杜家沟矿2105工作面一次采全高切顶卸压技术研究

2023-01-18侯艺超

西部探矿工程 2022年11期

侯艺超

（霍州煤电集团河津杜家沟矿有限责任公司，山西霍州 031400）

1 概述

随着矿井开采年限和采掘深度的不断增加，煤层覆存较为简单的煤层储量逐步减少，现阶段我国煤矿开采的重点逐步向着深部煤层转移。在进行深部煤层开采时，由于埋深较大，使得巷道应力集中现象较为明显，巷道围岩变形较大，支护难度及支护成本均较高。对于留煤柱开采矿井，由于巷道变形严重，煤柱留设尺寸增大，造成矿井出煤率降低，所以提出沿空留巷技术，通过巷旁充填的手段，保留原回采巷道为下个区段开采做准备，但传统的研究均围绕巷旁支护，较少对顶板的传力结构进行研究[1]。因此本文以杜家沟矿2-105工作面为研究背景，提出一次采全高工作面切顶卸压沿空留巷技术，为矿井安全高效开采提供一定的参考。

2 矿井概况及支护技术研究

杜家沟矿位于山西河津市清涧镇西北3km，井田面积9.89km2，矿井设计生产能力60×104t/a，主要开采山西组2#煤层，地质构造简单，所含煤层平均厚度3.99m。2-105工作面是2#煤层综采工作面，整个综采面呈现长方形布置，回采工作面倾斜长度为175m，采用走向长壁后退式一次全高机械化采煤法，在2-105工作面进行切顶，留巷长度设定为500m，留巷后服务于下个工作面。

2-105工作面巷道为梯形断面，巷道掘进净宽为5m，掘进断面面积为16m，顶板采用金属网、螺纹锚杆支护，螺纹锚杆规格为∅18mm×1800mm，间排距为1000mm×1000mm，顶板布置六排螺纹钢锚杆；帮壁采用塑料网及数值锚杆进行支护，树脂锚杆规格为∅16mm×1600mm，间排距为1000mm×800mm。为保证切顶过程巷道的稳定性，在对巷道进行切顶卸压前利用恒阻锚索进行补强支护，选定恒阻锚索长度大于爆破高度2m，锚索的锚固端位于岩性较为稳定岩层中，选定的锚索长度为12m。恒阻锚索分别布置在距切缝钻孔400mm的位置，排距1000mm，锚索间使用3000mm×300mm×5mm的W型钢带进行连接，另一组恒阻锚索沿巷道的中线布置，锚索布置排距为2000mm[2]。

3 切顶卸压数值模拟及现场实践

利用数值模拟软件对切顶卸压参数进行研究，选定数值模拟软件FLAC-3D进行模拟，首先进行模型的建立，模型的长宽高分别为160m×100m×1m，对模型进行边界条件设置，固定模型左右及下端部的位移，在模型的上端施加垂直均布荷载，荷载的大小为12MPa，分别对不同切顶高度下的巷道围岩变形情况进行分析，选定切顶高度分别为8m、12m、16m和20m，分别对顶板垂直变形量进行分析[3]，不同切顶高度下巷道顶板变形曲线如图1所示。

由图1可以看出，顶板的下沉量随巷道宽度呈现先增大后减小的趋势，在巷道中间部位出现顶板下沉量的最大值。当巷道未进行切顶卸压时，此时的巷道顶板下沉量最大值为181mm，经过切顶卸压后顶板的下沉量有了较大幅度的降低，当切顶高度为8m时，此时的顶板下沉量为138mm，当切顶高度为12m时，此时顶板下沉量为132mm，切顶高度16m和20m的顶板下沉量分别为118mm和114mm，可以看出随着切顶卸压高度的增大，巷道顶板下沉量呈现逐步降低的趋势，但降低的趋势并非线性，切顶高度16m和20m时，顶板下沉量变化相差不大，仅从巷道顶板下沉量的角度确定合理的切顶高度为16m[4]。

图1 不同切顶高度下巷道顶板变形曲线

选定切顶高度16m后，对不同切顶角度下的巷道围岩变形情况进行研究，选定切顶角度为0°、15°、30°进行模拟研究，不同切顶角度下巷道围岩应力集中系数及顶板下沉曲线如图2所示。

图2 不同切顶角度下巷道围岩应力集中系数及顶板下沉曲线

由图2所示可以看出，当巷道未进行切顶时，此时的应力集中系数为3.7，而巷道切顶后的应力集中系数有了明显的降低，当切顶角度为30°时，此时的应力集中系数为2.6，当巷道切顶角度为15°时，此时IDE巷道应力集中系数为2.3，当切顶角度为0°时，此时的应力集中系数为1.6，可以看出随着切顶卸压角度的减小，巷道应力集中系数呈现逐步减小的趋势，当切顶角度为0°时，此时的巷道应力集中系数最小。观察不同切顶角度下巷道顶板下沉量曲线可以看出，随着切顶角度的增大，此时巷道顶板的下沉量呈现逐步增大的趋势，切顶角度30°、15°、0°下巷道的顶板下沉量分别为133mm、131mm、121mm，综合分析可以确定最佳的切顶卸压角度为0°，此时巷道的应力集中系数及巷道顶板下沉量均为最小值[5]。

确定切顶参数后进行现场试验，切顶钻孔沿着运输巷走向进行布置，钻孔直径为52mm，切顶高度为16m，切顶角度为0°，采用d-450/01聚能管进行爆破，聚能管与专用构件连接，在聚能管端部安装雷管，对孔口进行封闭，完成切顶卸压操作后进行爆破，观察巷道矿压显现情况，在工作面布置10#、11#、12#测站，监测巷道表面位移，巷道表面位移变形曲线如图3所示。

从图3可以看出，随着工作面回采不断推进，此时巷道顶板、底板、两帮的移近量均呈现逐渐增大的趋势，测站10#、11#、12#顶底板移近最大分别为70mm、74mm、69mm，此时巷道的两帮最大移近量分别为59mm、84mm、67mm，巷道的顶底板、两帮平均移近量分别为71mm、70mm，巷道处于可控范围，巷道围岩变形控制较好。巷道顶底板及两帮移近量随着回采逐渐增大，在超前工作面50m外的范围内，巷道的掘进造成围岩位移变形增幅不明显，此时测站10#、11#、12#顶底板移近量分别为19mm、23mm、15mm，巷道平均移近量为19mm，两帮平均最大移近量为12.7mm。当超前工作面50m至工作面后方120m内为采动影响区，此时巷道围岩趋于稳定，当超前工作面50m范围内为超前影响区，此时超前侧向支承压力使得巷道围岩变形剧烈，滞后影响区为工作面后方0～120m范围内，此时巷道顶底板及两帮平均移近量分别为58.7mm、54.3mm，对比掘进可以看出顶底板及两帮移近量分别增加了39.7mm、41.6mm，增加的位移量较小，巷道稳定性得到保证。