張宏升

（西山煤電集團有限責(zé)任公司官地礦，山西 太原 030053）

我國煤炭資源的開采主要為長壁開采，利用護巷煤柱來提升巷道的穩(wěn)定性，但由于煤炭資源儲量日益減少，我國需要采用一種全新的無煤柱開采技術(shù)來減小煤炭資源的損耗，因此沿空留巷技術(shù)對提升煤炭資源的開采率具有重要意義。但傳統(tǒng)的沿空留巷技術(shù)存在許多弊端，由于沿空留巷技術(shù)無法改變巷道的應(yīng)力分布，當(dāng)采動較為劇烈時極易造成留巷的失敗，沿空留巷利用充填體對巷道覆巖進行支護，此時巷道的支護難度較大，極易造成充填體的應(yīng)力集中，此外充填體的造價較高，使得沿空留巷成本增加，所以對沿空留巷技術(shù)進行研究是十分重要的，此前眾多學(xué)者對此進行過一定的研究[1]。本文西山煤電集團有限責(zé)任公司官地礦（全文簡稱官地礦）13601工作面為研究對象，對中厚煤層切頂成巷技術(shù)進行研究，為中厚煤層無煤柱開采提供一定的參考，為提升礦山經(jīng)濟做出一定的貢獻。

1 礦井概況

官地礦位于位于西山煤田東南部，距離太原市中心17.5 km，井田面積104.5 km2，礦井年核定生產(chǎn)能力為390萬t，主要開采8號煤層，采用平峒—斜井聯(lián)合開拓方式。礦井絕對瓦斯涌出量1.30 m3/min，相對瓦斯涌出量0.8 m3/min。2號、8號煤層均具有爆炸危險性，屬Ⅱ類自燃煤層；礦井正常涌水量為10 m3/h，最大涌水量為20 m3/h；水文地質(zhì)類型為中等。

2 切頂卸壓護巷原理

切頂成巷技術(shù)是指在相鄰工作面間不設(shè)立護巷煤柱，而是通過隨采隨留的方式進行護巷，留設(shè)的巷道用于下個工作面的回采。同時在回采頂板進行沿走向的預(yù)裂爆破，將巷道頂板與采空區(qū)頂板間的應(yīng)力傳遞切斷，保證巷道的應(yīng)力環(huán)境。切頂成巷原理圖如1所示。

圖1 切頂成巷原理圖

切頂成巷的關(guān)鍵理論為切頂短壁梁理論，在工作面進行回采過程中利用恒阻錨索對巷道頂板進行支護，同時沿著回采側(cè)的頂板進行沿走向的爆破預(yù)裂，使得直接頂形成爆破裂隙面，有效切斷應(yīng)力的傳遞，從而降低回采巷道的應(yīng)力環(huán)境。當(dāng)回采進行過程中預(yù)裂頂板及時發(fā)生垮落，垮落的矸石及時對采空區(qū)進行填充，為了保證填充的質(zhì)量，需要對垮落的矸石進行控制，從而成功留巷。

中厚煤層的切頂卸壓包括四個階段：第一階段在超前30 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)頂板的初始運動，受到超前應(yīng)力的影響頂板出現(xiàn)一定下沉；第二階段在超前60 m的范圍內(nèi)頂板發(fā)生劇烈的運動，此時采空區(qū)的矸石進行垮落充填，巷道基本頂巖梁斷裂；第三階段在滯后工作面約60～160 m的位置，頂板發(fā)生緩慢運動，覆巖和基本頂發(fā)生一定沉降，矸石壓實；第四階段為滯后160 m以上，此時頂板基本穩(wěn)定，不發(fā)生變形。

中厚煤層在切頂?shù)某跗谟捎陧敯宓膭×疫\動，采空未得到充分的充填，采空區(qū)對覆巖的支撐力仍然較小，所以為了降低巷道圍巖的穩(wěn)定性，必須對頂板進行臨時支護。在中厚煤層開采時，由于采動應(yīng)力較大，使用單體液壓支柱進行支護時不能滿足巷道控頂?shù)囊?，所以選用液壓支架進行臨時支護，個別地段可以適應(yīng)一梁兩柱的支護方式進行補強[3]。

為了對巷道回采后頂板巖層的運移情況進行研究，本文利用數(shù)值模擬軟件對基本頂及上覆巖層切縫位置、煤柱側(cè)及工作面的中部分別布置3個監(jiān)測點，分別監(jiān)測其圍巖的運動情況，巷道垂直位移曲線如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點位移曲線

從圖2-1基本頂監(jiān)測點位移曲線可以看出，切縫位置、煤柱側(cè)及工作面中部巖石的下沉曲線大致呈現(xiàn)出兩段跳躍的增長，分別再是時間270~330 min及880~950 min。曲線的增長趨勢為指數(shù)增長，第一個時間段內(nèi)巖層的下降呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，此階段開采擾動對巖石的影響較小，當(dāng)時間段進入第二階段時，此階段內(nèi)下降曲線隨時間的增長快速增加，工作面受到的開采擾動使得該層位巖石出現(xiàn)明顯的下降趨勢。觀察覆巖監(jiān)測點的位移曲線可以看出，此時覆巖的下沉曲線呈現(xiàn)出S型分布，此階段巖石的下降趨勢呈現(xiàn)三個階段，分別為第一階段巖層穩(wěn)定，無明顯下降；第二階段巖層開始小幅度下降，巖石穩(wěn)定性降低，巖層出現(xiàn)明顯的運動；第三階段巖石運動顯著，此階段內(nèi)巖石緩慢下降，曲線呈現(xiàn)緩慢上升[4]。

3 監(jiān)測分析

為了對中厚煤層切頂成巷效果進行研究，對切頂成巷礦壓顯現(xiàn)情況進行監(jiān)測，通過現(xiàn)場監(jiān)測確定合適的支護參數(shù)。主要對巷道的頂板離層情況及和支護錨索的應(yīng)力進行研究，如圖3為三個區(qū)段內(nèi)頂板的下沉監(jiān)測曲線。

圖3 三個區(qū)段內(nèi)頂板的下沉監(jiān)測曲線

從圖3可以看出，當(dāng)在上軟下硬型頂板區(qū)段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，在滯后工作面110 m以內(nèi)時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離110 m以后，頂板的下沉量趨于穩(wěn)定，此時巷道的頂板下沉量最大值為250 mm。當(dāng)在破碎復(fù)合型頂板區(qū)段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大同樣呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，在滯后工作面160 m以內(nèi)時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離160 m以后，頂板的下沉量趨于穩(wěn)定，此時巷道的頂板下沉量最大值為276 mm。當(dāng)在完整復(fù)合型頂板區(qū)段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，在滯后工作面80 m以內(nèi)時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離80 m以后，頂板的下沉量趨于穩(wěn)定，此時巷道的頂板下沉量最大值為176 mm。可以看出破碎復(fù)合頂板下沉量最大值大于上軟下硬巖層頂板，完整復(fù)合型頂板的下沉量最小[5]。恒阻錨索受力曲線如圖4所示。

圖4 恒阻錨索受力曲線

從圖4可以看出，在超前工作面33 m的位置恒阻錨索開始受力，隨著距離工作面距離的減小，恒阻錨索受力快速增大，增大至325 kN。在滯后工作面253 m時恒阻錨索受力出現(xiàn)一定的波動，基本頂發(fā)生周期性斷裂，斷裂后受力呈現(xiàn)下降，當(dāng)滯后工作面1 603 m后，頂板達到穩(wěn)定，此時的恒阻錨索受力逐步趨于穩(wěn)定，恒阻錨索抗沖能力較強，較好的保證工作面穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）對中厚煤層切頂成巷的原理進行一定的分析，給出了中厚煤層的切頂卸壓過程中頂板運動的四個階段。在上軟下硬型頂板區(qū)段、破碎復(fù)合型頂板區(qū)段、完整復(fù)合型頂板區(qū)段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢，且破碎復(fù)合頂板下沉量最大值大于上軟下硬巖層頂板，完整復(fù)合型頂板的下沉量最小。

2）通過恒阻錨索受力進行分析發(fā)現(xiàn)，恒阻錨索抗沖能力較強，能夠有效的吸收一部分沖擊能量，較好的保證工作面穩(wěn)定。