1、第 10 期 山 西 焦 煤 科 技 No.102023 年 10 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologyOct.2023试验研究收稿日期:2023-07-10作者简介:赵伟(1990),男,山西晋城人,2013 年毕业于山西大同大学,助理工程师,主要从事煤矿采掘技术管理工作(E-mail)wateright 坚硬顶板切顶卸压及沿空留巷支护方法研究赵伟(山西兰花科技创业股份有限公司 大阳煤矿分公司,山西晋城048000)摘要针对坚硬顶板巷道存在的冒顶风险及变形严重问题,采用数值模拟与现场试验相结合的方法对亿欣煤矿 1306 工作面坚硬顶板条件下的切顶卸压技
2、术及其沿空留巷支护方法进行研究。研究结果表明:随着切顶高度的增加,顶板卸压区域也随之增大,煤帮及顶板所受最大应力及变形量逐渐减小;随着切顶角度的增加,围岩应力与顶板位移均呈现增加趋势。确定合理切顶高度与角度分别为 10 m 与 15;“2+3+4+4+3+2”预裂爆破方式,切顶裂缝率达到 85%以上,效果良好;留巷前期采用“梁+单体支柱”支护,对于工作面“丁”字口位置,采用加密恒阻锚索支护技术,可有效改善支护效果。关键词坚硬顶板;切顶卸压;沿空留巷;预裂爆破;支护中图分类号:TD353文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)10-0032-05随着煤炭资源开发不断向深部发展,复杂
3、地质条件及高应力环境往往导致煤巷变形严重,支护效果不佳及巷道维修繁重等一系列问题,特别是坚硬顶板岩层,容易导致冒顶灾害发生1-3.对于长臂式采煤工作面,如果留设大厚度煤柱,造成资源浪费严重,如果掘进速度滞后于回采速度,易导致产能无法有序衔接,为此切顶卸 压无煤柱自 成巷 开 采 技 术 应 运 而生4-6.在这方面研究中,王传绳7指出在低瓦斯、无冲击地压、近水平的薄及中厚煤层中,采用切顶卸压技术进行沿空留巷,技术可行与经济合理;郑立军等8采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对切顶卸压巷道顶板运动规律进行研究;周宏范等9对切顶卸压与柔模支护技术进行集成创新,留巷效果良好。综合文献分析,对于切顶卸
4、压沿空留巷的分析,主要集中在浅埋及破碎顶板条件的研究,而对于坚硬顶板条件有待进一步分析。本文以亿欣煤矿坚硬顶板工作面回采为工程背景,对切顶卸压关键参数确定及支护方式进 行研究,保证 该矿 工 作 面 安 全 高 效开采。1工程概况亿欣煤矿 15#煤层厚 1.8 2.8 m,属稳定可采煤层,1306 工 作 面 标 高 978 964 m,工 作 面 倾 向 长200 m,走向长 455 m,工作面倾角 3 8,长壁式采煤方法,垮落法控制顶板。工作面采用“110”工法自动成巷技术,将“一面双巷”改变为“一面单巷”采掘模式,即每采掘一个工作面只需掘进一条巷道,而另一条采用切顶卸压自动成巷10.该矿
5、设计沿空留巷455 m,1306 工作面情况见图 1.图 11306 工作面平面图根据巷道钻孔窥视结果,对于 1213 巷不同位置的顶板灰岩,厚度在 812 m,且在 4.5 m 处原生节理发育,由于顶板比较坚硬,可能出现大面积冒顶风险,需从技术层面系统研究切顶卸压开采中切顶参数及巷道支护问题,以实现安全高效开采。2切顶卸压数值模拟分析在切顶卸压自动成巷过程中,顶板结构的调整会出现大变形,巷道围岩将会发生屈服甚至塑性流动,利用 FLAC3D 软件能够较好地模拟出切顶条件下巷道围岩应力变形特征,得出合理的切顶参数,为后续支护设计提供指导。考虑到模型边界效应,三维模型尺寸为长 2504 m宽 25
6、0 m高 120 m,网格共划分354 300 个单元,模型底部和四周进行位移约束,顶部施加载荷等效上覆岩层自重,矿山岩体力学参数见表 1.2.1切顶高度对矿压的影响为分析切顶高度对矿压的影响,分别模拟切顶高度为 6 m、8 m 与 10 m 时围岩应力与位移变化情况,模拟结果见图 2,3,4.对于 6 m 切顶高度,沿空巷煤帮侧应力最高达 42.5 MPa,顶板上方卸压区显著,该区域应力最高达 22.5 MPa;同时对顶板位移发展起到了一定的限制作用,顶板最大位移达 650 mm,顶板下沉量较大。对于 8 m 切顶高度,沿空巷煤帮侧应力最高达40 MPa,顶板上方卸压区进一步扩大,该区域应力
7、最高达 17.5 MPa;顶板最大位移达 400 mm,顶板变形量较 6 m 切顶高度有了明显的降低,围岩变形进一步得到控制。表 1岩体力学参数表岩层厚度/m抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/()容重/(kg m-3)灰岩162.581.870.184.2520.00256015#煤2.41.601.290.382.4021.901290细砂岩0.52.124.340.154.0015.422500泥岩1.81.81.350.222.8021.901290铝土质泥岩18.21.891.350.222.8014.002120图 26 m 切顶高度应力、位移云图图 38
8、 m 切顶高度应力、位移云图对于 10 m 切顶高度,沿空巷煤帮侧应力最高达35 MPa,顶板上方卸压区最为显著,该区域范围进一步扩大,应 力 最 高 达 12.5 MPa;顶 板 最 大 位 移 达250 mm,顶 板 变 形 量 较 8 m 切 顶 高 度 降 低 约150 mm,顶板变形得到了良好的控制。综合分析,随着切顶高度的增加,顶板卸压区域332023 年第 10 期赵伟:坚硬顶板切顶卸压及沿空留巷支护方法研究也随之增大,两者呈正比例变化关系,同时煤帮及顶板所受最大应力逐渐减小,围岩变形量也随之降低;较大的切顶高度值更有利于巷道围岩的稳定,实际工程应用中选取 10 m 切顶高度较为
9、合理。图 410 m 切顶高度应力、位移云图2.2切顶角度对矿压的影响切顶角度对巷道顶板变形发展具有一定影响,选取切顶高度 10 m,分析切顶角度分别为 0、15与 30条件下围岩的应力及位移变化情况。0切顶角度数值结果见图 4,15、30条件下数值结果分别见图 5,6.对于 15 切 顶角度,沿空 巷煤帮侧应 力最高达38 MPa,顶板上方卸压区显著,该区域应力最高达15 MPa;顶板最大位移达 360 mm,主要出现在近采空区侧,同时位于该侧的低应力区范围要大于 0切顶角度,更有利于采空区顶板的垮落。图 515切顶角度应力、位移云图图 630切顶角度应力、位移云图对于 30切顶角度,沿空巷
10、煤帮侧应力最高达42.5 MPa,顶板上方卸压区所在范围的应力最高达20 MPa;顶板最大位移达 455 mm,主要出现在近采空区侧。相比较前两种切顶角度,围岩应力及顶板位移均有较大的增加,表明围岩变形量也随着增加,不利于巷道围岩的稳定。综合分析,随着切顶角度的增加,围岩应力及顶板位移均呈现增加趋势,达到一定程度后(30切顶角度),将不利于巷道围岩的稳定。0切顶条件下,采空区侧顶板位移较小,如果顶板断裂冒落不充分,将导致较大的应力区域产生,发生垮塌灾害;30切顶条件下,顶板围岩变形较大,不利于巷道的稳定;15切顶角度下,产生的位移及大范围的低应力区更有利于顶板充分垮落,对顶板岩层起到很好的支撑
11、作用。为此,适当的切顶角度有利于顶板充分垮落,对于该巷道切顶角度选取 15.3预裂切顶试验分析考虑到该矿为坚硬顶板条件,需对预裂切顶效果43山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期进行 试 验 分 析,根 据 数 值 分 析 结 果,切 顶 高 度 取10 m,切顶角度取 15.在 1306 辅巷内进行 10 m(500 mm 间距共计 20 孔)爆破实验,并对爆破后的钻孔进行窥视,试验的 10 m 孔深装药方式为 2+3+4+4+3+2,装药结构见图 7.进行连孔爆破试验时,采取4 孔连接,单次爆破 8 个孔的起爆方式,孔内裂缝发育情况见图 8,经过观察统计,该装药及爆破方式,裂缝率可
12、达 85%以上,预裂效果明显。图 7装药结构示意图图 8顶板表面切顶连孔效果图4切顶卸压沿空留巷支护方法4.1支护可行性分析采用切顶卸压无煤柱开采技术时,需要合理确定巷道端部的支护形式,以保证工作面的稳定,充分的切顶阻力是保障巷道有效支护的必要条件。随工作面的回采,支承压力峰值表达式如下11:=nn1hi=nH(1)式中:为支承压力峰值,MPa;为岩层容重,kN/m3;hi为冒落带内第 i 层岩梁厚度,m;H 为冒落带内岩梁总厚度,m;n 为动载系数,其值一般不大于 2.取n1hi=H=MK-1(M 为采高,K 为碎胀系数),则:=nn1hi=nMK-1(2)将 M=2.5 m,=25 kN/
13、m3,K=1.35,n=1.5 代入式(2)可得:=0.321 MPa取巷宽 5.2 m,支护长度 1 m,巷内支护所需最小支护阻力为:Pmin=1 669.2 kN为了提供足够的支护强度及切顶能力,沿空留巷内在留巷前期采用“梁+单体支柱”,一个支护断面一梁 5 柱,排距 1000 mm,单体支柱工作阻力 300 kN.所以单位长度内巷内支护所提供的支护阻力为:P=1 5 300=1500 kN 由于每根恒阻锚索还能提供 500 kN 的预紧力,则 P总=1500 kN+500 kN=2000 kNPmin.因此,1213巷内支护所提供的支护阻力能满足现场支护要求。4.2支护方案确定1)巷内锚
14、索支护方法。由于灰岩距离工作面顶板 11 m,恒阻锚索应超出切顶孔且锚固在稳定岩层中不低于 1 m,考虑到切顶参数,恒阻大变形锚索长度定为 12.3 m,托盘规格为 300 mm300 mm20 mm,中间加工直径 100 mm的圆孔,恒阻锚索支护参数见表 2.相邻锚索间采取 W 钢带连接方式,W 钢带选用2600 mm300 mm5 mm 钢板制作,根据间距加工200 mm100 mm 的长孔。恒阻器长 500 mm,恒阻值为 30 32 t,预紧力不小于 29 t.锚索支护情况见532023 年第 10 期赵伟:坚硬顶板切顶卸压及沿空留巷支护方法研究图 9(a).2)“丁”字口处支护方法。
15、因 1213 巷为 1306 工作面和 1307 工作面共用顺槽,1213 巷留巷的起始段位于 1306 工作面“丁”字口处,该位置矿压显现强烈。为保障巷道具有良好的稳定性,在 1213 巷留切眼及工作面推进 20 m 范围内加密支 护 恒 阻 锚 索,锚 索 间 排 距 为 2000 mm 1500 mm.“丁”字 口 加 固 段 恒 阻 锚 索 支 护 情 况 见图 9(b).表 2恒阻锚索支护参数表锚索位置 间距/mm 排距/mm 与顶板夹角/()备注第 1 列600100090距巷帮间距第 2 列1000200090距第 1 列锚索间距第 3 列1700200070距第 2 列锚索间距
16、图 91213 巷恒阻锚索支护图5现场应用效果针对研究提出的坚硬顶板切顶卸压及沿空留巷支护方法在 1306 工作面进行了工程实践,并对巷道变形情况进行了监测,监测结果见图 10.方案实施前,沿空巷道变形较大,巷道变形稳定后顶板最大下沉量为 765 mm,最大底鼓量为 208 mm,两帮最大移近量为 557 mm;方案实施后,沿空巷道变形显著下降,巷道变形稳定后顶板最大下沉量为 343 mm,最大底鼓量为 115 mm,两帮最大移近量为 227 mm.综合对比分析,顶板下沉量降低了 55.1%,底鼓量降低了44.7%,两帮移近量降低了 59.2%,沿空巷道顶板变形得到了良好控制。图 10巷道变形
17、监测结果图6结语1)通过对切顶条件进行数值模拟分析,随着切顶高度的增加,顶板卸压区域也随之增大,较大的切顶高度更有利于巷道围岩的稳定;随着切顶角度的增加,围岩应力及顶板位移均呈现增加趋势,综合确定合理切顶高度与角度分别为 10 m 和 15.2)通过预裂切顶试验分析,采用 2+3+4+4+3+2装药方式,4 孔连接、单次爆破 8 个孔的起爆方式,裂缝率达 85%以上,切缝效果良好。(下转第 40 页)63山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期图 7现场矿压监测曲线图6结语1)通过分析水体积比为 92.5%、93%、94.7%、96%的超高水固结体在不同养护时间下的抗压强度,表明在相同养
18、护时间下,超高水固结体的抗压强度随着水体积比的降低而提升,超高水固结体与养护时间基本呈现二次函数的拟合关系。2)根据微观测试表明,当水体积比越小时,固结体的微观结构越致密,材料的抗压强度升高。数值模拟分析表明,当水体积比大于 94.7%时,顶板的破坏深度快速增加,最终确定超高水充填材料的水体积比为 94.7%.3)回采巷道的围岩移近量与液压支架工作阻力进行监测显示,轨道巷顶板在监测时间内的最大下沉量为 35 mm,两帮为 30 mm,皮带巷顶板的最大下沉量为 30 mm,两帮为 30 mm,验证了选用的充填材料可有效对顶板与围岩进行支撑与控制。参考文献1缪协兴,张吉雄.井下煤矸分离与综合机械化
19、固体充填采煤技术J.煤炭学报,2014,39(8):1424-1433.2杨文忠.高水材料充填在综采工作面过空巷中的应用研究J.煤,2022,31(10):69-70,78.3余伟健,冯涛,王卫军,等.充填开采的协作支撑系统及其力学特征J.岩石力学与工程学报,2012,31(S1):2803-2813.4白二虎,郭文兵,谭毅,等.浅埋厚煤层条带充填保水开采分析研究J.地下空间与工程学报,2019,15(4):1225-1231.5王方田,高翔,冯光明,等.深部煤层超高水充填工作面充填体支架煤体协同承载机制 J.采矿与安全工程学报,2022,39(4):663-673.(上接第 36 页)3)针
20、对切顶卸压留巷支护需要,提出在留巷前期采用“梁+单体支柱”支护方式,在工作面“丁”字口位置采用加密恒阻锚索支护技术。通过现场实践,顶板下沉量降低了 55.1%,底鼓量降低了 44.7%,两帮移近量降低了 59.2%,沿空巷道顶板变形得到了良好控制。参考文献1杨世春.坚硬顶板综采面初采深孔预裂爆破技术研究J.江西煤炭科技,2020(1):31-35.2李江龙.坚硬顶板切顶巷道变形特征及其控制方法研究J.煤,2023,32(1):14-18.3康智斌.大采高工作面坚硬顶板致灾防控技术研究J.煤,2023,32(3):53-57.4魏红印,马智博,杨东山,等.厚煤层坚硬顶板工作面初采卸压技术研究J.
21、煤炭技术,2021,40(8):18-22.5毛怀勇.唐山沟煤矿切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术J.煤炭工程,2016,48(8):12-14.6汤朝均,盛建发,宋润权,等.切顶卸压沿空留巷技术在高瓦斯煤层群中部煤层的应用J.煤炭工程,2016,48(3):39-41,45.7王传绳.切顶卸压技术在薄及中厚煤层沿空留巷中的应用J.煤炭技术,2021,40(8):41-43.8郑立军,王文,张广杰.高应力综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2021,40(6):43-53.9周宏范,王国普.深部复杂条件下切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术应用研究J.煤炭技术,2021,40(7):34-36.10何满潮,宋振骐,王安,等.长壁开采切顶短壁梁理论及其 110 工法第三次矿业科学技术变革J.煤炭科技,2017(1):1-9,13.11杨晓杰,王二雨,张民,等.大埋深破碎顶板煤层切顶卸压成巷技术研究J.煤炭科学技术,2017,45(9):86-91.04山 西 焦 煤 科 技2023 年第 10 期
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
