综采面沿空留巷采空侧切顶卸压技术应用分析

2022-08-18胡智平

江西煤炭科技 2022年2期

胡智平

（霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司，山西霍州 031400）

近年来，随着老矿井浅部煤炭资源的逐步枯竭，我国多数老矿井煤炭开采逐渐向深部转移，煤炭资源的高效、合理开采成为焦点[1]。沿空留巷是降低巷道掘进成本，提高煤炭资源回收率的重要保障[2]。但是，沿空留巷由于靠近采空区边缘保留巷道，受采动和采空区垮落的双重影响，巷道围岩变形严重，因而需要进行加强控制巷道围岩的变形，减少巷道受力。为此，不少学者通过理论计算、数值模拟、工程应用等手段进行了相关研究，取得了良好的效果[3-5]。本文基于已有研究，通过数值模拟和工程应用，拟定切顶卸压最佳参数，以有效控制沿空留巷巷道的变形与破坏。

1 工程背景

紫晟煤业目前正在回采3108 工作面，工作面所属采区之地面位于沟谷地带。 3108 工作面西面为3108 运输顺槽，运输顺槽与3107 工作面采空区相邻，工作面东面为3108 回风顺槽，3108 回风顺槽的东面为3109 工作面，目前正在掘进过程中，工作面由南向北推进。3108 工作面走向长度为1 795 m，倾斜长度为280 m，工作面处于同一水平，平均埋藏深度为467.5 m，工作面附近布置的巷道均处于煤层中。工作面顶底板岩性如表1 所示。

表1 工作面顶底板岩性

工作面采用综采倾斜长壁采煤法，为充分利用煤炭资源，3108 回风顺槽采用沿空留巷，并用于3109 工作面的进风巷道，沿空留巷巷道与区段煤柱之间浇筑2 m 厚的墙体用于进风。工作面回采期间，在开采扰动单因素影响下，沿空留巷巷道在原支护方案的基础上，围岩变形量较小，满足安全回采的需求，但是长距离顶板未垮落造成的高应力对于安全生产有一定的威胁。因此，需要设计合理的切顶卸压方案减少高应力的叠加，以保证沿空留巷巷道的断面完整性，为下一工作面回采使用。

2 切顶参数

考虑到现场测试切顶卸压方案的复杂性，拟采用数值模拟方法对不同参数下切顶卸压效果进行模拟。数值模拟采用FLAC3D软件，实现岩层节理面、层理面等的接触、滑动功能，分别模拟了不同切顶高度、不同切顶角度下卸压效应，数值模拟岩石力学参数如表2 所示。

表2 数值模拟岩石力学参数

数值模拟中，均通过三个节点定义一个接触面原件，一般均附在一个单元体上，特殊情况，四面体单元体需要两个接触面原件。模型的建立主要通过接触面参数实现，达到网格的划分、连接，为了确保模拟结果的准确性，采用高强度接触面摩擦参数的接触面，避免接触面的滑动；接触面的具体参数如下：对于连接网格，法向刚度为340 GPa，剪切刚度为340 GPa，内聚力为20 MPa，抗拉强度为10 GPa，摩擦角为35°；对于分离网格而言，法向刚度为75 GPa，剪切刚度为75 GPa，内聚力为0 MPa，抗拉强度为0 GPa，摩擦角为15°。

数值模拟过程如下：建立数值模型，设置初始应力状态及边界条件，定义巷道开挖条件及支护平衡状态，然后进行工作面的推进，分别定义切顶高度为6 m、10 m、14 m、18 m 和切顶角度为50°、60°、70°、80°下巷道围岩的受力状态及变形状况，考虑到文章篇幅问题，本文只展示最佳切顶高度及切顶角度下巷道围岩特征。

图1 为数值模拟结果，从图1（a）中可以看出，应力集中区域较小，峰值应力最大值为25.04 MPa，切顶高度为6 m、10 m、18 m 时，应力集中区域均较大，峰值应力分别为31.46 MPa、32.51 MPa、30.58 MPa；从图1（b）中可以看出，70°切顶角度下，应力集中范围较小，且最大垂直应力值为30.32 MPa，其他角度下进行切顶卸压，煤柱的应力集中区域均较大，且最大垂直应力值均大于30.32 MPa，因此70°是最佳的切顶角度。

图1 数值模拟结果

确定最佳切顶参数后，再进行综合模拟，得到工作面推进期间巷道受到的最大垂直应力26.45 MPa，与工作面距离7 m。

3 工程应用

工程实际应用中，切顶卸压方案的实施地点选择在3108 工作面前方的超前支护段，切顶高度为14 m，切顶角度为70°，钻孔的斜长为21 m，间距为0.9 m。钻孔作业时，为了确保工作面瓦斯抽放正常工作，在工作面锚索之间进行开口作业；钻孔结束后，进行装药工作，确保装药段长度达到14 m，封孔长度为6 m；完成封孔作业后，进行下一个循环作业。

为验证切顶卸压工艺的可行性，对施工后沿空留巷巷道围岩受力变形特征进行实时监测。共在巷道内布置3 个测站，每个测站的距离分别为100 m，每个测站均对巷道两帮移近量、底板鼓起量、顶板离层量及围岩应力进行监测，选择有代表性的测点1 数据进行分析，具体如图2 所示。

从图2 可以看出，距工作面距离不同，巷道围岩变形及受力均有差异，当与工作面距离100 m 时，巷道两帮移近量、底板鼓起量、顶板离层量、最大垂直应力值（以下简称数据）分别为8 mm、4.1 mm、6.3 mm、12.1 MPa；当与工作面距离80 m 时，数据分别为15.2 mm、10.5 mm、13.1 mm、18.1 MPa；当与工作面距离60 m 时，数据分别为27.2 mm、时，数据分别为15.2 mm、10.5 mm、13.1 mm、18.1 MPa；当与工作面距离60 m 时，数据分别为27.2 mm、16.3 mm、19.4 mm、24.5 MPa；当与工作面距离40 m 时，数据分别为38.5 mm、21.1 mm、32.3 mm、26.7 MPa；当与工作面距离20 m 时，数据分别为59.4 mm、29.2 mm、36.3 mm、28.1 MPa。可见，随着巷道与工作面距离的减少，巷道围岩因为受力的增大，围岩变形也逐渐增大，但是整体变形量均较小，巷道最大垂直应力为28.1 MPa，与数值模拟结果相似，证明方案可行。