殷 勇

（山西焦煤霍州煤电集团回坡底煤矿，山西 洪洞 041600）

受地质条件等因素的影响，我国大多数煤矿开采效率低，严重制约煤炭行业的高质量发展。尤其是对于深部中厚煤层，受高集中应力影响，掘进后巷道围岩变形量大，后期维护成本高，甚至影响工作面安全回采[1-3]。切顶卸压留巷技术是人为在顶板制造切缝，将垂直应力向深部转移，通过研究应力和位移分布规律，实现无煤柱开采[3-4]。切顶卸压留巷作为一种新型技术，国内外学者对该项技术进行了大量研究，提出了“110工法”等新技术，但在中厚煤层等条件下的研究仍不充足够充分[5-6]。以回坡底矿10-110综采工作面为研究对象，模拟分析了“切缝高度6 m、角度15°”参数下的工作面留巷围岩应力和位移变化规律，现场应用效果良好。

1 工作面概况

回坡底矿10-110工作面位于1采区右翼，工作面标高+458～+532 m，东部为井田边界，北部与10-1122巷相邻，南侧为10-108工作面，西部为东一采区三条大巷。工作面走向长度1 716 m，倾向长度200 m，开采10#煤层，平均厚度2.6 m，平均倾角3°。煤层直接顶为泥岩，厚度3.5 m，基本顶为K2灰岩，厚度7.0 m。顶板岩层强度高，受垂直应力等影响，工作面回采后巷道围岩变形较大。

2 切顶卸压成巷机理

切顶卸压成巷是人为制造切缝，将巷道顶板岩层“长臂梁”结构变为“短臂梁”结构，工作面来压时，采空区顶板岩层沿切缝垮落压实采空区，垮落的岩层利用其碎胀性的特点作为巷道的侧帮支撑顶板岩层，将顶板垂直应力向深部转移，减小巷道受应力影响程度[5-6]，如图1所示。

由图1可知，人为在巷道顶板制造切缝后，诱导岩块B在实煤体侧弹塑性交界处断裂，将垂直应力向深部转移，岩块A、B、C铰接结构使巷道处于低应力区内，能够减少应力对巷道的影响，达到控制巷道围岩变形的目的。

图1 切顶卸压

合理的切缝高度能够保证岩块B不发生旋转下沉，减小对巷道围岩变形的影响，切缝高度H计算公式为：

Hf=(H-ΔH1-ΔH2）/（K-1）

式中：Hf为工作面采高，m；ΔH1为顶板岩层变形量，m；ΔH2为底板岩层变形量，m；K为碎胀系数，取1.3～1.5。

10-110工作面采高为2.6 m，碎胀系数取1.35，计算可得工作面切缝高度为6 m。考虑采空区垮落岩层受顶、底板变形量和挡矸支护挤压等因素影响，结合矿井地质条件，切缝角度定为15°。

3 切顶卸压数值模拟

3.1 模型建立

采用FLAC3D模拟工作面切顶后应力和位移变化情况，在10-110工作面布置10条测线，测线布置如表1、图2所示。

表1 测线布置情况

图2 测线布置

建立171 m×20 m×40 m的力学模型，垂直方向施加6.8 MPa应力，设置顶板切缝高度6 m、角度15°，材料参数如表2所示。

表2 10-110工作面10#煤层顶板力学参数

岩层弹性模量G/GPa密度/（kg/m3）摩擦角f/°粘结力C/MPa抗拉强度T/MPa抗压强度T/MPa泥岩 2.8 2 200 32 2.9 2.8 30 9煤 1.2 1 420 20 1.2 1.0 12泥岩 2.8 2 200 32 2.9 2.8 30

3.2 模拟结果分析

（1）垂直应力分析

通过1、2、3号测线监测10-110工作面切顶前后垂直应力变化情况，监测结果如图3所示。

图3 切顶前后垂直应力变化情况

由图3可知，10-110工作面未采用切顶卸压前，受顶板垂直应力和采空侧向应力等因素影响，顶板出现应力集中。当采用切顶卸压后，切断顶板岩层与采空区的联系，将高集中的应力提前释放，同时应力峰值向深部转移，使工作面处于低应力区，减小应力对巷道围岩的影响，提高工作面回采效率。

通过1、2、3号测线监测工作面顶板不同层位的垂直应力，在切顶前后的变化情况，监测结果如图4所示。

图4 切顶前后顶板不同层位垂直应力分布

由图4可知，在工作面顶板上方10 m范围内，切顶卸压后垂直应力较未卸压前有明显减小，在顶板上方3～6 m范围内，卸压后垂直应力减少幅度大。

（2）临空侧垂直分析

通过4、5、6号测线监测10-110工作面切顶前后，工作面前方不同距离临空侧垂直应力变化情况，监测结果如图5所示。

图5 切顶前后临空侧垂直应力分布

由图5可知，随着与工作面距离的增加，工作面临空侧垂直应力呈现先增大至峰值，后逐渐减小并趋于稳定。切顶卸压后临空侧垂直应力峰值减小，但较未卸压前降低幅度小。切顶卸压前后4、5、6号测线监测得到临空侧垂直应力峰值，如表3所示。

表3 临空侧垂直应力峰值

由图5可知，4、5、6号测线均在工作面前3 m处临空侧垂直应力达到峰值，4号测线（距留巷临空侧2 m）垂直应力下降幅度最大。

（3）实体煤侧垂直应力分析

通过7、8、9号测线监测10-110工作面切顶前后，距实体煤帮侧垂直应力变化情况，监测结果如图6所示。

图6 切顶前后实体煤侧垂直应力分布

由图6可知，随工作面向前推进，实体煤帮侧垂直应力先增大至峰值，后逐渐减小并稳定。切顶卸压后实体煤帮侧垂直应力峰值减小，应力主要在距实体煤帮侧4～6 m范围内集中。切顶卸压前后7、8、9号测线监测得到实体煤帮侧垂直应力峰值，如表4所示。

表4 实体煤帮侧垂直应力峰值

由图6可知，7、8、9号测线均在距实体煤5 m处实体煤帮侧垂直应力达到峰值，9号测线（工作面后方15 m）垂直应力下降幅度最大。

（4）顶板下沉量分析

通过10号测线监测10-110工作面切顶前后顶板下沉量，监测结果如图7所示。

图7 切顶前后顶板下沉量

由图7可知，切顶卸压后较未切顶前，10-110工作面顶板下沉量有了明显减小，未卸压时顶板最大下沉量为760 mm，切顶卸压后减小为550 mm，减小了27.6%。

4 工程实践

4.1 施工方式

10-110工作面通过爆破预裂方式进行切顶卸压，在实际施工过程中，切缝高度6 m、切缝深度为7 m、切缝角度15°。爆破炮眼布置在距临空侧帮角以里200 mm处，炮眼间距750 mm，直径50 mm，如图8所示。切顶卸压留巷需加强支护，提高巷道的承载能力，减小围岩变形量，留巷支护参数如表5所示。

图8 钻孔爆破布置参数

表5 切顶卸压留巷支护参数

4.2 卸压效果检验

10-110工作面采用切顶卸压留巷方式，利用采空区垮落岩层碎胀性，减小顶板应力集中。在顶板布置3组顶板动态仪监测围岩变形量，监测结果如表6所示。

表6 卸压后围岩变形量

由表6可知，切顶卸压后巷道顶板下沉量和两帮移近量均在安全范围。

5 结论

1）在工作面不同位置布置10条测线，通过FLAC3D模拟测线区域垂直应力变化规律，得到在垂直顶板上方6 m、距留巷临空侧2 m、实体煤帮侧后方15 m处，工作面垂直应力下降幅度最大。根据监测巷道顶板下沉量得到切顶卸压后顶板最大下沉量减小了27.6%。

2）确定工作面实际切缝高度6 m、切缝深度7 m、切缝角度15°，通过监测顶板下沉量可知，卸压后留巷顶板下沉量和两帮移近量均在安全范围内，由此可知，切顶卸压有效避免了巷道围岩应力集中，减少了巷道围岩变形量。