曙光煤矿切顶卸压无煤柱自成巷开采技术研究

张海斌

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司，山西 介休 032000）

1 工程概况

曙光煤矿1226 综采工作面主采2#煤层，煤层厚度平均为2.7 m。直接顶为粉砂质泥岩，平均厚度9.5 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度5.7 m；直接底为粉砂岩，平均厚度1.2 m；基本底为含砂泥岩，平均厚度为3.8 m。1226 综采工作面推进长度为1562 m，沿倾向长度为180.5 m，沿顶底板割煤，不留顶底煤，平均采高为2.85 m。为尽可能提高2#煤层回采率，决定在1226 工作面运输顺槽实施切顶留巷，留巷段长度共计1562 m。

2 切顶卸压开采关键技术

2.1 工艺流程

切顶卸压无煤柱开采主要分为以下几个工艺流程[1-4]：（1）工作面回采前，在巷道顶板采用恒阻大变形锚索进行补强支护；（2）工作面回采时，在巷帮顶板超前工作面一定距离，打孔深入岩层进行预裂爆破；（3）工作面回采后，采用单体支柱临时支护，维持巷道稳定性；（4）待留巷段形成自稳结构后，逐一回收单体支柱。

2.2 关键技术参数

（1）切顶高度

预裂爆破切缝至顶板水平面的垂直距离即为切顶高度，合理的切顶高度可以顺利切断顶板与采空区的应力传递，并使得垮落后的矸石充满采空区，有效支撑顶板。

预裂切顶高度的确定方式如下：

式中：ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；k为碎胀系数，1.3～1.5。

根据工作面顶板岩性，取k值为1.4，在不考虑顶底板变形量的情况下，按工作面平均采高2.7 m计算得H缝=6.8 m。考虑一定富余系数，切顶高度H缝设计为7.5 m。

结合矿井煤层赋存条件，采用FLAC3D建立数值计算模型，模型尺寸为：长×宽×高=300 m×150 m×80 m，模拟工作面开挖后6 m、9 m、12 m 三种不同切顶高度下的巷道围岩垂直应力及位移分布。模拟结果如图1、图2。

图1 不同切顶高度下垂直应力分布云图

图2 不同切顶高度下垂直位移分布云图

通过图1、图2 对比分析可得出以下结论：

① 预裂缝切顶对顶板的卸压效果明显。切顶高度为6 m 时，巷道顶板的垂直应力最大为30.6 MPa，顶板最大垂直位移为519 mm；切顶高度为9 m 时，巷道顶板的垂直应力最大为24.8 MPa，顶板最大垂直位移为461 mm；切顶高度为12 m 时，巷道顶板的垂直应力最大为25.8 MPa，顶板最大垂直位移为611 mm。

② 6 m、9 m、12 m 三种切顶高度下，巷道实体煤柱帮内侧均存在应力集中现象，其应力峰值分别为31.4 MPa、26.7 MPa、27.1 MPa。表明在一定范围内，切顶高度的增加可以降低巷道煤柱帮的应力集中程度，若继续增加切顶高度，应力集中峰值又会增大。

③ 6 m、9 m、12 m 三种切顶高度下，巷道顶板的最大垂直位移呈先减小后增大的趋势，切顶高度为9 m 时的垂直位移最小。

④ 综合对比分析可知，切顶高度为9 m 时，巷道的变形程度和卸压效果都优于其他切顶高度。

（2）切顶角度

巷道顶板切缝需带有一定的角度，若角度太大，则不利于采空区侧顶板的垮落，无法形成留巷；若切顶角度太小，巷道的稳定性又较弱，变形不易控制。

巷道切顶后顶板上方岩层力学简化模型如图3，在巷旁支护阻力及水平应力的作用下，巷道上方岩块A 与采空区侧上方岩块B 形成铰接结构。

图3 岩块铰接平衡力学模型

铰接岩块形成稳定结构的条件为：

式中：T为岩块间的水平推力，kN；R为岩块B 上覆载荷，kN；F为巷旁切顶单体支柱工作阻力，kN；h为切顶高度，m；φ为岩石内摩擦角，（°）；α为切顶角度，（°）；ρ为巷道上方覆岩密度，kg/m3；d为巷道宽度，m。

将1226 运输巷各项实际参数代入上式，计算得出切顶角度θ在10°～15°时可保证岩块B 顺利切落的同时，岩块A 保持稳定。

结合煤层实际赋存条件分别建立了切顶角度为10°、15°、20°的FLAC3D数值计算模型，对比分析不同切顶角度下巷道的垂直应力与垂直位移的分布情况。模拟结果如图4、图5。

图4 不同切顶角度下垂直应力分布云图

图5 不同切顶角度下垂直位移分布云图

① 由模拟结果可知，切顶角度为10°、15°、20°时，实体煤侧的应力集中区域与巷帮的距离分别为9.5 m、10 m、9 m，距离均较远，采用切顶技术后，应力峰值向煤体深部转移。10°、15°、20°切顶角度的最大垂直应力依次为26.7 MPa、26.1 MPa、31.5 MPa，顶板最大垂直位移依次为507 mm、501 mm、563 mm。

② 综上所述，切顶角度为20°时的切顶卸压效果不理想，10°和15°切顶角度下的巷道垂直应力及垂直位移分布情况相近。考虑现场条件及施工方法，确定出1226 综采工作面运输巷的合理切顶角度为15°。

3 工程应用

3.1 切顶方案设计

（1）恒阻大变形锚索设计

由于煤层上方顶板沿推进方向厚度分布不一，根据钻孔揭露结果对运输巷顶板切缝进行区域划分，共分为2 个区域，其中靠近工作面端头294 m范围内及距停采线718 m 范围内为A 区，孔深10 m，切顶高度9.5 m；B 区为运输巷剩余部分，孔深11 m，切顶高度10.6 m。

为使恒阻锚索在留巷的过程中发挥较好的悬吊作用，设计恒阻锚索的长度分别为12.3 m（A 区）、13.3 m（B 区），施工时至少超前工作面100 m。

为保证支护强度，在运输巷共补打2 列恒阻补强锚索，在距巷道主帮侧500 mm 处施工第一列补强锚索，排距为1000 mm；在偏向主帮侧距巷道中线200 mm 处施工第二列补强锚索，排距为2000 mm。

（2）巷道临时支护

超前支护区（煤壁前方0～30 m），采用单体液压支柱配Π 型梁进行超前支护，在机巷内采用一梁一柱进行支护，支护长度需大于30 m。若超前支护以外的巷道出现较大变形，可采用打点柱或架棚的方法进行及时补强支护。

架后临时支护区（架后0～200 m），主要采用ZLQ2826/22.5/38 型门式支架+ U 型钢进行支护。可伸缩U 型钢排距500 mm，上下两节U 型钢的搭接具有较好的伸缩性，U 型钢长2.6 m（可根据巷道高度适当调整），采用两副卡缆连接，卡缆上下沿距U 型钢搭接端头各100 mm，搭接长度不少于1 m。36U 型钢棚埋入底板以下超过300 mm，插入顶板超过140 mm。

3.2 应用效果分析

实施该方案后，对巷道的切顶效果进行观测，巷道采空区侧的顶板基本随采随落，未出现明显的悬顶现象，垮落矸石基本可以充满采空区，对上覆岩层起到支撑作用。在滞后工作面200 m 后的巷道变形速率较小，基本达到稳定状态，其顶底板最大移近量为310 mm，两帮最大移近量为105 mm，满足工作面正常安全生产需求。

4 结论

根据曙光煤矿1226 综采工作面的工程地质条件，结合切顶卸压技术原理及数值模拟，确定出合理的切顶高度为10 m，切顶角度为15°。根据运输巷顶板岩层的分布情况，将工作面划分为A、B两个分区，其恒阻大变形锚索长度分别为12.3 m（A区）和13.3 m（B 区），并对巷道超前段及架后段的临时支护进行了设计。由观测结果可知，实施该技术后，留巷段顶底板最大移近量为310 mm，两帮最大移近量为105 mm，取得了良好的应用效果。