凌志達礦堅硬頂板切頂卸壓與巷道支護方法研究

張 銀

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046606）

0 引 言

我國井工煤礦開采過程中，厚大堅硬頂板條件煤層在回采過程中極易出現懸頂問題，造成工作面在強礦壓作用下發生冒頂致災風險，以及工作面巷道變形嚴重[1-3]。生產實踐表明對工作面頂板實施切頂卸壓是解決這類問題的主要手段[4-6]，研究這類頂板條件下合理的切頂卸壓及巷道支護方法，對實現工作面安全回采具有重要意義。在這方面研究中，張權為了解決工作面初采期間堅硬頂板垮落困難的難題，以馬脊梁礦8208 工作面初采頂板處理研究為工程背景，提出8208 工作面初采深孔預裂爆破方案。楊志弘指出針對堅硬頂板條件，當頂板厚度較大時，更容易導致巷道變形嚴重，甚至發生冒頂風險，并給出了現場切頂卸壓及預裂爆破方法。李睿峰針對堅硬頂板特厚煤層綜放工作面礦壓顯現強烈及小煤柱臨空巷道變形嚴重問題，提出采用初采前切眼爆破放頂、回風巷爆破切頂卸壓、膠帶巷水力致裂的綜合礦壓治理措施。綜合文獻分析，對堅硬頂板條件圍巖控制，主要采用切頂卸壓方法，以凌志達煤礦15218工作面堅硬頂板條件為工程背景，對堅硬頂板切頂卸壓參數確定及支護方法進行了研究，保證了工作面安全高效開采。

1 工程概況

凌志達煤礦15218 工作面主采15 號煤層，煤層平均厚4.22 m，傾角4°~10°，工作面基本頂板為6.78 m 厚的K2 灰巖，f=14～16，屬于典型的厚硬頂板條件，底板主要為泥巖和細粒砂巖，工作面采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。15218 工作面北側為15220 工作面，南側為15216工作面采空區，巷道斷面尺寸為寬×高= 5.4 m×4.0 m，工作面位置關系見圖1。

圖1 工作面位置關系圖

由于工作面頂板為堅硬灰巖，當頂板中的厚硬巖層在回采后垮落不及時、不充分時，該部分的荷載和傾覆力矩將長期作用在煤柱和巷幫上，最終使得相鄰工作面巷道變形嚴重，表現在兩幫及頂底板的相對移近量明顯增大，給工作面安全回采造成威脅。為此，研究堅硬頂板條件下15218 工作面切頂卸壓與巷道支護方法，對實現工作面安全高效回采至關重要。

2 頂板關鍵層判別

直接頂初次垮落后，隨著回采工作面繼續推進，將引起覆巖關鍵層的破斷與運動。為了研究具體條件下覆巖關鍵層的破斷條件，用于指導切頂參數確定，應對覆巖中的關鍵層位置進行判別。根據關鍵層的定義與變形特征，在關鍵層變形過程中，其所控制上覆巖層隨之同步變形，而其下部巖層不與之協調變形，因而它所承受的載荷已不再需要其下部巖層來承擔。第一層巖層為第一層關鍵層，它的控制范圍達到第n層，則第n+1 層成為第二層關鍵層必然滿足：

式中：qn+1，qn分別為計算到第n+1 層與n層時，第一層關鍵層所受載荷。

其中：

式中：En為第n層巖層彈性模量，MPa；hn為第n層巖層厚度，m；γn為第n層體積力，N/m3。

對于第一層泥巖，E1= 1.16 MPa，h1= 1.34 m，γ1=26 N/m3；對于第二層K2 灰巖，E2= 1.57 MPa，h2= 6.78 m，γ2= 225 N/m3。將相關參數帶入公式（2），可得：

對于第一層泥巖：

對于第二層K2 灰巖：

根據上述計算結果可以看出，q2

式中：li為第i層的破斷距，m；Rt為巖層抗拉強度，kPa。

按兩端固支梁分別計算第一層與第二層巖層的破斷距如下：

通過計算可以看出，l1

3 堅硬頂板切頂卸壓參數確定

3.1 數值模型構建

對于堅硬頂板條件，由于其極限垮落步距大，會將高應力傳導至煤柱及臨近工作面回采巷道，不利于巷道穩定，據此提出對堅硬頂板實施切頂卸壓方法。為得到合理切頂參數，采用FlAC3D數值軟件對厚硬頂板切頂參數合理值進行確定。數值模型尺寸為長×寬×高=250 m×250 m×150 m，模型底部及四周進行位移約束，上部施加載荷等效上覆巖層自重，巖體力學參數見表1。

3.2 數值結果分析

3.2.1 切頂卸壓效果分析

切頂前后垂直應力變化情況見圖2，切頂前高應力集中出現在煤柱內部及巷道兩幫，煤柱內應力峰值達18 MPa，巷道兩幫應力峰值達13 MPa（圖2a）；切頂后對應力傳導起到了明顯的限制作用，煤柱內應力峰值達12.5 MPa，巷道兩幫應力峰值達8.5 MPa，切頂的存在提高了煤柱的承載能力，有利于巷道及煤柱的穩定（圖2b）。

圖2 切頂前后垂直應力分布云圖

切頂前后垂直位移變化情況見圖3，切頂前采空區上方懸頂高度較大，采空區側煤柱垂直位移達450 mm，采空區頂板懸頂較明顯，有繼續向臨近工作面巷道發展的趨勢（圖3a）；切頂后采空區上方懸頂高度顯著減小，采空區側煤柱最大垂直位移達210 mm，切頂對煤柱頂板下沉起到了明顯的限制作用（圖3b）。

圖3 切頂前后垂直位移分布云圖

綜合分析，對工作面頂板實施切頂卸壓后，能夠在一定程度上切斷高應力傳導路線，使應力發展不會朝向煤柱及臨近工作面巷道，有利于巷道及煤柱的穩定，對堅硬頂板實施切頂卸壓可以取得良好的卸壓效果。

3.2.2 合理切頂角度確定

對于堅硬頂板條件，部分研究成果表明，合理的切頂角度在10°~20°范圍內[10-12]，研究選取切頂角度分別為10°、15°、20°3 種工況進行模擬分析。結合前述關鍵層理論分析結果，切頂高度應不小于8.12 m，這里給定切頂高度為9 m。工作面回采后，不同切頂角度下煤柱應力變化情況見圖4。隨著與巷道距離的增加，煤柱所受應力呈現先增加后減小變化趨勢，應力峰值出現在距巷道10.5 m 的煤柱內部，分別為13.3、12.4、13.8 MPa，隨著切頂角度的增加，煤柱內應力峰值表現為先減小后增加，當切頂角度為15°時，煤柱所受應力整體較小，卸壓效果最佳，由此確定合理切頂角度為15°。

圖4 不同切頂角度煤柱垂直應力變化曲線

3.2.3 合理切頂高度確定

根據前述分析結果，切頂高度不應小于8.12 m，研究選取切頂高度分別8、9、10 m 的3 種工況進行模擬分析，切頂角度選取為15°。工作面回采后，不同切頂高度下煤柱垂直應力變化情況見圖5。隨著與巷道距離的增加，煤柱內垂直應力整體表現為先增加后減小特征，當切頂高度為8 m 時，煤柱內垂直應力峰值達13.5 MPa，顯著高于后2 種工況；當切頂高度分別為9、10 m 時，煤柱內垂直應力呈現交替變化特征，應力峰值分別為12.6、12.5 MPa，整體變化趨勢不明顯，說明當切頂高度達到一定數值后再繼續增加，并不能取得更好的切頂效果，綜合考慮鉆孔施工成本，確定合理切頂高度為9 m。

圖5 不同切頂高度煤柱垂直應力變化曲線

4 堅硬頂板切頂卸壓與巷道支護方法

4.1 切頂卸壓方法

研究提出采用超前預裂切縫技術對堅硬頂板實施切頂卸壓，由于15 號煤層基本頂為K2 灰巖，巖性堅硬，結合礦井實際情況，選用三級煤礦許用乳化炸藥，每卷炸藥規格為φ35 mm×200 mm。單個切縫卸壓爆破孔裝藥量按下式確定：

式中：W為單孔裝藥量，kg；L為切縫孔深，m，取9 m；μ為裝藥系數，取0.8；ρ為裝藥密度，kg/（孔·m），取0.3 kg/（孔·m）。

將相關參數帶入公式（8），得到單孔裝藥量為16 kg。為提高裝藥效率和爆破效果，裝藥時采用抗靜電阻燃的聚能管，采用“O”型聚能管，考慮到其外壁鉆孔質量等因素的影響，單根聚能管長度一般1.0～2.0 m，深孔預裂爆破選用單根長度分別為1.5、2.0 m 的聚能管，采用黃沙、黃泥進行封孔。切頂卸壓鉆孔巖巷道頂板中心區域打設，與巷道頂板垂線呈15°夾角，炮孔間距1.0 m，直徑60 mm，深度9 m。為了確保炮眼內藥包的完全引爆，采用正向裝藥，多雷管引爆。每孔使用10 m 聚能管，最后用水炮泥消焰，炮泥封孔。封孔時注意對爆破母線的保護，防止其磨損與絞纏，母線懸掛至孔壁上側，并固定好。每孔裝藥量為10 kg，雷管10 發。雷管在孔內采用串聯連接，放炮母線必須絕緣良好，并且懸空吊掛。

4.2 切頂巷道支護方法

1）頂板支護。巷道頂板采用“錨桿+金屬網+錨索”聯合支護。頂錨桿為φ20 mm×2400 mm 高強度無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1 200 mm×1 400 mm，每排布置5 根錨桿，靠近巷幫的頂板錨桿距幫部300 mm，且與頂板成15°角；頂板鋪設φ2.6 mm勾花菱形鐵絲網，網片規格1 100 mm×10 000 mm，網片搭接長度為100 mm。頂錨索為φ17.8 mm×5 300 mm 的低松弛預應力鋼絞線錨索，每排1 根錨索，排距1 600 mm，錨索預緊力不低于175 kN。

2）兩幫支護。兩幫采用“錨桿＋金屬網＋鋼筋梯子梁+錨索”聯合支護。幫錨桿φ20 mm×2 000 mm高強度無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm，每排打設4 根，錨桿與巷幫垂直布置；在安裝錨桿的位置焊接2 道縱筋，縱筋間距150 mm，以便安裝錨桿，鋼帶壓網；煤柱幫每排補打2 根φ17.8 mm×4 500 mm 的低松弛預應力鋼絞線錨索，間排距為1 600×2 000 mm；巷道幫部采用鐵絲網鋪設，鋪設φ2.6 mm 勾花菱形鐵絲網，用16 號鐵絲每200 mm 綁扎一道，巷道支護斷面如圖6 所示。

圖6 巷道支護斷面圖

5 工程應用效果分析

針對凌志達礦工作面堅硬硬頂條件，研究提出的堅硬頂板切頂卸壓及巷道支護技術在工作面巷道進行了工程實踐，并對方案實施前后巷道變形情況進行了監測，結果如圖7 所示。方案實施前，巷道變形穩定后頂板最大下沉量為415 mm，底板最大底鼓量為260 mm，煤柱幫最大移近量為410 mm，回采幫最大移近量為310 mm，嚴重制約了礦山安全生產；方案實施后，沿空巷道變形顯著下降，巷道變形穩定后頂板最大下沉量為236 mm，底板最大底鼓量為178 mm，煤柱幫最大移近量為262 mm，回采幫最大移近量為195 mm，。綜合對比分析，頂板下沉量降低了43.1%，底板底鼓量降低了31.5%，煤柱幫移近量降低了36.1%，回采幫移近量降低了36.2%，巷道變形得到了良好控制。

圖7 巷道變形監測結果

6 結 論

1）通過理論分析，凌志達礦15218 工作面頂板第二層K2 灰巖為關鍵層，由于頂板泥巖與K2 灰巖總厚度達8.12 m，為此對于堅硬頂板切頂卸壓參數的選擇，應保證切頂高度大于8.12 m。

2）通過數值模擬分析，對工作面頂板實施切頂卸壓后，能夠在一定程度上切斷高應力傳導路線，使應力發展不會朝向煤柱及臨近工作面巷道，有利于巷道及煤柱的穩定，確定合理切頂高度為9 m，合理切頂角度為15°。

3）研究提出了在巷道頂板中部實施超前預裂爆破切頂卸壓方法，以及“錨桿＋金屬網＋鋼筋梯子梁+錨索”的巷道聯合支護技術。通過現場實踐，頂板下沉量降低了43.1%，底板底鼓量降低了31.5%，煤柱幫移近量降低了36.1%，回采幫移近量降低了36.2%，巷道變形得到有效控制。