切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究.pdf

JinnengHoldiindTechnology2023年6 月35第3 期（总1 9 1 期）晋控科学技术切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究张逸群1,王强？,栗鹏飞?（1.山煤国际能源集团股份有限公司，山西太原0 3 0 0 0 6;2.山西凌志达煤业有限公司，山西长治0 4 6 0 6 6）摘要：基于小煤柱巷道受侧向支承压力和超前支承压力双重影响后易发生严重变形的问题，以1 5 1 0 7 工作面为背景，通过分析沿空巷道侧向顶板结构特征，提出采用密集钻孔卸压的方式进行治理。结果表明，切顶后侧向压力峰值向深部转移且减弱了超前压力的影响；1 5 1 0 7 回风顺槽两帮移近量2 6 3 mm，顶底板移近量2 6 4 mm，实现了工作面安全回采。关键词：小煤柱；侧向支承压力；密集钻孔；切顶卸压中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-4 8 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 3 5-0 5D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.03.0090引言煤矿开采过程中，矿山压力往往作为一种不利因素影响着安全生产，解决矿压问题的主要手段是对压力的转移，而切顶卸压的目的就是减弱或转移巷道压力，也是目前多数矿井采用的关键技术之一-2。由于厚煤层高强度开采时小煤柱巷道压力较大，通常需要进行卸压处理 3 。为提高煤炭资源采出率，1 5 1 0 7 工作面实施小煤柱沿空掘巷技术，考虑以往大煤柱巷道在工作面回采期间压力大、破坏严重的问题，为防止小煤柱巷道发生较大变形，对小煤柱巷道实施切顶卸压技术应用研究。1工程背景15107工作面开采1 5*煤层，煤层平均厚度7.5 1 m，煤层普氏系数泥岩伪顶，直接顶为K,石灰岩，底板为灰黑色砂质泥岩，工作面综合柱状图如图1 所示。1 5#煤层为类自燃煤层，属高瓦斯矿井。采用走向长壁后退式综采放顶煤的采煤方法，采高2.8 m，放煤高度4.71m，割煤截深和放煤步距均为0.6 m。15107回风顺槽煤柱宽度为4.5 m；巷道沿煤层底板掘进，为矩形巷道，掘进宽度4.1 m，掘进高度3.1 m；顶板采用锚杆（索）联合支护（每隔1 排锚杆施工一排锚索），锚杆（索）均用W型高强度钢带连接；帮部锚杆采用10mm钢筋梯将锚杆连成整体，煤柱帮距巷顶300mm施工1 根角锚索；巷道支护参数如图2 所示。以往大煤柱工作面回采时，大煤柱巷道压力大、变形严重，影响了工作面正常生产，因此，为防止1 5 1 0 7 回风顺槽在工作面回采期间出现大变形，拟采取切顶卸压的方式进行预防。2切顶卸压技术及关键参数研究2.1沿空掘侧向顶板结构特征15105工作面回采后，上覆顶板相继垮落，靠近进风顺槽侧形成相互铰接的弧形三角块，一部分在矿压作用下，以煤柱侧断裂线位置为支点产生旋转下沉，对煤柱产生水平、垂直载荷作用，影响煤柱和巷道稳定性。采空区顶板垮落形式如图3 所示。为有效降低覆岩关键块对煤柱的附加载荷，优化沿空巷道煤柱的顶板承载结构，确保巷道的稳定性，通常在煤柱采空侧或巷道煤柱侧实施切顶卸压，使采空区悬臂顶板在特定位置断裂，减小悬臂长度，从而减小因悬臂产生的荷载与旋转块体产生的水平荷载。同时，1 5 1 0 7 工作面回采时产生的超前支承压力会传递到工作面前方的煤体和侧向煤柱内，导致回风顺槽煤柱压力大幅增加，若切断煤柱侧上方顶板，阻断支承压力传递，煤柱所受支承压力较小，则会对煤柱起到较好的保护作用。2023年第3 期JinnengHoldirScienceandTechnology36晋控科学技术层次岩性柱状图1:5 0 0 0 煤岩层厚度/m岩性描述1砂质泥岩7.759.35灰黑色，裂隙发育，含植物化石。8.5522.224.5K,石灰岩浅灰色，质纯，致密，裂隙发育，充填方解石脉，俗称“猴石灰岩”3.35311#煤层0.30.6黑色、半光亮型，结构简单，分布广泛0.414泥岩4.356.55灰黑色，含植物化石。5.450.40.95512煤层黑色，半光亮型，结构简单，分布广泛0.53砂质泥岩及7.459.656灰黑色，含植物化石，下部渐变为泥岩细砂岩8.550.851.65浅灰色，质纯致密裂隙发育，充填方解石脉含海百合茎化石，俗称7K,石灰岩1.25“钱石灰岩”0.40.9813煤层黑色，半光亮型、结构简单，分布广泛，0.669砂质泥岩1.653.05灰黑色，裂隙发育，含植物化石。5.458.8510.2510细砂岩灰白色，石英为主，含白云母碎片及暗色矿物、裂隙不发育，斜层理9.558.6510.3511砂质泥岩灰黑色，裂隙发育，含植物化石9.511.1513.25深灰色，裂隙发育，充填方解石脉含动物化石，夹3 层砂泥岩，俗称12K,石灰岩12.2“四节灰岩”泥岩0.30.513灰黑色，含植物化石。0.46.38.411415#煤层黑色，光亮型为主。结构简单，常含0 3 层夹石，厚度大，全井田可采7.5115砂质泥岩1.92.3灰黑色，富含植物化石及黄铁矿结核。2.14.38.016K,细砂岩灰白色，石英为主，分选、磨圆中等，硅质胶结，致密坚硬6.15图1工作面综合柱状图锚杆：17.86200mm间排距：9 0 0 2 0 0 0 mm锚杆：202400mm间排距：9 0 0 2 0 0 0 mm角铺索：d17.84200mm锚杆：202400mm排距：1 0 0 0 mm间排距：8 0 0 1 0 0 0 mm回采帮34100mm铺杆：202400mm/间排距：8 0 0 1 0 0 0 mm图2小煤柱巷道支护断面图基本顶直接顶采空区小煤柱煤层图3采空区顶板垮落形式2.2合理切顶高度模拟分析根据该矿地质条件、煤层综合柱状图及煤岩相关力学参数，建立数值模型，模型尺寸为长5 0 0 m、高114.5m，模型X、Y 方向及下部边界施加位移约束，模型上部施加均布载荷3.8 9 MPa以模拟上覆岩层的自重。对比分析小煤柱巷道切顶与不切顶条件下沿空巷道围岩变形规律及小煤柱内部应力分布特征，其模拟结果如图4 所示。FLAC3D5.002012nalmling(ilmCakukterln:VokmtiAurapng1.0318E+(60.0XX0F.+0)-5.0000F+(6-1.0XXOF.+07-1.5XOF:+07-2.0XXOF:H172.5XXOF.40Y7-3.0XXXF+07-3.5(XXF.+074.0XXOE+074.500F+07-5.0000E.+07-5.500E.+076.0000E.+07-6.500F+07-6.8154F+07（a）不切顶时巷道垂直应力图张逸群，王强，栗鹏飞：切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究372023年第3 期FLAC3D5.00caol2ltsaCnutugGnaphreCoxkardfll-srsCakakaell:VoumincAseragre4.8624F:+060.(0XOF.+O)-5.0001:+06-1.XX0E+07-1.5000E+072.0000F+07-2.500XF.+07-3.000F+07-3.500F+074.0000E:+074.5000E+075.0XX0F+07-5.5(00F+07-6.0000E+076.5000E+076.9224E+(07(b)切顶1 0 m时巷道垂直应力图FLAC3D5.002012ltaraCansultingGnaip,lkCntourofU-snssCalalatalln:VokmdtneAveragang1.6714E+(XO.XX0E-X)-5.0000E+6-1.0000E07-1.50X0E+07-2000E+07-2.50X0F07-3.(XX0E-+(17-3.5X0FH074(XXXF+7-45XXFH7-5.(XXX0F:47-5.50XX0F-07-6.0XX0E-(076.0430E+07（c）切顶1 7 m时巷道垂直应力图FLAC3D5.002012ltra(orselhingGaae.Contoutdi-SresCakilalelby:VlumetrieAierging2.2475F:H6O.00XFOX)-5.XX0F:+06I.XXXE.+O7-1500E7-2(00E407-250XX0F:+07-3.(XXXF:+07-3.5000:+07-4.0X00EH074.5000F:+07-5.(XX0F.+07-5.500:+07-5.9357F:H07（d）切顶2 6 m时巷道垂直应力图图4数值模拟结果20巷道开挖未切顶时巷道开挖且切顶1 0 m时卷道开挖且切顶1 7 m时16巷道开挖且切顶2 6 m时车1280020406080100120距采空区煤壁的距离/m图5切顶与不切顶时侧向支承应力分布图15105工作面回采后小煤柱巷道开挖且未切顶及小煤柱巷道开挖且切顶（切断一半K,石灰岩高度1 0m、切断K,石灰岩高度1 7 m、切断Kz石灰岩上方砂质泥岩高度2 6 m）4 种不同条件下采空区煤壁侧向支承压力分布曲线如图5 所示。根据模拟结果可知，不切顶时侧向压力峰值为19.73MPa，且煤柱内出现集中应力，应力值为8.2 2MPa；实施切顶后压力峰值比未切顶时减小了2.0 1 2.31MPa,且峰值位置向增加4 5 m，煤柱内应力集中值仅为1.5 7 2.3 2 MPa，说明切顶处理后，侧向支承压力峰值向煤体深部转移，能充分发挥煤体的自承能力。切顶深度越高，侧向压力峰值越小，应力集中系数也越小,切顶达到一定深度后,切顶高度将对侧向压力峰值和应力集中系数的影响减弱。因此，结合顶板赋存特征和现场施工的实际情况，确定合理的切顶高度为1 7 m。2.3切顶参数的确定根据以往工程经验可知，切顶钻孔位置S越小越好，考虑钻机需要作业空间和方便钻机施工等因素，钻孔与煤柱帮距离为3 0 0 mm。当钻孔向煤柱帮倾斜方向施工时，不利于采空区顶板垮落，通常应向采空区倾斜大于5；当倾斜角度过大时，巷道上覆悬顶长度较长，会引起顶板压力的增加。因此确定切顶孔开孔方向与煤壁夹角为9 0，钻孔倾角为0。合理的切顶孔间距是切顶卸压中不可或缺的部分，若孔间距过大，导致炮孔内炸药爆炸时无法贯通形成预裂面，将会影响爆破切顶效果；若孔间距过小，导致施工量增加且对工作面正常生产造成影响，成本提高。表1单孔爆破相关参数内容参数钻孔位置/mm300钻孔方位角/（）90钻孔倾角(）0钻孔深度H/m17钻孔直径d/mm50钻孔间距Lmm300400根据对切顶孔间距的统计分析结果可知，切顶孔间距通常为0.2 2 m，结合工程经验和现场顶板赋存特征，确定密集钻孔间距3 0 0 4 0 0 mm。每个密集钻孔相2023年第3 期Jinnengcienceand Technology1010138晋控科学技术关参数如表1 所示，密集钻孔布置示意图如图6 所示。钻孔倾角巷道顶板钻孔位置S回采帮煤15107回风顺槽帮巷道底板（a）钻孔位置S示意图基本顶上边界100mm钻孔钻孔深度H切顶高度H钻孔倾角Q巷道顶板工作面推进方向钻孔间距L巷道底板15107回风顺槽中线面图（b）钻孔倾角示意图图6密集钻孔布置示意图3工程应用目前切顶方式一般有预裂爆破、密集钻孔、水力切割、水力压裂等方式,其中预裂爆破因具有成本相对较低、操作简单、效果明显的优点应用较多 4-5 ,由于该矿为高瓦斯矿井，煤层为类自燃煤层，且上一工作面在回采期间发生过自燃现象，考虑安全方面的因素，不宜适用爆破方法，因水力压裂技术主要适用于治理初采强矿压的问题，水力切割技术尚不成熟且成本较高。因此，结合该矿实际情况，1 5 1 0 7 回风顺槽采用密集钻孔的方式进行切顶卸压。3.1现场施工情况小煤柱巷道进行预裂后，巷道顶板与小煤柱上方顶板会形成一定的弱面结构，受工作面回采动压影响后，原有支护可能会松动甚至失效，发生顶板离层、下沉等，为防止这种现象的出现，需对原有支护进行检验加固，并对顶板进行补强支护。因此，密集钻孔施工前先对顶板进行加强支护。(1)顶板补强支护：根据以往补强支护工程经验，结合1 5 1 0 7 回风顺槽顶板岩性分布情况，采用“布设走向单体液压支柱抬棚”的顶板补强支护方案。采用3.2m长的型梁，“一梁四柱”布置，单体柱间距0.8m，走向抬棚距离巷道煤柱帮0.6 m。(2)密集钻孔施工：钻孔施工作业从1 5 1 0 7 工作面开切眼至停采线，超前工作面8 0 m施工。3.2应用效果分析160140回采帮变形量煤柱帮变形量120顶板下沉量底鼓量100806040200020406080100距工作面煤壁距离/m图7巷道表面位移变化曲线图为验证小煤柱巷道实施切顶卸压的效果，在15107回风顺槽进行矿压监测，矿压监测结果如图7 所示。回采期间该回风顺槽回采帮最大移近量为1 3 4mm，平均6 7 mm；煤柱帮最大移近量为1 2 9 mm，平均62mm；顶板最大下沉量为1 1 1 mm，平均5 5 mm；底鼓量最大1 5 3 mm，平均7 5 mm。根据相邻1 5 1 0 5 工作面回采时其大煤柱巷道两帮移近量最大约1 2 0 0 mm，煤柱帮变形约8 5 0 mm，与此相比，1 5 1 0 7 工作面实施小煤柱沿空掘巷技术后并采取切顶卸压的方法，现场应用效果良好。4结论(1)理论分析了小煤柱沿空掘巷侧向顶板结构特征，并对是否切顶时受力状态进行了模拟研究。实施切顶后，采空区侧向支承压力峰值减小约1 0%，峰值位上接3 4 页）2023年第3 期张逸群，王强，栗鹏飞：切顶卸压衣道中的应用研究39置向深部转移4 5 m，从而会降低煤柱压力。(2)15107回风顺槽进行密集钻孔切顶卸压后，其两帮移近量2 6 3 mm，顶底板移近量2 6 4 mm，巷道变形量大幅降低。由此表明，实施切顶后不但减弱采空区侧向支承压力的影响，还阻断了本工作面超前支承压力的传递路径。因此，在小煤柱巷道内实施密集钻孔切顶卸压技术后效果明显，能够满足矿井安全生产要求。参考文献1 别小飞,王文,唐世界,等.深井高应力切顶卸压沿空掘巷围岩控制技术 .煤炭科学技术,2 0 2 0,4 8(9):1 7 3-1 7 9.2牛福龙.大同矿区回采巷道顶板预裂技术应用效果探究 .同煤科技,2 0 2 1(0 3):1-6+6 9.3张广杰,程志斌,丁坤朋.定向水力压裂切顶卸压技术研究及应用 .山西冶金,2 0 2 0,4 3(0 5):5 1-5 3,6 0.4梁洁,张磊,徐青云,等.大采高采场切顶卸压小煤柱护巷技术研究与应用 J.矿业安全与环保,2 0 2 1,4 8(0 3):7 9-8 4.5张晓东,刘智敏,李建国,等.浅孔、中深孔联合松动爆破过综采面复杂地质构造带技术 J.煤矿现代化,2 0 2 2,3 1(0 4):1-4.作者简介张逸群（1 9 9 0-），男，工程师，主要从事技术管理工作，E-mail：。收稿日期：2 0 2 2-1 0-1 0Application of Roof Cutting and Pressure Relief in Small Coal Pillar RoadwayZhang Yiqun,Wang Qiang,Li Pengfei?(1.Shanxi Coal International Energy Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030006;2.Shanxi Lingzhida Coal Industry Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046066)Abstract:Based on the problem that small pillar roadways are prone to serious deformation due to the doubleinfluence of side abutment pressure and advance abutment pressure,taking the 15107 working face as the background,by analyzing the structural characteristics of the lateral roof of gob side roadways,it is proposed to adopt the method ofdense drilling to relieve pressure.The results show that the peak value of forward pressure after top cutting transfers tothe depth and the influence of forward pressure is weakened;15107 return air roadway two-sided approaching are movedcloser by 263 mm,and the roof and floor are moved closer by 264 mm,realizing the safe mining of the working face.Key words:Small coal pillar;Side abutment pressure;Dense drilling;Top cutting and pressure reliefApplication Effect Analysis of Hydraulic Support in Intelligent Fully Mechanized Mining FaceZhang Qi(Jinneng Holding Group Datong Electromechanical Equipment Co.Ltd.,Datong Shanxi 037000)Abstract:In order to improve the intelligent level of coal mine,the intelligent upgrading and transformation of 8222fully mechanized mining face in Tashan Mine of Jinneng Holding Coal Industry Group was carried out,and the industrialtest was carried out for the hydraulic support used in 8222 intelligent fully mechanized mining face.Compared with thetraditional hydraulic support,it greatly improves the production capacity of single working face,improves the miningefficiency,reduces the mining cost,and achieves the purpose of reducing people and improving efficiency.Key words:Intelligent;Hydraulic support;Electro-hydraulic control system;Efficient