沿空留巷切顶卸压技术研究

2022-07-08魏昌彪

机械管理开发 2022年4期

魏昌彪

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西太原 030024）

引言

我国能源储量丰富，但赋存不均，整体能源形式呈现出多煤、少油、贫气的格局，随着我国不断地深化改革，工作化进程的不断推进，能源需求量日益增大。虽然目前我国积极发展绿色能源，但考虑到清洁能源的开发仍处于起步阶段，对于我国庞大的能源需求可谓杯水车薪，所以在未来很长的发展过程中，煤炭资源的历史地位很难发生改变。沿空留巷作为我国矿井开采的重要技术[1-2]，是指上个回采工作面经过维护后用于服务下个工作面。其不仅可以大幅度降低掘进工作任务，同时可以提升矿井的开采效率，提升矿井经济。但在进行沿空留巷时，由于巷道顶板极难发生垮落，使得大量覆岩堆积，形成大面积的难垮难落岩层，此时若不及时对顶板进行断裂处理，一旦大面积悬顶垮落极易造成工作面冲击灾害，所以对沿空留巷切顶卸压技术研究是十分有必要的[3-4]。本文通过理论分析结合数值模拟对沿空留巷切顶卸压参数进行研究，给出最佳的切顶参数，为沿空留巷切顶卸压技术的应用提供一定的理论依据。

1 数值模拟研究

井田内有3 号、14 号、15 号等3 层可采煤层，目前主要开采对象为3 号煤层。1301 工作面布置于3号煤层中，巷道的地面标高为+914 ～+940 m，煤层的底板标高为+354～+432 m，3 号煤的容重为144 t/m3，煤层的厚度5.98～6.50 m，煤层平均厚度为6.24 m，煤层倾角为1°～12°，煤层平均倾角6°。煤层的顶板由粉砂岩、细粒砂岩等组成，顶板岩性较为坚硬。

随着工作面的推进，此时沿空留巷的围岩应力进行重新分布，同时岩层的位移也会发生变化，顶板的应力场的改变势必会对沿空留巷造成一定的影响。工作面逐步推进，此时的巷道液压支架也随之移动，造成已采工作面的顶板会形成悬臂梁结构，当悬臂梁结构自身自重结合采动影响会使得基本顶及老顶出现下沉旋转。垮落的岩层会充填采空区，垮落的岩层并未一次性完全垮落，而是有规律的自下而上逐层垮落。当顶板的岩层垮落达到一定程度时，此时的顶板区域会区域稳定，煤体侧会出现应力集中。沿空留巷围岩结构示意图如图1 所示。

图1 沿空留巷围岩结构示意图

为了更好地分析切顶卸压参数对切顶卸压效果的影响，本文利用FLAC3D 数值模拟软件进行建模分析，模型的长宽高尺寸设定为150 m×50 m×67 m，根据实际地形资料可以模型埋深580 m，根据模型的埋深及岩层的容重可以计算得出模型的顶端载荷为14.5 MPa，为了保证垂直应力与水平应力间的应力相互相应，设定侧向应力系数为1。对模型进行网格划分，并根据实际地质情况对各层岩层的物理参数进行设定，对模型的上下左右及底端进行固定约束设定，避免出现位移，完成模型的建立。

首先研究模型切顶卸压前后巷道支撑应力分布情况，对切顶前后应力云图进行分析，如下页图2 所示。

从下页图2 中可以看出，沿空留巷切顶前与切顶后巷道煤帮侧及采空区的整体支撑应力分布趋势未发生较大的改变，但在切顶后，此时的巷道煤帮侧的应力降低区域面积有了明显的扩大，而采空区上部的应力集中部位的面积则有所减小。同时切顶后巷帮充填体的上方应力有了一定幅度的降低，支撑应力出现隔断的情况，此时巷道顶板的应力传递被切断，巷道稳定性得到一定的提升。切顶后的应力最大值为35.6 MPa，较切顶卸压前的42.6 MPa，降低了7 MPa，可以切顶卸压可以降低巷道的垂直应力值，应力系数也会有所降低。

图2 巷道切顶卸压前后应力（Pa）分布云图

对不同切顶卸压高度下巷道的围岩变形情况进行研究，选定切顶研究高度分别为10 m、12 m、14 m和16 m，不同切顶卸压高度下的巷道围岩变形曲线如图3 所示。

从图3 可以看出，切顶高度10 m、12 m、14 m 和16 m 时巷道的变形量有着较大幅度的差异，当切顶高度为14 m 时，此时的巷道围岩变形量相对处于最佳状态。随着切顶高度的增加巷道的巷旁、煤体移近量均呈现逐步减小的趋势，当切顶高度为10 m 时，此时的巷旁移近量和煤帮移近量分别为251 mm 和391 mm，当切顶高度为16 m 时的煤帮移近量和巷旁移近量分别为211 mm 和370 mm。随着切顶高度的增大顶板下沉量及底板的底鼓量呈现先减小后增大的趋势，当切顶高度为14 m 时，此时的巷道顶板下沉量及底板底鼓量均达到最小值，最小值分别为298 mm 和266 mm，可以看出切顶卸压的高度并不是越大越好，随着综合比较选定切顶卸压高度为14 m时，巷道围岩变形量最佳。

图3 不同切顶卸压高度下的巷道围岩变形曲线

2 巷道支护及卸压效果分析

对巷道进行支护，选定顶板锚杆为高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆，锚杆尺寸规格为Φ22 mm×2400 mm，强度（HRB）为335。锚杆采用等间距布置，设定每排6 根，锚杆的间排距为0.9 m×0.9 m，在左、右肩角位置的锚杆设置与垂线夹角150°，距离巷帮的距离均为350 mm，剩余锚杆全部垂直顶板布设。同时采用网片及梯子梁进行联合支护，具体至方案如图4 所示。

图4 巷道支护断面图（单位：mm）

对切顶卸压支护后的围岩变形进行研究，通过在巷道布设位移监测仪研究30 d 的巷道表面变形，巷道表面变形图如5 所示。

从图5 中可以看出，经过切顶卸压后巷道的围岩变形量整体处于可控状态，随着监测天数的增加，巷道表面位移变形量呈现先增大后平稳的趋势。巷道两帮及顶板的最大移近量分别为39 mm 和32 mm，可以看出切顶卸压可以有效降低巷道的应力，改善围岩变形情况。同时巷道的变形大致分为三个阶段，分别为0～5 d 变形加速阶段，在此阶段内巷道围岩变形速度较快，巷道的大变形主要来源此阶段，5～15 d 变形速度降低阶段，在此阶段内巷道围岩变形速度较变形加速阶段有所降低，15～30 d 变形稳定阶段，在此阶段巷道围岩变形量区域稳定，无较大幅度的变化。