坏也越明显。

(2)在支承压力区域内，塑性破坏区域和弹性破坏区域处煤体受力达到最大，此应力对于巷道稳定性有重要的影响。

(3)以某矿顶板问题为研究对象，通过FLAC3D数值模拟软件对其进行了模拟分析，模拟显示，切顶卸压技术可以有效的减少巷道顶板的移动量，降低支承压力分布区域内的应力值，为支架的支护以及巷道的稳定性的处理提供了重要的参考依据。