蘇國強

(西山煤電集團有限責任公司馬蘭煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

我國是一個煤炭資源儲量大國，常年來我國的煤炭產量一直位居世界前列。由于煤炭資源屬于不可再生資源，所以隨著開采時間的不斷增大，易開采的煤層存量已經不多，煤層的開采已經逐步從易開采煤層向難開采煤層轉變。堅硬頂板難垮難落一直是我國礦山面臨的重要難題，由于堅硬頂板難垮難落造成大面積的懸頂，懸頂一旦垮落會造成巨大的沖擊地壓，對煤礦的機械設備和人員安全造成極大的威脅。同時大面積的懸頂會加大護巷煤柱的尺寸，降低了煤礦的經濟效益。所以對堅硬頂板的治理十分重要。此前,史先鋒[1]等對沖擊地壓進行研究，通過分析沖擊地壓的形式，提出了削弱靜載荷、降低動載荷、增加巷道的抗沖能力、對沖擊危險性的監(jiān)測進行預警，通過這4個方案對沖擊地壓進行了治理。段宏飛[2]等采用室內的實驗對不同預制裂縫角下的和注液速率下的壓裂進行了研究,對治理堅硬頂板提供了一定的理論支持。李躍文[3]等通過理論研究和礦震的監(jiān)測得出了堅硬頂板和采掘擾動及斷層構造對巷道的掘進過程沖擊災害的影響，并提出了切頂卸壓來治理堅硬頂板的方法。王康[4]等對特厚煤層堅硬頂板下綜放面的煤柱預留情況進行了研究，通過理論分析和數值模擬對煤柱的寬度進行分析，針對堅硬頂板的煤柱設定提供了方案。為此，以馬蘭煤礦18301工作面為研究背景，通過切頂卸壓對堅硬頂板的治理方式探索，以期提出相應的解決方案。

1 切頂卸壓數值模擬

馬蘭煤礦南五下組煤采區(qū)輔助運輸下山、910水平東大巷已服務近20 a，受南五下組煤采區(qū)工作面回采影響，巷道多次受壓。由于巷道的煤柱松軟造成巷道大變形，其中兩幫的變形量最高可達2 m。18301工作面在回采完成后，受到工作面的動壓影響，部分18301工作面段的巷道變形較為嚴重，所以計劃在18301和18504的兩個工作面回采及末采期間，采用深孔爆破技術對堅硬頂板進行預裂。

1.1 建立模型

為了研究不同停采線的煤柱寬度對巷道的影響，采用FLAC3D數值模擬軟件對此進行分析。并為了保護巷道的穩(wěn)定性，對巷道頂板進行切頂卸壓，建立模型的尺寸為140 m×2 m×100 m，約束模型的邊界，限制模型的XY的方向位移。對模型進行網格劃分，網格的劃分對計算的精確性有著較大的關聯，若模型的網格劃分過細，模型計算時間較長，模型網格劃分較少時，模型的精確性大打折扣[5-7]，所以建立切頂和未切頂模型網格劃分示意圖，如圖1所示。根據實際的地質情況對模型各層參數進行設定，并根據實際情況對模型的上端部進行載荷設定，根據上覆巖層的屬性計算出載荷設定為7.4 MPa。

圖1 切頂和未切頂模型

1.2 模擬結果分析

煤柱寬度為20 m：圖2為切頂卸壓和未切頂卸壓的頂板底板兩幫變形量。為了研究切頂和未切頂的圍巖變形量，從圖中可看出，在選定巷道的支護煤柱寬度為20 m的前提下，在未進行切頂模擬中，左幫的移近量最大值為150 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?65 mm，所以兩幫的移近量為315 mm，巷道的頂板下沉量為178 mm，最大的底鼓量為36 mm。而從進行了切頂卸壓的模型模擬的結果可以看出，左幫的移近量最大值為112 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?32 mm，所以兩幫的移近量為244 mm，巷道的頂板下沉量為148 mm，最大的底鼓量為31 mm。對比可以看出切頂卸壓后的巷道變形量明顯較小，兩幫的移近量減少了71 mm約為23%，頂板和底板的移近量減少了16%，所以切頂卸壓可以有效地減小巷道的變形量，減少巷道的支護成本，增加煤礦的經濟效益[8-10]。

圖2 切頂和未切頂的巷道變形量(20 m)

煤柱寬度為30 m：為了對比不同護巷煤柱尺寸下的巷道變形，在選定巷道支護煤柱寬度為30 m的前提下，在未進行切頂模擬中，左幫的移近量最大值133 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾?30 mm，所以兩幫的移近量為263 mm，巷道的頂板下沉量為145 mm，最大的底鼓量為37 mm，巷道的支護煤柱30 m下的切頂和未切頂的變形量，如圖3所示。從進行了切頂卸壓的模型模擬的結果可以看出，左幫的移近量最大值為109 mm，右?guī)偷囊平孔畲笾禐?10 mm，所以兩幫的移近量為219 mm，巷道的頂板下沉量為110 mm，最大的底鼓量為24 mm。對比可以看出切頂卸壓后的巷道變形量明顯較小，兩幫的移近量減少了44 mm約為17%，頂板和底板的移近量減少了26%。對比不同護巷煤柱的寬度下的巷道變形量可以看出，隨著支護煤柱尺寸的增大巷道變形量明顯減少。在未切頂的巷道模擬情況下，較煤柱尺寸20 m的煤柱，煤柱寬度30 m的煤柱巷道的兩幫移近量減少了52 mm，頂板底板的移近量減少了32 mm，而在切頂卸壓后的兩幫移近量減少了25 mm，可以看出經過切頂卸壓后的巷道變形量從煤柱的寬度20 m到煤柱寬度30 m的效果有了明顯的下降，所以治理巷道變形不能一味的加大煤柱的寬度，應當取煤柱的寬度和切頂卸壓的合理值[11-13]。

圖3 切頂和未切頂的巷道變形量(30 m)

2 現場實測

2.1 支承壓力監(jiān)測

選取馬蘭煤礦現場巷道進行支承壓力監(jiān)測，利用GMC-20型壓力傳感器對次進行監(jiān)測，每2 h進行一次監(jiān)測。對煤層的超前支撐壓力進行記錄分析，在皮帶的順槽超前工作面的100 m處安排一個測站，測站內部布置7個監(jiān)測點，監(jiān)測點的布置應當距離工作面的長度逐步減小，眼深的直徑為42 mm。對監(jiān)測后的數據進行分析，由于3#、5#兩個監(jiān)測點的數據監(jiān)測有誤，所以僅對5個點的監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測點的記錄數據如圖4所示。

2.2 監(jiān)測結果分析

從圖4的支撐壓力監(jiān)測圖可以看出，在1#測點距工作面73 m左右時，支撐壓力為7.5 MPa。隨著1#測點距離工作面的距離逐步縮減的過程中，支撐壓力逐步增高；當1#測點距離工作面9.5 m時支撐壓力最大達到15.8 MPa，隨后在測點距離工作面的長度再度縮短后支撐壓力迅速降低；當距離工作面小于1 m時，此時支撐壓力最小為4.12 MPa。2#測點在距離工作面72 m左右時，支撐壓力為7.1 MPa，隨著測點距離工作面的距離的縮進，支撐壓力緩慢上升；在測點距離共勉10 m附近時，支撐壓力達到最大值16.9 MPa；之后隨著距離的減小，支撐壓力迅速減小，降到了3.2 MPa。4#測點和6#測點及7#測點都呈現出類似的趨勢，在70 m附近時，支撐壓力開始上升；當測點距離工作面的距離在10 m附近時，支撐壓力都達到最大值，隨著測點距離工作面的距離的減小支撐壓力開始迅速下降，達到最小值。所以，測點的支撐壓力峰值出現在9.3～10.2 m的范圍內，而影響的距離一般為工作面走向的70 m附近。

圖4 支撐壓力監(jiān)測

3 結論

(1)為了分析切頂卸壓的效果，利用數值模擬軟件對巷道的兩幫移近量和頂板底板的移近量進行了一定的分析，發(fā)現在預留煤柱20 m下的切頂后的巷道兩幫移近量和頂板底板移近量分別減少了23%、16%，切頂卸壓的效果明顯。

(2)通過對不同的預留煤柱寬度下切頂卸壓的效果分析發(fā)現，隨著煤柱的尺寸增加，巷道的變形量有效的降低，但切頂卸壓的效果得到了削減，所以適當的考慮煤柱的寬度和切頂卸壓的應用可以有效降低巷道的變形量。

(3)通過現場對超前支撐壓力的監(jiān)測分析，發(fā)現超前支撐壓力峰值出現在9.3～10.2 m的范圍內，而影響的距離一般為工作面走向的70 m附近，為切頂卸壓的作用距離提供了參考。