坚硬顶板下近距离煤层群切顶卸压技术研究
时间：2022-12-04 17:55:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 帅，赵国贞，2，刘 超
(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；
2.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)
我国传统的近距离煤层单层下行开采时上位煤层区段煤柱都会出现明显的应力集中，从而给下位煤层巷道带来明显的矿压显现，尤其是存在多层坚硬顶板的近距离煤层，下位煤层在开采时巷道的矿压显现更为剧烈[1-3]。近年来，切顶卸压成为解决多层坚硬顶板近距离煤层开采的一个重要思路[4-6]。吴拥政等[7]针对存在坚硬厚顶板的煤柱留巷支护问题，提出定向水力压裂留巷卸压的机理和技术，经井下试验表明，该技术可以消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶结构，进而减小巷道压力，达到留巷目的；
张百胜等[8]综合留小煤柱沿空掘巷和切顶卸压技术，研究了大采高小煤柱切顶卸压沿空掘巷的机理，给出了相应的切顶参数与支护方案，并在现场取得良好的效果；
高玉兵等[9]针对深部矿井高应力巷道稳定性问题，提出深部巷道定向拉张爆破切顶卸压围岩控制技术，通过人为主动控制顶板断裂位置，减小采空区传递至控制巷道的覆岩荷载，从而达到优化巷道应力环境和提高巷道稳定性的目的；
王炯等[10]通过建立复合坚硬顶板切顶留巷结构受力模型，宏观分析了切顶后平巷围岩应力分布情况，并通过理论计算，分析了围岩变形机理；
郑立军等[11]以河南古汉山矿综放工作面为背景，对巷道顶板运动规律进行研究，结果表明采用定向预裂爆破技术能够阻断巷道上方与采空区上方基本岩层中的应力传递，达到卸压和预裂目的；
苏超等[12]研究了深井临空高应力巷道切顶卸压机理，采用物理相似模拟得出深井临空巷道覆岩结构及运移规律，并运用理论分析建立临空巷道采空区侧关键块的力学模型，得出关键块的稳定性判据；
别小飞等[13]针对沿空掘进的巷道变形严重、支护困难等问题，研究了基于切顶卸压的沿空掘巷技术原理，试验结果表明，超前预裂切顶卸压能够人为预裂成缝，切断巷道顶板与煤柱帮顶板之间的联系，改善沿空掘巷力学环境，确保其顶板结构整体稳定，对相邻工作面沿空掘巷起到良好的卸压效果。上述的研究多数为切顶卸压对本煤层工作面和巷道的影响，而对于近距离上位煤层采用切顶卸压后对下位煤层巷道围岩控制的研究较少。
本文针对西铭煤矿的典型近距离煤层开采条件，研究切顶位置和煤柱宽度两个关键因素与下位煤层顶板应力分布和巷道围岩变形之间的规律，为解决近距离煤层开采的相关问题提供参考。
西铭煤矿井田面积56.29km2，设计生产能力300万t/a，现主采8#煤和9#煤两层近距离煤层，煤层埋深300m左右，采用下行式开采。上部8#煤层厚度为2.23～6.57m，平均厚度为3.64m；
下部9#煤层厚度为1.9～4.41m，平均厚度为3.18m，8#煤层与9#煤层层间距为0.7～3.3m，平均距离为2.02m。8#煤顶板以页岩和石灰岩为主，8#煤和9#煤之间的夹矸主要是砂质泥岩，9#煤底板以泥岩为主，8#煤、9#煤层及顶底板各岩层的物理力学参数见表1。
表1 煤岩层物理力学参数
48709工作面和48711工作面为8#煤层的两个相邻工作面，工作面之间留设宽度为40m的区段煤柱，49709工作面和49711工作面为9#煤层的两个相邻工作面，分别位于48709工作面和48711工作面的下方。9#煤层工作面的回采巷道采用内外错相结合的布置方式，如图1所示，49709回风巷采用外错式布置，位于8#煤层煤柱正下方，49711运输巷采用内错式布置，位于48711工作面下方。
图1 西铭矿近距离煤层巷道布置
已有实践表明：与49709回风巷相类似，下部9#煤层巷道采用外错式布置时，由于受到多层坚硬石灰岩顶板以及8#煤层开采后采空区遗留煤柱的影响，外错巷道存在围岩压力大，支护困难，巷道变形严重等问题。
8#煤层上方的坚硬顶板弹性模量大、强度高、断裂步距大，易形成关键层结构，根据关键层判别理论[14]并结合表1中的数据，计算出8#煤层上覆岩层的关键层位置，结果见表2。
表2 关键层位判别结果
由表2可以看出，8#煤层上方存在两层石灰岩亚关键层和一层粗砂岩主关键层，分别位于8#煤层上方顶板0.2m、6.74m和22.11m的位置处。根据式(1)得出8#煤层开采后上覆岩层充满采空区所需垮落高度[14]为12.13m。
式中，Σh为上覆岩层充满采空区所需垮落高度，m；
M为煤层采高，取3.64m；
Kp为岩石碎胀系数，取1.3。
综合分析关键层层位和充满采空区所需顶板垮落高度，得出：8#煤层开采后至少需要厚度为12.13m的顶板完全垮落才能充填满采空区，而在8#煤层顶板上方12.13m范围内存在两层石灰岩关键层，导致采场上覆岩层不能随工作面的开采而及时垮落充填采空区，易形成长时间、大跨度的悬顶结构[15，16]如图2所示。
图2 上位煤层开采后的悬顶结构
在8#煤层工作面开采完毕后，悬顶岩层未接触到采空区，悬顶结构及其上覆岩层的载荷均由8#煤层区段煤柱承担，造成煤柱应力集中，而且该应力会向底板深部传递，导致49709回风巷围岩处于高应力状态，巷道支护困难，故需要对悬顶岩层进行处理，使之充分垮落。
针对长时间、大跨度的悬顶结构对近距离煤层煤柱下巷道产生的高应力、巷道变形严重等问题，提出采用切顶卸压的方法对悬顶结构进行处理，消除悬顶结构的影响。切顶卸压主要是通过爆破预裂、定向水力压裂等手段切割顶板卸压[17，18]，其原理如图3所示。工作面回采之前，在巷道顶板中打孔并沿设计方向压裂围岩，在顶板岩层中形成一个预裂面；
进行采掘活动期间，受周期来压影响，采场上部岩层沿预裂面弯曲断裂下沉，使上覆岩层坚硬顶板形成的悬臂梁及时断裂垮落；
由于岩石的碎胀性，垮落的悬臂梁更好地充填图中粗线圈定的采空区，增加采空区承载载荷，降低煤柱和实体煤的载荷，改变9#煤层顶板的应力分配比例，有效地保护了区段煤柱下方的巷道。
图3 切顶卸压原理
通过分析切顶卸压的原理可知，切顶卸压能够人为地改变煤层顶板断裂线的位置，煤层顶板不同的断裂线位置能够影响采空区的承载性能，顶板断裂线越靠近实体煤柱，采空区的承载性能越强，煤柱下巷道围岩的应力相应减弱，切顶卸压的切顶位置是影响切顶卸压消悬防冲的一个关键因素。
49709回风巷位于8#煤层煤柱正下方，其受到的应力大部分由8#煤柱传递，不同的煤柱宽度会造成煤柱底板的应力分布不同[19，20]，煤柱宽度越大，煤柱中部传递应力的弹性核区越宽，煤柱正下方49709回风巷围岩的应力峰值越小，8#煤层的煤柱宽度也是影响切顶卸压消悬防冲的一个关键因素。
4.1 切顶卸压数值计算模型构建
4.1.1 切顶卸压参数
切顶卸压采用定向水力压裂的方法，并由第2节的分析结果可知，8#煤层顶板上方12.13m范围内存在两层坚硬稳定的石灰岩关键层，难以垮落，是切顶卸压的主要处理对象，所以将水力压裂钻孔末端布设在亚关键层2中。定向水力压裂钻孔垂直顶板的深度为14m，压裂钻孔的仰角为50°，压裂钻孔水平投影与巷道的夹角为20°，压裂钻孔的间距为10m，压裂钻孔的深度为18.3m，如图4所示。
图4 钻孔布置
4.1.2 数值计算模型参数
假定模型内各地层倾角均为0°，厚度均匀，模型的尺寸为长×宽×高=350m×1m×50m。为了更精确地分析研究区域，并控制块体数量在合理范围之内，对模型进行非均等块体划分。模型中块体采用莫尔—库伦本构模型，结构面采用库伦滑动模型，重力取-9.81m/s2。模型底部利用位移边界条件限制竖直位移，模型侧面利用位移边界条件限制水平位移，模型上部利用应力边界条件来模拟上覆岩层对模型的压应力，上部边界应力大小为6.65MPa。依次开采8#煤层的48709工作面、48711工作面和9#煤层的49709工作面，分析9#煤层顶板应力分布规律和49709回风巷的巷道围岩变形规律。
4.2 切顶位置对顶板应力分布规律的影响
建立4种不同工况下的模型，研究不同切顶位置对9#煤层顶板应力分布规律的影响如图5所示。
图5 不同切顶位置的模型
在48709工作面和48711工作面开采完毕后，对比4种工况下9#煤层顶板的应力分布状态，得出不同切顶位置对9#煤层顶板应力分布的影响规律，如图6所示。
(a)工况1
(b)工况2
(c)工况3
(d)工况4图6 不同工况下8#煤层工作面开采完毕后的模型垂直应力分布
由图6(a)可知，在不实施切顶卸压的条件下(工况1)，当48709工作面和48711工作面开采完毕后，8#煤层区段煤柱两侧出现悬臂梁结构并产生应力集中区，9#煤层顶板左侧应力集中区内最大应力为53.92MPa，最大应力集中系数Kmax为7.19，9#煤层顶板右侧应力集中区内最大应力为55.31MPa，最大应力集中系数Kmax为7.37。
由图6(b)可知，在48709回风巷内实施切顶卸压后(工况2)，8#煤层区段煤柱左侧的悬臂梁被切断，9#煤层顶板左侧应力集中区内的最大应力减小为29.54MPa，最大应力集中系数Kmax减小为3.94，9#煤层顶板右侧应力集中区内的最大应力增大为63.79MPa，最大应力集中系数Kmax增大为8.51。
由图6(c)可知，在48711运输巷内实施切顶卸压后(工况3)，8#煤层区段煤柱右侧的悬臂梁被切断，9#煤层顶板左侧应力集中区内的最大应力增大为64.83MPa，最大应力集中系数Kmax增大为8.64，9#煤层顶板右侧应力集中区内的最大应力减小为30.32MPa，最大应力集中系数Kmax减小为4.04。
由图6(d)可知，在48709回风巷和48711运输巷内实施切顶卸压后(工况4)，8#煤层区段煤柱两侧的悬臂梁均被切断，9#煤层顶板左侧应力集中区内的最大应力减小为35.19MPa，最大应力集中系数Kmax减小为4.69，9#煤层顶板右侧应力集中区内的最大应力减小为35.79MPa，最大应力集中系数Kmax减小为4.77。
对比图6四种工况下9#煤层顶板的应力分布状态，得出不同切顶位置对9#煤层顶板应力分布的影响规律：
1)切顶卸压能够改善9#煤层顶板的应力分布状态，有效弱化悬顶结构对9#煤层产生的高集中应力，不同的切顶位置对9#煤层顶板应力分布的影响不同。
2)单侧切顶卸压能够降低切顶一侧9#煤层顶板的应力集中程度。如工况2和工况3，在煤柱一侧巷道内实施切顶卸压后，切顶一侧9#煤层顶板的最大应力分别减小45.22%和45.18%，平均减小45.20%。
3)双侧切顶卸压能够降低整体9#煤层顶板的应力集中程度，但降低的幅度小于单侧切顶卸压。如工况4，在煤柱两侧巷道内实施切顶卸压后，9#煤层顶板的最大应力分别减小34.74%和35.29%，平均减小35.02%，比单侧切顶卸压的最大应力平均降低幅度少10.18个百分点。
上述规律表明，在8#煤层巷道内实施切顶卸压能够有效减弱9#煤层顶板的应力集中现象，降低9#煤层工作面和巷道的支护难度，节约支护成本。按照西铭矿9#煤层的开采顺序，对比不同切顶位置的卸压效果，可以得出，在48709回风巷内实施切顶卸压能够同时对49709工作面和49709回风巷起到卸压作用，是较为的合理切顶位置。
4.3 煤柱宽度对巷道围岩变形规律的影响
在49709工作面开采过程中，对比8#煤层区段煤柱宽度分别为40m、35m、30m、25m和20m条件下49709回风巷的巷道围岩变形特征，不同区段煤柱宽度对49709回风巷围岩变形的影响规律见表3。
由表3可知，8#煤层区段煤柱宽度从40m逐渐缩小至20m的过程中，巷道围岩最大相对移近量逐渐增大。区段煤柱宽度大于30m时，随煤柱宽度减小，巷道围岩的最大相对移近量缓慢增大，平均增速为16.95%；
区段煤柱宽度小于30m时，随煤柱宽度减小，巷道围岩的最大相对移近量快速增大，平均增速为58.68%。以上数据表明，30m是区段煤柱宽度的分界点，煤柱宽度大于30m时巷道的变形量增长平缓，煤柱宽度小于30m时巷道的变形量增长加快。
表3 49709回风巷围岩相对移近量对比
为了兼顾资源利用与煤矿安全，西铭矿近距离煤层的合理煤柱宽度应该为30m。当煤柱宽度为30m时，巷道顶底板和两帮的最大相对移近量均为0.73m，变形量较大，需要加强对巷道的支护。
1)存在多层坚硬顶板的近距离煤层在上部煤层开采完毕后，坚硬顶板起到关键层的作用，控制着上部一定范围内岩层的垮落，会在下部煤层开采之前形成长时间、大跨度的悬顶结构。
2)通过对比分析不同切顶位置，得到切顶卸压可以有效改变下位煤层顶板的应力分布状态，不同的切顶位置对9#煤层顶板应力分布的影响不同。单侧切顶卸压后，切顶一侧9#煤层顶板的最大应力平均减小45.20%；
双侧切顶卸压后，9#煤层顶板的最大应力平均减小35.02%，比单侧切顶卸压的最大应力平均降低幅度少10.18个百分点。48709回风巷内实施切顶卸压能够同时对49709工作面和49709回风巷起到良好的卸压作用，是西铭矿8#煤层采用切顶卸压消悬防冲时的合理切顶位置。
3)煤柱宽度是影响多层坚硬顶板近距离煤层切顶卸压消悬防冲的一个关键因素，随煤柱宽度减小，巷道变形量增大，煤柱宽度30m是巷道围岩变形速度加快的分界点。30m煤柱在保证巷道变形较小的同时最大限度地避免了煤炭资源的浪费，是西铭矿近距离煤层切顶卸压消悬的合理煤柱宽度。
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