麦捷150505 综放工作面回采巷道切顶卸压分析

2022-11-05贺龙

煤炭与化工 2022年9期

贺龙

（山西寿阳潞阳麦捷煤业，山西晋中 045400）

1 概况

麦捷煤业位于寿阳县城北解愁乡荣家沟村东，井田主要含煤地层为山西组、太原组，煤层自上而下编号为1、2、3、4、5、6、8、9、12、13、15号共11 层煤，含可采煤层5 层，分别为6、8、9、12、15 号煤层。目前正在开采的15 号煤层，位于太原组下部，直接顶为K2 灰岩，上距12 号煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤层厚度3.32～8.80 m，平均6.10 m，多含1 层夹石，局部含2 层夹石，偶含4～5 层夹石；煤层纯煤厚度3.32～7.10 m，平均5.63 m，属稳定的全区可采煤层。

但长期以来，麦捷煤业工作面之间都留设30 m 煤柱，加之矿井地质构造等特殊条件的影响，存在煤炭采出率低、工作面回采巷道变形严重、维护工程量大等问题。按照推广应用小（无）煤柱开采技术的要求，现计划在麦捷煤业150507 工作面实施小煤柱沿空掘巷开采技术，确保该技术能顺利实施的关键因素之一就是切顶卸压技术。

为保证150505 工作面在初采期间采空区基本顶能够及时垮落，确保初采期间安全开采，在150505 皮带顺槽和切眼顺槽进行切顶卸压。

2 切顶卸压护巷技术原理

切顶卸压护巷主要思想是在工作面回采前，采用相应技术手段在巷道上方靠近采空区一侧切缝，阻断采空区的支承压力向巷道传递，如图1 所示。

图1 切顶卸压护巷技术原理Fig.1 Technical principle of roof cutting pressure relief roadway

3 切顶卸压数值模拟分析

3.1 数值模型

根据150505 工作面地质条件，通过FLAC3D模拟软件建立数值模型，如图2 所示，模型尺寸为500 m×190 m，在模型底部固定竖向位移，两边固定横向位移。在顶部施加6.4 MPa 的垂直应力，模拟上覆岩层自重。根据麦捷煤业的具体地层情况对岩层赋予物理力学参数。分别模拟不同切顶高度条件下采空区侧向支承压力分布情况，为合理的切顶高度选取提供参考依据。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

3.2 模拟结果分析

3.2.1 不切顶

不切顶条件下垂直应力分布如图3 所示。在150505 工作面采空区稳定后，侧向支承压力呈现出“先增大后减小”的趋势；在距采空区煤壁14 m、30 m 位置分别出现第一次应力峰值（21.83 MPa）、第二次应力峰值（23.61 MPa）。结合该矿地质条件，15 号煤层原岩应力约12 MPa，可以计算出第一次、第二次峰值处的应力系数为1.82、1.97。

图3 不切顶条件下巷道垂直应力分布云图Fig.3 Vertical stress distribution of roadway without roof cutting

3.2.2 切顶高度5.3 m

根据麦捷煤业麦-6 号钻孔柱状图显示，15 号煤层上方依次为1.49 m 厚的K2石灰岩、1.9 m 厚的泥岩、1.85 m 厚的K2上石灰岩、2.4 m 厚的砂质泥岩和9.35 m 厚的粉砂岩。先按照切断K2上石灰岩层位进行模拟研究，即按照切顶高度5.3 m 进行模拟。此时工作面在回采结束至稳定后的垂直应力分布如图4 所示，切顶和不切顶的侧向支承压力对比如图5 所示。

从图4 和图5 可以看出，按照高度5.3 m 切顶，在150505 工作面采空区稳定后，侧向支承压力仍然是呈现出“先增大后减小”的趋势；在距采空区煤壁14 m、30 m 位置分别出现第一次应力峰值（22.14 MPa）、第二次应力峰值（24.13 MPa），应力集中系数分别为1.85、2.01；在距150505 采空区煤壁边缘约3.0 m 范围内出现了应力降低区，应力降低区中的垂直应力低于原岩应力水平。

图4 切顶高度5.3 m时的垂直应力分布云图Fig.4 Vertical stress distribution cloud chart at 5.3 m top cutting height

图5 切顶和不切顶的侧向支承压力对比Fig.5 Comparison of lateral support pressure between cut and uncut roofs

与不切顶时相比，切顶5.3 m 后侧向支承压力峰值位置、应力降低区范围基本未发生变化，只是峰值大小有微小的增加。说明切断K2上石灰岩层位未能起到切顶卸压的作用。

3.2.3 切顶高度17 m

根据上述情况，按照切断粉砂岩层位进行模拟研究，即认为切顶高度为17 m 时煤层坚硬顶板被完全切断，此时工作面在回采结束至稳定后的垂直应力分布如图6 所示，不同切顶高度时的侧向支承压力对比如图7 所示。

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从图6 和图7 可以看出，切顶高度为17 m 时，在150505 工作面采空区稳定后，侧向支承压力仍然是呈现出“先增大后减小”的趋势；在距采空区煤壁16 m、35 m 位置分别出现第一次应力峰值（17.88 MPa）、第二次应力峰值（20.34 MPa），应力集中系数分别为1.49、1.7；在距150505 采空区煤壁边缘约4.0 m 范围内出现了应力降低区，应力降低区中的垂直应力低于原岩应力水平。

图6 切顶高度17m时的垂直应力分布云图Fig.6 The nephogram of vertical stress distribution at 17 m top-cutting height

图7 不同切顶高度时的侧向支承压力对比Fig.7 Comparison of lateral abutment pressure at different cutting heights

根据不同切顶高度时的侧向支承压力对比曲线图可以看出，切顶高度为17 m 时侧向支承压力峰值明显降低，且峰值位置均向深部转移，第一次峰值不再明显。与不切顶、切顶高度5.3 m 时相比，第一次侧向支承压力峰值位置向深部转移了2 m，第二次向支承压力峰值位置向深部转移了5m，压力峰值大小降低了3～4 MPa。因此，切顶高度为17 m（切断粉砂岩层位）时，煤层坚硬顶板被完全切断，应力集中现象明显减弱，应力环境大幅改善，对改善小煤柱巷道周边的应力环境具有显著作用。

4 切顶卸压方案

超前切顶卸压方案主要包括爆破钻孔参数设计和钻孔装药及封孔结构设计。

4.1 爆破钻孔参数

爆破钻孔布置及倾角如图8 所示。

图8 爆破钻孔布置及倾角示意图Fig.8 Blasting borehole layout and inclination diagram

4.1.1 钻孔位置

钻孔位置即钻孔开孔处与巷道煤柱侧巷帮的距离。结合150505 皮带顺槽设备管路布置情况及钻机设备等实际情况，爆破钻孔与煤柱帮距离为300 mm，且保证一次爆破的钻孔在一条直线上。

4.1.2 钻孔倾角

钻孔倾角α 是巷道中线剖面图中钻孔与水平方向的夹角，倾角β 是巷道断面图中钻孔与竖直方向的夹角。结合150505 皮带顺槽顶板基本顶厚度及钻机的施工情况，确定钻孔倾角α 向工作面后方倾斜，α=75°，β=85°，即在巷道中线剖面图中，钻孔向采空区方向偏转时最大不超过15°。

4.1.3 钻孔深度

预裂切缝钻孔参数的确定必须结合工作面围岩条件，并要确保通过预裂爆破能把巷道和煤柱上方的基本顶完全切断。结合现场实际钻孔深度取18 m。

根据《煤矿安全规程》规定，深孔爆破时封孔长度不低于孔深的1/3，即封孔长度至少6 m。麦捷煤业15 号煤层直接顶为K2石灰岩，深孔爆破后则对K2石灰岩的影响较小，因此，应采取深浅孔结合的方式进行切顶卸压。所以，考虑到深孔封孔长度为6 m，则浅孔深度选择为7 m。

4.1.4 钻孔直径和钻孔间距

根据麦捷煤业工作面顶板岩性情况，并结合相似条件下切顶卸压爆破工程经验，暂时确定钻孔间距1 000 mm，钻孔直径55～60 mm。

4.2 装药及封孔结构

根据爆破预裂切缝需要，结合麦捷煤业实际情况，选用矿用三级乳化炸药，炸药直径35 mm，长200 mm，重200 g。定向切缝管用来控制岩层中裂缝的定向产生和形成，须在不耦合时才是可行的，根据以往工程经验，不耦合系数K 的合理范围为1.30＜K＜2.4，150505 皮带顺槽爆破预裂钻孔直径d=55～60 mm，矿用三级乳化炸药直径35 mm，因此不耦合系数K=1.57～1.71，符合要求。

装药段采用O 型聚能管作为载体进行装药，为减小O 型聚能管连接次数，避免出现截割聚能管的情况，采用2 m 长、直径48 mm 的O 型聚能管配合使用，装药结构按照顶板岩层岩性分布情况合理分配，如图9 所示。