厚煤层小煤柱护巷切顶卸压技术研究

刘四平

（山西灵石华苑煤业有限公司，山西 晋中 031300）

由于上覆岩层旋转下沉产生的动载荷，以往巷道的充填体会因此受到影响而发生破坏，而采用切顶卸压技术就可以减弱由于顶部岩层旋转下沉所导致的动压影响[1]。该技术利用人工爆破进行放顶，使前方巷道的顶板预裂，在工作面推进后，顶板可以沿着爆破裂缝直接垮断，充填采空区，使顶板块体更早地与采空区矸石接触，以此来减少上覆岩层动载荷的影响[2-3]。

1 概况

山西灵石华苑煤业有限公司开采标高+1 106.00～ +747.4 m，目前开采9#、10#煤层，2#、3#煤层封闭，7#煤层尚未开采。井田内沟谷发育，地形复杂，地势总体西高东低。10202工作面为孤岛工作面，属于10#煤层，位于井田南部二采区，工作面埋深约400 m，走向长度2000 m，工作面宽度195 m，平均采高4.23 m。10#煤层煤厚2.80～5.93 m，平均4.23 m，煤层结构较简单，为全区可采的稳定煤层。在开拓范围内，煤层倾角3°～5°。

10#煤层上覆岩层依次为5.32 m的砂质泥岩、1.12 m的9#煤和6.8 m的石灰岩，底板为3.23 m的砂质泥岩、0.63 m的煤。

2 切顶卸压技术数值模拟

2.1 模型建立

利用FLAC3D软件对切顶卸压护巷可行性进行模拟分析，根据工作面的实际生产条件，建立模型大小为140 m×2 m×100 m（长×宽×高），上部施加均布荷载7.5 MPa，模型其他面进行位移约束。建立模型如图1，顶底板各层的物理力学参数见表1。

图1 模型图

表1 顶底板各层物理力学参数

2.2 切顶卸压护巷技术的数值模拟

首先探究一下不同煤柱宽度下巷道围岩变形特性，设置两种工况：20 m和40 m的煤柱宽度。图2为20 m煤柱宽度未切顶条件下围岩移近图。由图可知两帮最大变形量分别为149 mm、163 mm，顶底板最大变形量为175 mm和34 mm。图3为20 m煤柱宽度切顶条件下围岩移近图。由图可知，两帮最大变形量分别为112 mm、131 mm，顶底板最大变形量为147 mm和31 mm。由此可知，在切顶卸压条件下，相比于未切顶时两帮移进量减少22%，巷道上下板之间变形减小近13%。从模拟结果可以得知，相比于不采用任何措施，采用了该技术可以阻隔支承压力，进而减小围岩所承受的压力。

图2 20 m煤柱宽度未切顶条件下巷道围岩变形量

图3 20 m煤柱宽度切顶条件下巷道围岩变形量

图4为40 m煤柱宽度未切顶条件下巷道围岩变形量，图5为40 m煤柱宽度切顶条件下巷道围岩变形量。由图5可知，在未切顶条件下两帮最大变形量分别为113 mm、95 mm，顶底板最大变形量为110 mm和30 mm；在切顶条件下两帮最大变形量分别为60 mm、61 mm，顶底板最大变形量为62 mm和19 mm。由此可知，在切顶卸压条件下，相比于未切顶时两帮移进量减少42%，顶底板移进量减少42%。

图4 40 m煤柱宽度未切顶条件下巷道围岩变形量

图5 40 m煤柱宽度切顶条件下巷道围岩变形量

3 切顶卸压工程应用

结合矿井实际情况，在工作面皮带顺槽超前工作面100 m处布置测站，共7个测点（孔深不一致），安装应力传感器，参数见表2。测孔孔径4.2 mm，与底板相距1.5 m。具体布置图如图6。

图6 测点布置图

表2 测点布置参数表

通过现场数据的搜集与整理，得各测点的超前支承压力，将其绘制于二维坐标轴得散点图如图7。由图7散点趋势可知，随着工作面的开挖，测点所测得的超前支承压力越来越明显。

图7 超前支承压力散点图

1号测点距离工作面73.5 m时，其支承压力为7.55 MPa，约等于γH，之后支承压力开始逐渐增大，但增速较小，在距工作面9.5 m时达到最大值为15.9 MPa，之后数值迅速减小，在距工作面距离为1 m时数值为4.14 MPa。

2号测点距离工作面72.9 m时，其支承压力为7.13 MPa，之后支承压力开始缓慢增大，在距工作面10.2 m时达到最大值为16.8 MPa，之后数值迅速减小，在距工作面距离为1 m时数值为3.3 MPa。

6号测点距离工作面70.4 m时，其支承压力为7.55 MPa，约等于γH，之后支承压力开始逐渐增大，但增速较小，在距工作面9.5 m时达到最大值为15.9 MPa，之后数值迅速减小，在距工作面距离为1 m时数值为4.14 MPa。

7号测点距离工作面71.6 m时，支承压力开始逐渐增大，但增速较小，在距工作面9.7 m时达到最大值为18.1 MPa，在距工作面距离为1 m时数值为4.82 MPa。

综上，结果表明：各测点测得支撑压力的峰值集中在9.5～10.2 m之间，影响范围约为71.6～73.5 m；超前支承压力的最大值在工作面前10 m左右出现，工作面超前支承压力最大会影响工作面73 m左右的距离。

4 结论

以山西华苑煤业10202工作面为研究对象，对切顶卸压护巷可行性进行了数值模拟研究，主要结论为：

（1）20 m煤柱和40 m煤柱两种工况下，切顶卸压相比于未切顶时两帮移近量分别减少22%、42%，顶底板移近量分别减少13%、42%，可见采用切顶卸压技术可以隔断支承压力，减小围岩应力。

（2）利用应力传感器进行监测，将所得数据进行分析可知：超前支承压力的最大值出现在工作面前约10 m左右，其影响范围约为73 m，支承压力最大值出现在工作面9.5 m前的位置，某种程度上可表明采区大巷在70 m停采线煤柱下仍然在经受采动的影响。