張云天

（晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦 ，山西 忻州 036603）

0 引 言

礦井開采過程中，一般兩個回采面之間會預(yù)留保護煤柱，以保證接續(xù)面正?；夭桑A(yù)留煤柱會造成資源浪費，為解決該問題，近年來沿空留巷技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[1~2]。沿空留巷技術(shù)主要是通過保留原運輸巷或回風(fēng)巷，并對其進行支護作為下一回采面的運輸巷道或者回風(fēng)巷道，該技術(shù)的實施可以減少一個巷道的掘進，無須預(yù)留保護煤柱，但是實施過程中，如果回采面采空區(qū)垮落，由于巖層的連續(xù)性會導(dǎo)致預(yù)留巷道來壓過大，增大支護難度[3~6]。為解決該問題，本文運用切頂技術(shù)將預(yù)留巷道頂板和采面頂板上覆巖層進行分離，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實施的方法進行了相關(guān)研究。研究結(jié)果顯示，切頂卸壓預(yù)留巷道技術(shù)的實施有效解決了泰山隆安煤礦11301 工作面沿空留巷應(yīng)力過于集中的破壞問題。

1 礦井及工作面概況

泰山隆安煤礦核定產(chǎn)能240 萬t/a，礦井為低瓦斯礦井，整體采用走向長壁綜合機械化全斷面采煤法，中央并列式通風(fēng)，工作面采用U 型通風(fēng)法。礦井主采11 號煤層，煤層平均厚度1.95 m，煤層頂板為泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖。11301 工作面走向長度1 290 m，切眼長度240 m，工作面埋深237。工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，無大的地質(zhì)構(gòu)造，煤層傾角8°。

2 切頂卸壓預(yù)留巷道應(yīng)力數(shù)值模擬

切頂卸壓留巷技術(shù)即在預(yù)留巷道靠近已采面一側(cè)上幫實施深孔爆破技術(shù)，將預(yù)留巷道上覆巖靠近已采面一側(cè)斷開，原理如圖1 所示[7~8]。

圖1 切頂卸壓留巷技術(shù)示意圖

為研究切頂卸壓預(yù)留巷道技術(shù)對巷道圍巖的保護作用，本文采用軟件COMSOL Multiphysics 進行流-固耦合模擬研究，分別模擬了來壓120 天后，巷道在實施切頂卸壓留巷技術(shù)和未實施切頂卸壓留巷技術(shù)時巷道圍巖分布情況，假設(shè)巷道周圍煤巖、圍巖為均勻介質(zhì)，進行數(shù)值模擬的得到的應(yīng)力分布云圖如圖2 所示，巖層應(yīng)力參數(shù)見表1。

圖2 切頂前后圍巖應(yīng)力分布云圖

表1 巖層基本參數(shù)表

由圖2 可知，留巷頂部未實施切頂技術(shù)時，巷道周圍圍巖應(yīng)力分布均勻，巷道頂板上部10 m 范圍內(nèi)應(yīng)力均出現(xiàn)大面積集中的線型，底部6 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力大幅變化，根據(jù)實驗室測試數(shù)據(jù)，砂質(zhì)泥巖承載應(yīng)力極限為120 MPa，泥巖承載應(yīng)力極限為118 MPa，在無任何支護的情況下，未實施切頂卸壓預(yù)留巷道的情況下，地頂板會出現(xiàn)垮落；上覆巖層應(yīng)力波及范圍較大，在進行錨桿支護的時候必須增加錨桿。

實施完成切頂卸壓預(yù)留巷道技術(shù)的區(qū)域，采空區(qū)應(yīng)力連續(xù)性被切割縫隙有效阻斷，因此巷道周圍應(yīng)力發(fā)生大幅度變化。由圖2（b）可知切割縫實施完成后，巷道上部應(yīng)力豎向搏擊面積為4 m，底板應(yīng)力變化范圍較小，而應(yīng)力主要傳播到巷道未割縫一側(cè)幫上位置，研究結(jié)果顯示割縫有效緩解了應(yīng)力大面積集中的情況。

3 切頂卸壓留巷技術(shù)現(xiàn)場實施及效果考察

3.1 切頂卸壓留巷技術(shù)現(xiàn)場實施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，切頂卸壓留巷技術(shù)可有效降低留巷圍巖應(yīng)力大面積集中的情況，現(xiàn)在現(xiàn)場實施切頂技術(shù)，切頂卸壓示意圖如圖3 所示。

圖3 切頂卸壓留巷技術(shù)施工示意圖

通過在頂板實施預(yù)裂爆破鉆孔，從而形成沿著巷道方向的裂隙，鉆孔間距為3 m，鉆孔深度為6 m，鉆孔為上向角度，鉆孔傾角為80°，炸藥采用礦用硝銨炸藥，封孔深度1.5 m，裝藥長度1 m?？紤]爆破能量波耦合作用，現(xiàn)場實施過程中每3～6 個鉆孔為1 組進行實施，實施后會形成定向裂隙縫隙。

3.2 切頂卸壓技術(shù)效果考察

爆破鉆孔實施完成后進行2 個方面考察，首先采用微振技術(shù)測量巷道頂部裂隙分布，對微振數(shù)據(jù)進行考察微振數(shù)據(jù)分析如圖4 所示。

圖4 微振數(shù)據(jù)分析圖

隨后對支護后頂板情況進行分析考察，支護頂板離層儀數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 頂板離層儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)效果考察結(jié)果顯示，爆破裂縫剖面波及范圍較小，影響范圍在鉆孔周圍0.02 m 范圍內(nèi)；實施后，頂板深部位移最大量為150 mm，淺部為80 mm，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本文運用數(shù)值模擬的方法模擬了實施切頂卸壓技術(shù)和不實施該技術(shù)巷道圍巖應(yīng)力分布云圖，通過微振和頂板離層儀進行了效果考察，得到以下結(jié)論：

1）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，切頂卸壓技術(shù)可以有效解決巷道圍巖波及面較大的現(xiàn)象。

2）現(xiàn)場實施后顯示，深孔爆破產(chǎn)生的裂縫波及范圍為0.02 m。

3）切頂卸壓技術(shù)實施，嚴控留巷頂板位移量深部最大量150 mm，淺部為80 mm，完全滿足支護安全要求。