切顶卸压护巷技术在斜沟矿的应用实践研究

曹勇强

（山西西山晋兴能源有限责任公司， 山西 吕梁 033600）

随着矿井采掘高强度的开采，采掘深度的不断延伸，易开采的煤层存量已经不多，煤层的开采已经逐步从易开采煤层向难开采煤层转变。坚硬顶板难垮难落一直是我国矿山面临的重要难题，由于坚硬顶板难垮难落造成大面积的悬顶，悬顶一旦垮落会造成巨大的冲击地压，对煤矿的机械设备和人员安全造成极大的威胁。同时大面积的悬顶会加大护巷煤柱的尺寸，降低了煤矿的经济效益。所以对坚硬顶板的治理十分重要。此前孙广京[1]等对深井特厚煤层工作面强烈动压区安全开采技术进行研究，通过分析冲击地压的形式，提出了削弱静载荷、降低动载荷、增加巷道的抗冲能力、对冲击危险性的监测进行预警四个方案对冲击地压进行了治理。李跃文[2]通过理论研究和矿震的监测得出了坚硬顶板和采掘扰动及断层构造对巷道的掘进过程冲击灾害的影响。结并提出了切顶卸压来治理坚硬顶板的方法。刘小虎[3]对厚煤层坚硬顶板下区段煤柱合理留设进行了研究，通过理论分析和数值模拟对煤柱的宽度进行了一定的研究，对针对坚硬顶板的煤柱设定提供了方案。本文对坚硬顶板的机理研究，通过采取切顶卸压对坚硬顶板的治理，提出针对性的治理方案。

1 矿井概况

斜沟矿位于山西省兴县北50 km 处，矿区南北长约2 km，东西宽约3～4 km，矿井面积约88.6 km2矿井设计生产能力15.0 Mt/a。23111 综放工作面位于斜沟矿21 采区南翼东侧，紧邻矿界保护煤柱，工作面南侧为实煤区，西侧为已回采完毕的23101 工作面，水平标高+700 m，开采煤层为太原组8 号煤层，煤层厚度5.40～6.60 m，平均厚度5.98 m，受南工作面回采影响，巷道多次受压。由于巷道的煤柱松软造成巷道大变形，其中两帮的变形量最高可达2 m。23111 工作面在回采完成后，受到工作面的动压影响，部分23111 工作面段的巷道变形较为严重，所以计划在23111 工作面回采及末采期间，采用深孔爆破技术对坚硬顶板进行预裂[4]。

2 切顶卸压数值模拟研究

斜沟矿为了研究不同停采线的留设煤柱宽度对巷道的影响，采用FLAC 3D 数值模拟软件对此进行分析。为保护巷道的稳定性，对巷道的顶板进行切顶卸压，建立模型的尺寸为140 m×2 m×100 m，对模型的边界进行约束，限制模型的XY 的方向位移。对模型进行网格刨分，网格的划分对计算的精确性有着较大的关联，如若模型的网格划分过细，模型的计算时间较长，模型网格划分较少时，降低了模型的精确度，所建立切顶和未切顶模型示意图如图1 所示。

图1 切顶和未切顶模型示意图

结合斜沟矿的地质条件对模型各层参数进行设定，并根据实际情况对模型的上端部进行载荷设定，根据上覆岩层的属性计算出载荷设定为7.4 MPa。为了研究切顶和未切顶的围岩变形量[5]，从图1 中可以看出，在选定巷道的支护煤柱宽度为20 m 的前提下，在未进行切顶的模拟中，左帮的移近量最大值为150 mm，右帮的移近量最大值为168 mm，所以两帮的移近量为318 mm，巷道的顶板下沉量为175 mm，最大的底鼓量为35 mm。而从进行了切顶卸压的模型模拟的结果可以看出，左帮的移近量最大值为115 mm，右帮的移近量最大值为130 mm，所以两帮的移近量为245 mm，巷道的顶板下沉量为148 mm，最大的底鼓量为30 mm。对比可以看出切顶卸压后的巷道变形量明显较小，两帮的移近量减少了73 mm约为25%，顶板和底板的移近量减少了13%，所以切顶卸压可以有效的减小巷道的变形量，减少巷道的支护成本，提高了矿井的经济效益。切顶和未切顶的巷道变形量如图2 所示。

图2 切顶和未切顶的巷道变形量（20 m）

为对不同护巷煤柱尺寸下的巷道变形对比分析，在选定巷道的支护煤柱宽度为30 m 的前提下，在未进行切顶的模拟中，左帮的移近量最大值为133 mm，右帮的移近量最大值为130 mm，所以两帮的移近量为263 mm，巷道的顶板下沉量为145 mm，最大的底鼓量为37 mm。而从进行了切顶卸压的模型模拟的结果可以看出，左帮的移近量最大值为109 mm，右帮的移近量最大值为110 mm，所以两帮的移近量为219 mm，巷道的顶板下沉量为110 mm，最大的底鼓量为24 mm[9]。对比可以看出切顶卸压后的巷道变形量明显较小，两帮的移近量减少了44 mm 约为17%，顶板和底板的移近量减少了26%。对比不同护巷煤柱的宽度下的巷道变形量可以看出，随着支护煤柱的尺寸的增大巷道变形量明显减少。在未切顶的巷道模拟情况下，较煤柱尺寸20 m的煤柱，煤柱宽度30 m 的煤柱巷道的两帮移近量减少了52 mm，顶板底板的移近量减少了32 mm，而在切顶卸压后的两帮移近量减少了25 mm，可以看出经过切顶卸压后的巷道变形量从煤柱的宽度20 m到煤柱宽度30 m 的效果有了明显的下降，所以治理巷道额变形不能一味的加大煤柱的宽度，应当取煤柱的宽度和切顶卸压的合理值。巷道的支护煤柱30 m 下的切顶和未切顶的变形量如图3 所示。

图3 切顶和未切顶的巷道变形量（30 m）

3 监测效果分析

斜沟矿选取23111 工作面巷道进行支承压力监测，利用GMC-20 型压力传感器对次进行监测，每两个小时进行一次监测，对煤层的超前支撑压力进记录分析，在皮带的顺槽超前工作面的100 m 处安排一个测站，测站内部布置7 个监测点，监测点的布置应当距离工作面的长度逐步减少，眼深的直径为42 mm，对监测后的数据进行分析，由于俩个监测点的数据监测有误，所以仅对5 个点的监测数据进行统计分析，监测点的记录数据如下图4 所示。

图4 支撑压力的监测图

由支撑压力监测图可以看出，在1 号测点距工作面73 m 左右时，支撑压力为7.5 MPa，随着1 号测点距离工作面的距离逐步缩减的过程中，支撑压力逐步增高，当1 号测点距离工作面9.5 m 时支撑压力最大达到了15.8 MPa，随后在测点距离工作面的长度再度缩短后支撑压力迅速降低，当距离工作面小于1 m 时，此时的支撑压力最小为4.12 MPa。2 号测点在距离工作面72 m 左右时，支撑压力为7.1 MPa，随着测点距离工作面的距离的缩进，支撑压力缓慢上升，在测点距离共勉10 m 附近时，支撑压力达到最大值16.9 MPa，后随着距离的减小支撑压力迅速减小降到了3.2 MPa，4 号测点和6 号测点及7 号测点都呈现出类似的趋势，在70 m 附近时，支撑压力开始上升，当测点距离工作面的距离在10 m 附近时，支撑压力都到达最大值，随着测点距离工作面的距离的减小支撑压力开始迅速下降，来到最小值。所以测点的支撑压力峰值分别出现在9.5～10.2 m 的范围内，而影响的距离一般为工作面走向的70 m 附近[6]。

4 结论

1）斜沟矿为了分析23111 工作面切顶卸压的效果，采用FLAC 3D 数值模拟软件对巷道的两帮移近量和顶板底板的移近量进行了分析研究，发现在预留煤柱20 m 下的切顶后的巷道两帮移近量减少25%，顶板底板移近量分别减少了16%，取得了良好的效果。

2）通过对不同的预留煤柱宽度下切顶卸压的效果分析发现，随着煤柱的尺寸增加，巷道的变形量有效地降低，但切顶卸压的效果得到了削减，所以适当地考虑煤柱的宽度和切顶卸压的应用，可以有效地降低巷道的变形量。同时，通过对现场超前的支撑压力进行动态监测，可以看出超前支撑压力峰值分别出现在9.5～10.2 m 的范围内，而影响的则在距离工作面走向的70 m 附近。