孤岛面切顶卸压沿空掘巷覆岩移动规律研究

孤岛面切顶卸压沿空掘巷覆岩移动规律研究

罗 通 1 刘向红 2

1.淮北矿业集团许疃煤矿，安徽 淮北 235199； 2.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000

摘要：针对孤岛工作面在掘巷过程中，存在矿压显现剧烈、巷道围岩变形严重的难题，对其开展切顶卸压沿空掘巷覆岩移动规律研究。对沿空巷道顶板实施超前定向预裂技术，采用3DEC数值模拟，研究了超前切顶对巷道顶板运移影响。当切顶角度5°，切顶深度18m，煤柱预留宽度10m时，围岩顶板变形量降低显著。为孤岛工作面采空区掘进巷道变形控制设计与施工提供理论依据和技术支持。

关键词：孤岛工作面；切顶卸压；切顶参数；3DEC；围岩变形

中图分类号：TD712 文献标志码：A

近年来，随着煤矿开采深度不断增加，为了保证煤矿生产和工作面的连续性，并且考虑到工作面防治煤层自燃和瓦斯的需要，采区内各工作面之间常采用跳采接替工作面的方式，从而导致孤岛面普遍存在于各个矿区。而孤岛工作面常被定义为巷道两侧均为采空区，或停采线一侧为采空区，另一侧为断层的工作面^[1-2]。孤岛面回采过程中，应力集中程度高，矿压明显^[3-4]。孤岛工作面研究的重点就是孤岛工作面回采巷道围岩控制问题。秦忠诚等^[5]以东滩煤矿孤岛工作面为研究对象，提出了巷道围岩结构理论和控制理论，针对跨采巷道破坏变形情况，实施了有效的支护措施。张书国^[6]以河北某矿孤岛工作面为研究对象，通过理论和数值计算确定煤柱尺寸和支护参数，验证了沿空掘巷的巷道围岩控制技术的有效性。

目前安全高效开采孤岛工作面存在以下不可避免的难题：(1)普通支护手段对孤岛面开采引起的应力集中条件下的巷道围岩变形难以形成有效控制，从而影响整个工作面的推进速度；(2)孤岛工作面开采引起的覆岩结构急剧调整对支护、防治水、地表沉陷控制均具有重大影响。

1 工程概况

所选试验区为工作面埋深超过500m，煤层厚6.1m。其工作面煤层上部依次为2.5m砂质泥岩、6.0m细砂岩和5.2m泥岩，煤层下部是3.3m泥岩和9.8m粉砂岩。如图1所示，试验区运巷在掘进过程中顶板来压剧烈，煤柱破碎区范围扩展，出现了巷道围岩变形量剧增，在局部产生了鼓包甚至冒顶现象，多处出现锚杆索破断的问题，严重制约了生产进度。本文根据所选试验区地质条件，通过数值模拟手段，对孤岛面切顶卸压沿空掘巷覆岩移动规律进行研究。

图1 孤岛工作面俯视图

2 孤岛面超前切顶结构优化

2.1超前切顶卸压技术原理

为有效控制孤岛面工作过程中巷道围岩强烈变形，在试验区巷道顶板实施超前预裂爆破技术^[7-8]。实施该技术可隔断巷道顶板与采场上部岩层的相互作用，随外力作用下顶板岩层会沿预裂面断落，从而降低预留煤柱和风巷上覆岩层压力，使围岩变形量减少，最终实现风巷稳定工作。同时还可以解决采空区瓦斯积聚、瓦斯突出及应力集中对近距离煤层开采引起的动力灾害问题^[9]。

图2 超前切顶卸压正视图

2.2切顶结构优化数值分析

根据实验选取位置地质条件，使用3DEC数值模拟建立孤岛工作面计算模型。模型长宽高分别为120mx100mx45m。模型的垂直方向沿着z轴。根据模型的对称性，开挖计算取工作面长度的一半。采空区巷道宽5m，高3.5m。工作面埋深为500m，模型顶部施加12.5MPa的地应力。模拟四个垂直面法向位移为零，底部垂直位移为零。

图3为煤柱预留宽度10m时切顶前后对比图，具体切顶参数选取切顶角度5°，切顶深度18m。考虑采动影响下切顶前后对巷道顶板下沉量影响，如图4可知，巷道顶板切顶前，在采动应力影响下巷道顶板的最大变形量可以达到1310mm；巷道顶板切顶后，在采动应力影响下巷道顶板最大变形量可以达到370mm。采用切顶卸压技术，使巷道顶板沉降量减少至原来的54％。

3 现场应用效果

根据现场施工条件及岩石性质，研究提出了符合煤井施工要求的切顶爆破技术参数。顶板切割爆破采用聚能装置，包括聚能炸药管和炸药，其中聚能炸药管外径40mm，壁厚2mm，每段2m，对开孔180°，孔径4mm，间距8mm。炸药采用满足煤矿瓦斯等级的矿用水胶炸药，药卷直径35mm，炮孔角度设计向工作面方向偏转5°。在试验区工作面采完部分取60m的试验区段，布置彼此相距20m的3个测站，具体位置见图1。

4 结语

针对所选试验区深部复杂围岩沿空掘巷出现的技术问题，提出了沿空掘巷超前切顶卸压支护技术。采用数值模拟和现场试验相结合的方法，基于数值模拟结果可得出巷道顶板最优切顶参数建议为：切顶角度5°，切顶深度18m，煤柱预留宽度10m。为现场实施提供技术指导，有效减小了巷道顶板沉降量与两帮移进量，对围岩变形控制效果显著，提高巷道整体稳定性。

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