150205工作面切顶卸压...煤柱自成巷技术关键参数研究_闫彦光.pdf

902023 年第 5 期150205 工作面切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究闫彦光（山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司，山西 左权 032600）摘 要 以宏远煤业 150205 工作面为案例，采用理论分析和 FLAC3D数值模拟方法确定切顶卸压无煤柱自成巷技术中合理切顶高度为 6 m、合理切顶角度为 15。结果表明：在合理切顶高度和切顶角度条件下，顶板岩层随采随冒，矸石充填采空区，无明显悬顶现象发生，切顶卸压效果及顶板岩层变形效果理想。关键词 110 工法；切顶卸压；切顶高度；切顶角度中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.030Research on Key Parameters of Roof Cutting Pressure Relief and Non Coal Pillar Self Formed Roadway Technology in the 150205 Working FaceYan Yanguang(Shanxi Coal Import and Export Group Zuoquan Hongyuan Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Zuoquan 032600)Abstract:Taking the 150205 working face of Hongyuan Coal Industry as a case,theoretical analysis and FLAC3D numerical simulation methods are used to determine the reasonable roof cutting height of 6 m and the reasonable roof cutting angle of 15 in the technology of self formed roadway without coal pillars for roof cutting pressure relief.The engineering application results show that under reasonable conditions of roof cutting height and roof cutting angle,the roof rock strata rises with mining,and the falling gangue fills the goaf space without obvious suspended roof phenomenon.The roof cutting pressure relief effect and roof rock strata deformation effect are ideal.Key words:110 construction method;roof cutting pressure relief;roof cutting height;roof cutting angle 收稿日期 2022-11-02作者简介 闫彦光（1986），男，山西古交人，2010 年毕业于山西大同大学，本科，采矿工程师，研究方向：采矿工程方面的技术与管理工作。闫彦光：150205 工作面切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究闫彦光：150205 工作面切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究1 工程概况山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司位于山西省晋中市左权县寒王乡平王村，井田面积9.340 2 km2，井田共划分为 5 个采区。设计生产规模 1.20 Mt/a，目前核定生产能力为 90 万 t/a，为煤与瓦斯突出矿井，矿井水文地质类型为中等。左权宏远煤业 150205 工作面位于采区的西侧，开采 15#煤层，其埋深 519563 m，平均煤厚 3.6 m，设计采宽 150 m，推进长度 925 m。150205 工作面采用长壁放顶煤采煤方法，全部垮落法管理采空区顶板，高抽巷距离 150205 工作面垂直距离为 2130 m。工作面布置情况如图 1。图 1 150205 工作面布置情况示意图150205 工作面采用“110 工法”1-6，将以往传统的一面双巷调整为一面单巷，取消了区段煤柱减小采掘比，实现无煤柱开采。为此，需进行关键参数的研究。2 切顶卸压无煤柱自成巷关键技术2.1 切顶卸压无煤柱自成巷技术的工艺流程切顶卸压无煤柱自成巷技术的工艺流程如图2，主要包括：1）使用以恒阻大变形锚索为主体的系列新材料进行支护；2）以切顶卸压定向爆破技术进行预裂爆破；3）单体支柱进行临时支护；4）挡912023 年第 5 期闫彦光：150205 工作面切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究闫彦光：150205 工作面切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究矸支护。图 2 切顶卸压无煤柱自成巷技术工艺流程示意图2.2 关键技术参数分析在切顶卸压无煤柱自成巷技术中，工作面采用预裂切顶爆破技术可有效切断巷道顶板与采空区顶板之间的力学联系，实现卸压效果，保障沿空留巷围岩稳定。在实施预裂切顶爆破作业中切顶高度、切顶角度为关键参数，对其选值必须进行优化。2.2.1 预裂爆破切顶高度切顶卸压无煤柱自成巷技术中切缝高度设计参数应满足垮落矸石初始碎胀平衡方程，如公式（1）：HF=（HM-H1-H2）/（K-1）（1）式中：HF为切顶高度，m；HM为煤层采高，采高 2.8 m；H1为顶板下沉量，取 0.2 m；H2为底鼓量，取 0.2 m；K 为岩层碎胀系数，取 1.41。计算得到切顶高度为 5.9 m。基于 150205 工作面地质条件，采用 FLAC3D建立数值模型，模型为水平模型，模型尺寸：300 m200 m60 m。模型岩层力学参数见表。表 1 模型煤岩物理力学参数煤岩名称岩性描述厚度/m密度/（kg/m3）体积模量/MPa剪切模量/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/（）黏结力/MPa上覆岩层细粒砂岩8.672400800040002.5358基本顶中粒砂岩17.82500840050002.873312直接顶细粒砂岩1.7240075002400234.57.8煤煤3.61300200010000.7301.1直接底砂质泥岩6.22300500024001.5344基本底中粒砂岩2.425005600570043610基本底下砂质泥岩102300520025001.5344根据需求设置四种方案，应用 FLAC3D模拟软件实施数值模拟，设计方案见表 2。表 2 切顶高度设计方案项目爆破方案爆破孔深度/m方案一未实施定向预裂爆破/方案二实施定向预裂爆破4方案三实施定向预裂爆破6方案四实施定向预裂爆破8通过对以上四种方案情况下巷道围岩垂直应力及位移分布情况数据分析可知：1）方案一 方案四不同情况下巷道最大垂直应力分别为 38.9 MPa、33.6 MPa、26.8 MPa、27.6 MPa，最大垂直位移分别为 657 mm、558 mm、496 mm、620 mm。2）切顶高度为 4 m、6 m、8 m 时，实体煤帮内部最大垂直应力表现为先降低后略增加趋势，切顶高度为 6 m 最大垂直应力峰值最小为 26.8 MPa。3）切顶高度为 4 m、6 m、8 m 时，巷道顶板最大垂直位移表现为先降低后略有增加的趋势，切顶高度为 6 m 最大垂直位移峰值最小为 558 mm。综上所述，切顶（预裂爆破孔深度）高度为 6 m 时，切顶卸压无煤柱自成巷技术的卸压效果较好，可有效控制巷道顶板岩层变形量。2.2.2 预裂爆破切顶角度根据 150205 轨道巷的实际情况，采用公式计算理想情况下的切顶角度应该在 10 15。为确定合理的预裂爆破切顶角度，设置了、10、15、20四种方案，采用 FLAC3D模拟软件实施数值模拟。从不同预裂爆破切顶角度模拟得到的垂直应922023 年第 5 期力与位移数据可知：1）切顶角度为、10、15、20时，工作面回采后应力峰值向煤体深处转移，垂直应力峰值分别为 31.5 MPa、28.6 MPa、28.2 MPa、34.7 MPa，顶板垂直位移峰值分别为542 mm、524 mm、513 mm、570 mm。2）切顶角度10、15时切顶卸压效果最好，切顶角度为5、20时切顶卸压效果较差。综合 150205 轨道巷现场施工条件，为便于施工作业，确定预裂爆破合理的切顶角度为 15。3 工程应用及效果分析3.1 工程应用为有效保障预裂爆破效果，进行了爆破方案试验。150205 轨道巷顶板预裂爆破切顶高度设置为 6 m，每个预裂爆破孔安装 3 根聚能管，聚能管布置为 1.5+1.5+1，孔口封泥长度 2 m，提出 5 组不同的爆破方案进行现场试验，方案见表 3。表 3 150205 轨道巷顶板预裂爆破方案项目装药方式爆破方式爆破方案一3+2+1间孔爆破间隔一孔爆破方案二3+3+1双孔爆破间隔一孔爆破方案三3+3+2三孔爆破间隔一孔爆破方案四3+3+1四孔爆破间隔一孔爆破方案五3+3+2四孔爆破间隔一孔经过在生产现场的试验，方案四（装药方式为3+3+1、爆破方式为四孔爆破间隔一孔）预裂爆破效果最佳，如图 3。（a）最佳爆破效果窥视 （b）四孔装药爆破间隔一孔（c）最佳装药量图 3 爆破方案四及窥视效果示意图3.2 效果分析采用上述卸压无煤柱自成巷技术关键参数及最佳爆破方案对 150205 工作面进行现场施工，150205轨道巷顶板预裂效果较好。从现场观测可知，在预裂爆破作用下顶板岩层随采随冒，矸石充填采空区，无明显悬顶现象出现，有效防止了冒顶、工作面来压等因素导致的压坏支架等问题出现。150205 工作面实施“中厚煤层切顶卸压无煤柱自成巷”及“预裂爆破切顶高度 6 m+切顶角度 15”的设置方案是合理可行的，切顶卸压效果良好。4 结论宏远煤业 150205 为中厚煤层工作面，针对性设计了切顶卸压无煤柱自成巷开采技术工艺流程，理论分析和 FLAC3D数值模拟方法确定了合理切顶高度为 6 m、合理切顶角度为 15，最佳爆破方式为四孔联爆间隔一孔，装药方式为 3+3+1。工程应用结果表明，150205 轨道巷顶板预裂效果理想。【参考文献】1 张鸿.切顶卸压自动成巷无煤柱开采支护工艺优化 J.现代矿业，2022，38（06）：74-77.2 张海斌.曙光煤矿切顶卸压无煤柱自成巷开采技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（05）：61-63.3 郭晖.店坪煤矿切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术应用 J.山东煤炭科技，2021，39（09）：31-33.4 胡超文，王俊虎，何满潮，等.中厚煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术关键参数研究 J.煤炭科学技术，2022，50（04）：117-123.5 张彦.深井无巷旁充填切顶卸压沿空留巷关键切顶参数及围岩控制研究 D.淮南：安徽理工大学，2019.6 李刚.宏远煤业 150202 工作面巷道布置及支护技术研究 J.煤矿现代化，2019（03）：84-86.