薄煤层沿空留巷切顶卸压技术研究

李饶荣 周 虎 樊在壮

（1.神木汇森凉水井矿业有限责任公司，陕西 神木 719319；2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

薄煤层沿空留巷技术解决了薄煤层开采中的煤柱留设、巷道掘进量大、煤炭采出率低等问题，符合绿色采矿、科学采矿的发展方向，促进了我国无煤柱护巷技术的发展[1]。当煤层顶板为坚硬稳定顶板，工作面回采后顶板不易垮落甚至大面积悬顶，会造成巷旁充填体、巷道围岩的变形破坏。因此在巷旁充填体构筑起来之前必须采取有效的采空区顶板人工切顶措施。

近年来，国内外学者在沿空留巷切顶卸压方面做了大量的实践和研究工作[2-5]，建立了沿空留巷切顶卸压的力学模型，分析了切顶卸压过程中应力转移规律，结合数值模型与现场实际条件，得出了沿空留巷切顶卸压机制与主要参数，提出了切顶卸压沿空巷道的支护技术，但对陕北地区浅埋薄煤层坚硬厚顶板切顶卸压研究较少。

本文以凉水井煤矿4-3 煤层薄煤层沿空留巷为工程背景，综合采用理论分析、数值计算和现场试验的方法，研究了浅埋下位薄煤层坚硬厚顶板沿空留巷聚能爆破切顶卸压关键参数。研究结果有助于提高相关条件矿井沿空留巷的成功实施，并有利于保障该类矿井的安全生产。

1 工程概况

431301 工作面斜长180 m，走向长1894 m，煤层厚度1.1～1.4 m，煤层埋深平均130 m，倾角小于2°。顶板自下而上为10.73 m 细砂岩、5.32 m 粉砂岩、3.45 m 中砂岩、0.70 m 粉砂岩、4-2 煤采空区。工作面采用综合机械化采煤，采用沿空留巷技术后，其胶运巷作为431302 工作面回风巷，留巷宽度与高度分别为4.9 m 和3 m，巷旁支护体采用高水材料进行充填，充填体宽度与高度分别为1.6 m 和1.6 m，高水材料水灰比为1.5:1。沿空留巷断面如图1 所示。

图1 431301 工作面沿空留巷断面图

2 切顶卸压关键参数确定

切顶卸压关键参数包括切顶高度、切顶角度、爆破钻孔间距。

（1）切顶关键参数分析

① 预裂切顶高度

从地质柱状图可知，其4-3 煤层上部直接顶厚度远大于其采高。当预裂切顶面未贯穿整个岩层时，由于受采空区高度限制，直接顶在弯曲变形过程中就会与底板接触。要实现坚硬厚顶板的整体拉断，则切顶高度必须足够大，以使作用在预裂切顶未贯穿面的拉力将顶板切断，切顶高度的取值小于20 m。

② 预裂切顶角度

对于薄煤层开采来讲，其顶板切落的实现主要依靠直接顶自身重力及顶板下沉变形施加到直接顶岩层上的上覆荷载而产生的剪切作用。因此，必须要有一定预裂切顶角度，避免在切顶面产生较大的摩擦阻力，切顶角度取10～30°。

③ 预裂爆破钻孔间距

若要达到良好的切缝效果，两孔的损伤裂隙应贯通，其判据条件为2 个聚能爆破孔产生的损伤深度之和大于孔距，爆破的判据条件为：

式中

d-切缝钻孔中心距，mm；

rb-切缝钻孔半径，取19 mm；

λ-侧压系数，λ=μ/（1-μ），μ取0.35；

p-原岩应力，取13 MPa；

pb-炮孔壁冲击波峰值压力，取3578 MPa；

D0-岩体初始损伤参数，取0.6；

σt-岩石抗拉强度，取8.85 MPa；

δ-爆炸应力波衰减系数，δ=2-μ/（1-μ） 。

求得d≤1023 mm。

（2）切顶关键参数的数值模拟分析

① 切顶高度

根据431301 工作面具体工程地质条件，运用有限差分软件FLAC3D建立切顶留巷数值模型，分别模拟切顶深度为6 m、8 m、10 m、12 m时围岩变化特征，得出计算结果及围岩变形规律如图2 所示。

图2 不同切顶高度下垂直应力分布规律

计算结果表明：切顶高度由6 m 增加到12 m 时，巷道内部应力集中程度逐渐减弱，应力集中区域距离巷道越来越远，充填体内部的最大垂直应力分别为6.5 MPa、6.1 MPa、5.8 MPa、5.3 MPa、5.6 MPa，巷道实煤体侧最大垂直应力分别为9.6 MPa、7.3 MPa、5.4 MPa、5.0 MPa、5.4 MPa。充填体的最大垂直位移量分别为110 mm、90 mm、60 mm、50 mm、40 mm，巷道顶板最大下沉量分别为80 mm、60 mm、50 mm、40 mm、30 mm。表明切顶高度越大，应力集中峰值越小，且应力集中区距离巷帮越远，对巷道稳定越有利。但当切顶高度达到一定程度后，继续增加切顶高度对应力集中区位置影响不甚明显，并且切顶高度越大，施工难度越大。综合对比可知，切顶高度为10 m 时，集中应力较小，应力集中区距巷道较远，顶板下沉在可控范围内，有利于巷道围岩稳定。考虑到现场实际情况切顶高度选择10 m。

② 切顶角度

为分析预裂切顶角度的影响，设计预裂切缝长度10 m，预裂切顶面向采空区偏转不同角度，分别为0°、10°、20°、30°四种情况，得出计算结果及围岩变形规律如图3 所示。

图3 不同切顶角度下垂直应力分布图

计算结果表明：切顶角度由0°增加到30°时，巷道内部应力集中程度逐渐增强，应力集中区域距离巷道越来越近，充填体内部最大垂直应力分别为5.0 MPa、5.1 MPa、5.2 MPa、7.6 MPa、8.1 MPa，巷道的实煤体侧最大垂直应力分别为5.0 MPa、5.3 MPa、5.6 MPa、6.4 MPa、7.4 MPa。表明切顶角度越大，应力集中峰值越大，且应力集中区距离巷帮越近，对巷道稳定越不利。充填体最大垂直位移量分别为50 mm、51 mm、53 mm、58 mm、61 mm，巷道顶板最大下沉量分别40 mm、42 mm、44 mm、48 mm、51 mm。结果表明：随着切顶角度的增加，充填体垂直位移量与顶板下沉量逐渐增大。综合对比可知，切顶角度为0°、10°、20°时，巷道集中应力较小，巷道变形量较小，但切顶角度为0°和10°时，施工较为不便，综合考虑，选择预裂角度为20°。

（3）定向预裂炮孔间距优化

爆破孔间距的选择对切缝效果有着重要的影响，在4-3 煤层尚未开采时，在4-2 煤层进行了定向预裂试验。经对试验结果的分析确定炮孔间距为600 mm。4-3 煤层留巷期间，对600 mm 孔间距的留巷效果做了进一步观测，认为可以将炮孔间距适当增大，以减缓工人劳动强度与切顶费用。此次超前定向预裂试验的优化炮孔间距采用900 mm 的孔间距，切顶参数见表1。

试验结果为：① 爆破孔与观测孔均有冒烟现象，且对观测孔窥视过程中，推杆上有浓重的炮烟味；② 爆破后观测孔1#、3#、6#、9#和爆破孔7#、8#、10#有流水现象，流水持续时间10 min 左右，其中爆破孔的水量比观测孔的水量大，且在对观测孔窥视过程中发现了微小裂隙；③ 由窥视结果可知，爆破孔装药段出现明显对称的纵向裂隙如图4 所示；④ 900 mm 炮孔间距平均孔隙率为86.39%，小于600 mm 炮孔间距的平均孔隙率（96%），但爆破孔装药段裂隙率仍大于80%，满足切顶需求。试验现象统计见表2。

表1 超前定向预裂技术参数一览表

图4 部分钻孔窥视影像（纵向裂隙成对称分布）

表2 试验现象统计

综上分析可知：900 mm 孔间距的炮孔布置爆破切顶效果较为理想。为了减轻劳动强度与切顶成本，可以将炮孔间距调整为900 mm。

3 工程实践

（1）在工作面0～20 m 范围内，处于留巷初期，围岩变形量较小；在20～40 m 范围内，充填体上部顶板活动剧烈，围岩变化速率较大；在40～60 m 范围内，采空区侧顶板垮落得到支撑，沿空留巷结构趋于稳定。顶底板最大移近量为 75 mm 左右，两帮最大移近量为65 mm 左右。

（2）采用了合理的聚能爆破切顶卸压技术方案后，在工作面后方60 m 范围内沿空巷道围岩控制效果良好，巷道周围没有出现较明显的应力集中，巷道围岩变形量较小，充填体的强度能保证留巷结构稳定，留巷效果达到设计要求。

4 结论

（1）运用理论、数值计算等方法分析了切顶高度、切顶角度对沿空巷道围岩稳定性的影响，最终确定切顶高度为10 m、预裂角度为20°时，顶板垮落及时，巷道集中应力较小，沿空巷道具有良好的稳定性。

图5 沿空留巷围岩位移量

（2）综合采用理论分析与现场试验的方法确定了预裂炮孔间距为900 mm。试验结果表明，炮孔内出现了与聚能槽相对应的对称纵向裂隙，且孔隙率达到设计要求。

（3）现场工程实践表明，在采用了聚能爆破切顶卸压沿空留巷技术后，巷道围岩变形量较小，充填体结构稳定，留巷效果达到设计要求。