官地矿坚硬顶板切顶沿空留巷围岩控制技术

柳建琦

（山西焦煤西山煤电官地矿，山西 太原 030053）

0 引言

随着开采深度的增大，此时整体煤岩体环境越来越复杂，这就造成开采难度增大，巷道处于高应力环境中，变形量急剧增加，极易发生失稳破坏，造成了人员伤亡。坚硬顶板是指巷道顶板由岩性较为坚硬的岩层组成，据统计我国坚硬顶板煤层约占据总数的45%，坚硬顶板的存在使得顶板难落难落，形成大面积悬顶，悬顶一旦发生垮落极易造成较大面积的冲击波，威胁矿井的正常生产。沿空掘巷计划是指在上区段工作面开采后，通过预留煤柱进行开掘巷道的方式，利用窄煤柱将下区段的工作面与上区段采空区隔开。沿空掘巷围岩控制是沿空掘巷技术实施的核心，坚硬顶板使得沿空掘巷围岩变形量增大，同时留设煤柱宽度也相应增大，对于矿井成本控制较为不利[1-2]。目前针对坚硬顶板治理的技术主要为切顶卸压方式，通过将坚硬顶板切断来降低坚硬顶板的完整性，降低应力传递及悬臂长度[3]，使沿空巷道围岩稳定性得到有效控制。本文以官地矿23512 工作面为工程背景，采用数值模拟软件对切顶卸压参数进行研究，并通过工业化应用验证其可行性，为矿井沿空掘巷技术实施做出贡献。

1 矿井概况及数值模拟计算

官地矿位于西山煤田西南，井田面积74.593 1 km2，矿井核定生产能力390 万t，23512 工作面主要开采3#煤层，煤层平均厚度3.5 m，煤层倾角2°～8°，平均倾角5°，由于现开采煤层顶板较硬。在沿空掘巷切顶卸压中，由于顶板岩性较为坚硬，直接切顶既无法保证切缝的方向，同时也需要较大的爆破能量，所以引入预切顶，通过在钻孔内部进行预先切顶，从而保证切顶效果。相邻钻孔间裂隙发育形成预裂面，切断应力传递，将长距离悬顶转换为短臂悬顶，减小悬顶长度。为研究不用切顶参数下切顶效果，建立数值模型，以工作面轨顺为背景，根据实际地质条件，利用UDEC 离散元模拟软件进行二维模拟建立。模型长宽分别为350 m 和100 m，巷道的断面尺寸宽高分别为5.2、4 m；根据实际地质情况在模型的上端部施加15 MPa 的覆岩均布荷载，对模型进行边界约束的施加，固定模型左右及底端位移，模型选择摩尔库伦破坏准则。对模型的力学参数进行设定。完成模型的建立。

采用控制变量法进行最佳切顶角度研究。选取切顶角度105°、90°、75°、60°和 45°五种，考虑到基本顶为坚硬岩层，所以切顶高度基本顶顶端，切顶前后采空区侧顶板破断结构图，如图1 所示。

图1 切顶前后采空区侧顶板破断结构图

如图1 所示为不同切顶角度下，采空区侧顶板破断结构图。从图中可以看出，当未切顶时，此时在煤柱上方形成大面积的悬顶，选定向煤柱侧发生倾斜，此时煤柱承受较大的压力，由于煤柱尺寸较小，此时的煤柱及沿空巷道变形严重。进行切顶后，当切顶角度为 105°时，此时坚硬顶板由于切顶面的摩擦力及采空区覆岩的水平推力，使得采空区上方岩层无法有效垮落，基本顶与直接顶无法接底。当减小切顶角度至 90°时，此时煤柱上方及采空区上方岩层存在较大摩擦力，采空区顶板无法沿切顶面顺利滑落，基本顶与直接顶未有效接底，此时的煤柱受到较大的侧向支撑力，巷道稳定性仍不可靠。减小切顶角度至75°时，此时采空区上方岩层能够沿着切顶面顺利滑落，此时岩层的自重大于煤柱上方岩层给予的摩擦力，采空区被切落岩层压实，基本顶和直接顶完全接底，并连接上部岩层，较好的阻止了高位岩层的下沉，确保了整体的稳定性。当切顶角度为60°时，此时切顶角度较小，使得煤柱上方短悬臂梁长度有所增加，虽然顶板岩层摩擦力降低，但由于不同岩层间出现交叉接触面，使得岩层不易滑落，不利于煤柱和沿空巷道的稳定。同样的当切顶角度为45°时，此时出现类似60°时的问题。综上所述最佳的切顶角度为75°，此时的采空区上方岩层顺利滑落，填充采空区，从而形成稳定结构，减小了煤柱侧载荷，减小了采空区高位岩层的垮落下沉，保障了巷道的稳定性。

在沿空巷道布设的两条测线，用于监测不同切顶角度下沿空巷道垂直应力分布情况，垂直应力曲线如图2 所示。

图2 不同切顶角度下沿空巷道垂直应力分布曲线

从图2 可以看出，不同切顶角度的垂直应力分布趋势整体无明显差异，仅存在数值上的差异。在煤层回采时，此时的应力集中区会发生一定的转移，当工作面推过后，此时在后方采空区的应力区域稳定，实体煤侧的峰值应力也同样趋于稳定。观察顶板垂直应力曲线可以看出，从实体煤侧至煤内部，应力值呈现增大的趋势，在距煤壁5～10 m 时，此时出现一定的应力集中，表现为高应力区；而在10～30 m 范围内时，此时的垂直应力呈现逐渐减少的趋势。距离煤壁30 m外应力趋于稳定；观察应力监测曲线上的垂直应力分布，可以看出未切顶时，此时巷道实体煤内部的应力峰值为55.9 MPa，明显高于切顶后的应力峰值，当切顶角度为105°时，此时相对于切顶时，巷道应力峰值降低了4.11%；当切顶角度减小至90°、75°、60°和45°时，此时应力峰值相对于未切顶时分别降低了7.19%、18.53%、12.54%、13.97%，可以看出虽然减小切顶角度应力峰值变化趋势呈现先减小后增大的趋势，当切顶角度为75°，此时的应力峰值最小，同时结合图一分析可以得出最佳的切顶角度为75°。

2 应用研究

根据模拟结果，预裂爆破切顶最合理角度为75°，在回采工作面内打设钻孔，在钻孔内部进行装药爆破，爆破采用双向聚能管，达到回采顶板沿着致裂面滑落的效果。炮眼深度设计为17～18 m，孔间距为2 m，钻孔直径为50 mm，炮孔严格按照角度施工，孔间连线为一条直线，对钻孔内部进行装药、封孔，爆破。进行测点布置，按照“十字观测法”对巷道围岩进行变形监测，将测点A、B 布置于巷帮两侧中点，C、D布置于顶底板中点，对巷道顶底板及两帮进行位移变形监测，距工作面不同距离围岩变形量曲线如图3所示。

图3 不同切顶角度下沿空巷道垂直应力分布曲线

如图3 所示可以看出，随着距离工作面距离的不断缩近，此时巷道整体的位移变形呈现出逐步增大的趋势，选取巷道的几个测点，可知在距离回采面10 m范围内时，此时的两帮及顶底板变形量均达到最大值，此时的顶底板总的变形量达到了245 mm，此时的巷道两帮移近量最大值为162 mm，而当监测点距离回采工作面100 m 以上时，此时的回采并不会对整体巷道变形量有较大影响，此时的巷道变形量大值在40 mm 左右，整体巷道变形量得到有效控制。

3 结论

1）切顶角度为75°，此时的采空区上方岩层顺利滑落，填充采空区，从而形成稳定结构，减小了煤柱侧载荷，减小了采空区高位岩层的垮落下沉，保障了巷道的稳定性。

2）减小切顶角度应力峰值变化趋势呈现先减小后增大的趋势，当切顶角度为75°，此时的应力峰值最小。

3）随着距离工作面距离的不断缩近，此时巷道整体的位移变形呈现出逐步增大的趋势，巷道整体变形量得到有效控制。