切顶卸压沿空留巷工作面支护技术研究

2022-08-08左凯

机械管理开发 2022年7期

左凯

（雁崖煤业大同有限公司，山西大同 037000）

引言

煤炭资源作为我国最为重要的能源形式之一，其每年的产量及消耗量均位居世界第一。近年来，我国提出利用清洁能源代替化石能源的口号，但由于我国经济发展及人口基数等问题，在未来很长一段时间内，煤炭在我国能源体系中占据的主体地位不可动摇。沿空留巷是指采用一定的技术将上一区段的顺槽重新支护从而用于下个工作面开采的技术，但在沿空留巷过程中，常常会出现由于巷覆岩自重等原因造成的巷道大变形现象，所以对沿空留巷稳定性研究是十分重要的[1-2]。目前针对顶板问题常见的方法为爆破切顶卸压、水力切顶卸压、静力切顶卸压，但在切顶卸压过程中，由于切顶参数设定不合理导致未达到理想切顶效果的情况屡有发生。所以针对此问题，本文利用数值模拟软件对不同切顶参数下巷道围岩变形情况进行分析，从而得出最佳切顶参数[3-4]，同时根据实际地质情况，给出相应支护方案，为沿空留巷的成功支护提供一定的参考。

1 切顶稳定性分析

在煤层开采结束后，顶板岩层会经历压实、分离等运动，此时基本顶的关键块会形成梁拱结构。在岩块运动中，此时关键块失去侧向约束，由于水平方向无约束使得岩块的自重施加于覆岩上，此时悬臂梁长度越大，煤体及岩层受到的载荷就越大，能量聚集也就越大，根据平衡方程可知：

式中：γi为基本顶及上方软弱岩层体积力，kN；hi为基本顶及上方软弱岩层第i 层厚度，m；B 为煤柱的宽度，m；L 为基本顶悬臂梁的长度，m；w 为沿空巷道的宽度，m；x0为基本顶断裂线距离沿空留巷的距离，m。

依据关键层理论，由于软弱岩层的承载能力较弱且自身强度较小，无法有效形成铰接结构，下方覆岩复杂、承载上方自重，老顶悬臂长度越大，悬臂结构的下沉量也就越大。根据变形的相关特征，沿空留巷的顶板下沉最大量可以根据式（1）求得：

式中：c 为顶板下沉最大量；m、s 为基本顶和软弱层的厚度。

根据式（1）可以看出，随着悬臂长度的增大，顶板对巷道围岩的载荷也就越大，此时由于巷道支撑能力不足使得顶板下沉也就越大，所以为了保证巷道顶板下沉及巷道围岩的变形，需要对巷道的顶板悬臂长度进行减短，以此来保证巷道的稳定性。同时当预裂悬臂长度较小时，此时需求的工程成本会有所上升，当预裂悬臂长度较大时，岩块间会形成梁拱结构，无法直接垮落，所以合理的切顶高度对巷道稳定性的保证十分重要。

2 数值模拟研究

利用数值模拟软件对不同切顶高度下巷道围岩变形情况进行分析，选用UDEC 软件进行模型建立，对模型进行网格划分，网格划分时在模型巷道位置进行细划分，在模型边界进行粗划分，确保计算精度的同时保证计算速度，完成模型网格划分后对物理参数设定，对切顶高度4 m、8 m、12 m、16 m 下巷道围岩变形进行模拟研究，汇总不同切顶高度下巷道围岩变形曲线如图1 所示。

图1 不同切顶高度下巷道围岩变形分析

由图1 可以看出，不同切顶高度下巷道左帮变形量呈现出逐步降低的趋势，当切顶高度为4 m 时，此时左帮移近量为0.234 m；当切顶高度为16 m 时，此时巷道左帮移近量为0.182 m。巷道右帮随着切顶高度的增大呈现先增大后减小再增大的趋势，当切顶高度为12 m 时，巷道右帮变形量最小为0.288 m。观察不同切顶高度下巷道顶板及底板变形曲线可以看出，随着切顶高度的增大，巷道顶板及底板位移量均呈现逐步降低的趋势，当切顶高度为4 m 时，此时巷道顶板及底板变形量分别为0.4 m、0.265 m；而当切顶高度为16 m 时，此时巷道顶板及底板变形量分别为0.255 m、0.2 m；但当切顶高度大于8 m 时，此时巷道顶板及底板变形量变化趋势有所下降。综合分析不同切顶高度下巷道围岩变形情况后，确定最佳切顶高度为12 m。

对不同切顶角度下巷道围岩变形量进行分析，选定切顶角度分别为0°、3°、6°、9°、12°进行模拟研究，本文仅展示切顶角度为9°下巷道围岩应力、变形云图如图2 所示。

图2 切顶角度9°下巷道围岩应力变形云图

从图2 可以看出，当切顶角度为9°时，此时模型的应力集中区域距沿空留巷巷帮十分远，此时对巷帮支护影响较小，模型应力集中距离巷帮的距离约为7 m，巷道的垂直应力最大值为11 MPa，模型内部存在明显的卸压区，卸压区的最大应力值为8 MPa。同时根据垂直位移云图可以看出，巷道垂直位移量为300 mm，在此切顶卸压角度下巷道围岩变形量控制量最佳，所以最佳切顶角度为9°。

3 切顶卸压实践

在确定最佳切顶角度9°、最佳切顶高度12 m后，进行切顶卸压实践，巷道支护方案如下：锚索采用“二二”布置方式，锚索尺寸Φ15.2 mm×7 200 mm，锚索托盘采用弧形托盘，尺寸为300 mm×300 mm×16 mm。锚索采用一支MSCK2360 和两支MSK2360 进行锚固，设定锚索预紧力为120 kN。锚杆采用Φ18 mm×2 000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm、800 mm，每排4 根。每支锚杆采用一支MSCK2360 树脂锚固剂进行锚固。锚固力不得小于80 kN，锚索的扭矩设定为150 N·m。锚杆采用方形拱托盘，方形托板尺寸120 mm×120 mm×10 mm，同时巷道采用菱形金属网护帮，网片网孔尺寸为50 mm×50 mm，相邻网孔用双股14 号铁丝绑扎，巷道支护断面如图3 所示。

图3 巷道支护断面图（单位：mm）

对切顶卸压后的巷道围岩变形进行分析，巷道围岩变形监测曲线如图4 所示。

图4 巷道围岩变形监测曲线

从图4 可以看出，随着监测天数的增加，巷道围岩变形量呈现先增大后平稳的趋势，在监测天数为0～5 d 时，此时围岩变形量呈现快速增长趋势，巷道围岩变形量大多来源于此阶段；当监测天数为5～15 d时，此时巷道围岩变形量缓慢增加，增长趋势较为平缓；当监测天数为15 d 后，在此阶段巷道围岩变形量几乎达到平稳，只存在微小的增长，对于整体变形来说几乎可以忽略不计。综合分析可以看出，巷道顶板下沉量为31 mm，巷道底鼓量为28 mm，巷道两帮的移近量为36 mm。由此可以看出，经过切顶卸压后巷道围岩变形量明显较小，巷道围岩变形整体处于可控状态，切顶卸压沿空留巷方案成功。