煤矿切顶卸压自成巷开采技术的应用研究

王 磊

（大同煤矿集团公司云岗矿技术科，山西 大同 037000）

我国煤炭资源分布广泛且所在区域地质条件复杂，为保证煤矿的采出率和生产效率，需根据工作面地质、水文以及煤层等情况选择最佳采煤工艺。目前，我国浅部煤层的储量逐年减少，大部分煤矿已经进入深度开采阶段。传统深部煤层开采采用留设区段煤柱开采直接导致大量煤炭资源，而且容易造成工作面应力集中导致顶板坍塌、两帮移近等问题。因此，为尽可能的提升工作面煤炭的采出率，保证煤矿生产的安全性，将切顶卸压自成巷开采技术应用于大同煤矿集团公司云岗矿生产中。本文对切顶卸压自成巷开采技术的应用效果进行研究。

1 工程概况

某煤矿可开采煤层包括有3号、9号和15号煤层，设计初期的生产能力为30万t/a，本文以3号煤层为例展开研究。3号煤层所属工作面煤层平均厚度为4.36 m，普式硬度为1.2，且工作面煤层倾角较小。经探测，3号煤层所属矿井为低瓦斯矿井。为保证3号煤层工作面巷道围岩控制效果，对其顶底板情况进行研究，具体如表1所示。

表1 3号煤层工作面顶底板情况

经探测可知：3号煤层所属工作面的最大涌水量为320 m3/h。3号煤层工作面所断面形状为梯形，断面上宽度值为2.4 m，下宽度值为3.6 m。

2 切顶参数的最优化求解

针对某矿3号煤层采用切顶卸压自成巷开采技术，为保证采取该采煤工艺不论从工作面采出率和围岩的控制效果能够达到预期效果，需对切顶卸压自成巷开采工艺的相关参数进行综合确定。本文首先采用数值模拟试验方法对切顶参数进行最优化求解。根据“1”中所述工作面煤层、岩层等特征建立平面模型，并对模型中的参数进行设置。

2.1 切顶卸压自成巷开采技术的适用性研究

首先，基于所建立的数值模拟模型对采用切顶卸压自成巷开采技术和采用不切顶开采工艺下工作面巷道内应力分布及顶板下沉量、巷道底鼓量以及两帮尽量等情况进行仿真分析。经仿真分析得出如下结论：

基于不切顶开采工艺对应巷道内最大应力值为37 MPa，而基于切顶开采工艺下对应巷道内最大应力值为33 MPa。因此，采用切顶卸压自成巷开采工艺可有效降低工作面的应力集中现象。

对两种不同开采工艺下工作面巷道顶板、底板和两帮围岩的控制效果进行仿真，鉴于篇幅原因此处仅列出底板和两帮的控制效果，得出如图1所示的结果。

图1 巷道围岩控制效果图

如图1所示，采用切顶卸压自成巷开采技术对应巷道底板和两帮的移近量分别为17 cm和26 cm；而采用不切顶开采技术对应巷道底板和两帮的移近量分别为24 cm和36 cm。

综上所述，采用切顶卸压自成巷开采技术可有效控制工作面的围岩，并降低工作面的应力集中现象。

2.2 切顶工艺参数的优化确定

2.2.1 采煤高度参数的确定

结合设计经验，对采煤高度分别为1.5 m和3.0 m对应的位移和应力云图进行对比研究。经仿真分析可知：随着采煤高度的增加对应工作面顶板垮落位移从1.2 m增加至2.5 m，即说明随着采煤高度的增加对应巷道顶板所承受的压力增大。

通过分析可知，随着采煤高度的增加工作面巷道的应力集中现象越发严重。因此，在保证工作面开采效率的基础上应尽可能降低采煤高度。针对3号煤层，最终确定切顶卸压自成巷开采技术中采煤高度为1.5 m。

2.2.2 切顶高度参数的确定

本节对切顶高度分别为3.6 m、8.0 m、9.6 m以及14.4 m对工作面沿空留巷的影响进行研究，其中采煤高度为1.5 m，切顶角度为0°，着重对工作面开采后的应力情况和围岩变化量进行对比研究。

就工作面巷道围岩应力分布情况而言，切顶高度分别为3.6 m、8.0 m、9.6 m、14.4 m对应巷道围岩的应力集中位置分别位于距离左帮煤柱11.0 m、12.5 m、13.0 m、13.4 m，且对应应力值大小分别为36 MPa、33 MPa、33 MPa、32 MPa。

不同切顶高度下对应工作面巷道顶板、底鼓以及煤柱侧位移量的仿真结果如图2所示。

图2 不同切顶高度下对应巷道围岩的位移量对比

如图2所示，随着切顶高度的增加巷道顶板、底鼓以及煤柱的位移量均在减小，而且当切顶高度为9.6 m和14.4 m时对应位移量变化幅度减小。考虑到实际施工的情况以及成本，最终确定切顶高度值控制在8~10 m的范围之内。

2.2.3 切顶角度参数的确定本节对切顶角度分别为0°、10°、20°、30°对工作面沿空留巷的影响进行研究，其中采煤高度为1.5 m，切顶高度为9.6 m，着重对工作面开采后的应力情况和围岩变化量进行对比研究。

就工作面巷道围岩应力分布情况而言，切顶角度分别为0°、10°、20°、30°对应巷道围岩的应力集中位置分别位于距离左帮煤柱8.0 m、12.5 m、13.0 m、12.3 m，且对应应力值大小分别为34.7 MPa、33.0 MPa、31.2 MPa、32.0 MPa。

不同切顶角度下对应工作面巷道顶板、底鼓以及煤柱侧位移量的仿真结果如图3所示。

如图3所示，随着切顶角度的增加巷道顶板、底板以及煤柱位移增加，而且当切顶角度大于20°后位移量增大速度增大。结合围岩应力仿真结果，应将切顶角度控制在0°~20°之间。

针对某矿工作面其对应切顶卸压自成巷开采技术的最佳开采参数如下：采煤高度应在保证工作面生产效率的基础上，尽可能的选取较小采煤高度值；对应切顶高度应控制在8~10 m之间；对应切顶角度应控制在0°~20°之间。

图3 不同切顶角度下对应巷道围岩的位移量对比

3 结语

切顶卸压自成巷开采技术适用于深部煤炭资源的开采，其与传统采煤工艺相比较具有较高的安全性和开采率。本文将切顶卸压自成巷开采技术应用于某矿3号煤层的开采中，并对切顶开采技术中涉及到的开采工艺参数进行最优化求解：

1）基于切顶开采工艺可有效解决工作面围岩的应力集中现象，并可有效控制工作面的围岩；

2）针对某煤矿3号煤层最佳切顶开采参数如下：切顶角度为0°~20°、切顶高度控制在8~10 m、采煤高度控制在1.8 m。