沿空掘巷因能大幅度提高煤炭资源的回收率而被广泛应用，但随着矿井进入深部开采，地质条件复杂，出现了窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性差、巷道维护困难等问题[1-5],为此，诸多学者提出了可以人为决定基本顶断裂位置、加速采空区稳定、易于巷道维护和缓解采掘接替紧张问题的切顶卸压技术[6]。在留窄煤柱沿空掘巷切顶卸压研究方面，张百胜等[7]研究了大采高、小煤柱条件下切顶卸压沿空掘巷机理，认为巷道切顶后改变了基本顶原有的应力传递路径，使应力转移至采空区，且顶板结构发生变化更易于垮落。陈立虎等[8]对切顶留窄煤柱护巷关键参数进行了研究，认为煤柱宽度、切顶高度、切顶深度、切顶炮孔间距是实现精准切顶的关键。张书军等[9]研究了深孔爆破切顶卸压掘巷的爆破、装药等相关参数，并成功进行了工业试验。别小飞等[10]针对深部高应力矿井巷道大变形问题，提出了超前预裂切顶卸压沿空掘巷技术，并确定了爆破与支护参数。郭海豹等[11]研究了大采高条件下切顶卸压留小煤柱切顶参数，认为煤柱上的载荷与断裂角成正相关。

现有研究大多是针对沿空掘巷煤柱宽度和近水平厚煤层切顶卸压参数进行的，对于缓倾斜条件下切顶卸压沿空掘巷切顶参数鲜有研究，并且切顶掘巷的具体参数需要结合现场实际条件进行确定。本文以青云煤矿020203工作面运输顺槽为工程背景，通过理论分析、数值模拟等方法综合确定了020203运输顺槽切顶卸压技术参数，并进行了现场工业试验。

1、工程概况

青云煤矿现回采2号煤层二采区020203工作面，煤层最大厚度为2.5 m, 最小厚度为2.1 m, 平均厚度为2.3 m, 总体煤层厚度较稳定，平均埋深为750 m, 工作面煤层平均倾角为9°,属缓倾斜煤层，顶板为砂质泥岩和细粒砂岩，底板为砂质泥岩，综合地层柱状图如图1所示。

图1 综合地层柱状图

020203工作面长度为130 m, 走向长度为1 050 m, 采煤方法为走向长壁采煤法，采煤工艺为综采一次采全高，采用全部垮落法管理顶板。020205工作面与020203工作面相邻，计划在020203运输顺槽切顶卸压，留8 m窄煤柱沿空掘进020205工作面轨道顺槽。工作面布置图如图2所示。

图2 工作面布置

2、缓倾斜煤层切顶卸压机理

工作面推进一定距离后，基本顶达到极限跨距，会产生离层、断裂、回转、下沉等现象，形成砌体梁结构。沿空巷道上覆基本顶断裂线的位置主要位于煤柱内侧、巷道上方、实体煤侧，断裂线位置与煤岩的物理力学性质、地质条件、采煤方法等因素有关。根据文献[12]至文献[14]的研究，基本顶断裂线位置与巷道围岩稳定性关系密切，当基本顶断裂线位于巷道正上方时，如图3(a)所示，由于岩块B的回转下沉和对岩块A的水平推力使得巷道围岩应力增大，巷道围岩变形最大。

切顶卸压能够切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系，人为决定顶板断裂的位置，使采空区顶板沿着切缝线断裂，消除或减弱采空区基本顶回转、断裂对煤柱和巷道的影响，使侧向支承压力向深部转移，缩短顶板悬臂梁的长度，使顶板破碎系数增大，从而增大覆岩的支承能力。切顶后巷道顶板结构如图3(b)所示，顶板结构发生改变，岩块B不存在，岩块C已完全触矸，岩块A的附加载荷消失，巷道仅受岩块A的影响，有利于控制沿空掘巷的围岩稳定性。

图3 切顶与不切顶巷道顶板结构

3、缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压沿空掘巷力学模型

切顶卸压参数包括切顶角度和切顶高度。切顶角度过小将导致顶板无法顺利沿着切缝线切落，切顶角度过大将增大悬顶面积，影响沿空巷道稳定性。切顶高度过小无法保证基本顶全部切落，切顶高度过大则增大了现场施工强度，因此切顶卸压技术成功与否取决于切顶参数的合理性[15]。将基本顶上覆岩层载荷均匀作用在悬臂梁上方，切顶角度为切缝线与铅垂线的夹角β,建立了缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压沿空掘巷力学模型(见图4),结合020203工作面具体参数，计算合理的切顶角度和切顶高度。

图4 缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压沿空掘巷力学模型

3.1 切顶角度

当巷道切顶后，关键块B不存在，形成关键块A和C的铰接点，若关键块C可以顺着切缝线滑落，则能够顺利切顶，关键块C发生滑落失稳的临界条件为[16]:

[(T+Fcosθ)-Rsinθ]tanφ≤[(T+F)sinθ+Rcosθ] (1)

式中：α为煤层倾角，取9°;T为岩块岩层面的水平推力，根据块体平衡条件，按

计算，kN;R为两岩块之间的剪切力，R=ql,kN;F为岩块自重形成的挤压力，kN;H1为基本顶厚度，取7.1 m;q为载荷集度，取0.36 MPa;l为基本顶悬梁长度，当l刚好为基本顶极限跨距L时，式(1)为等式成立，L取12.25 m;β为切顶角度，(°);θ为切顶角度与煤层倾角之和，(°);φ为内摩擦角，取38°;Δs可以近似看作在沿采空区处的顶板下沉量；m为煤层厚度，取2.3 m;H2为直接顶厚度，取4.0 m;kp为采空区矸石碎胀系数，取1.3。

将各项参数代入式(4),计算得β≥-1.3°。

3.2 切顶高度

为了保证悬臂梁结构顺利垮落，基本顶岩层未贯穿面上的拉应力σ应大于其抗拉强度σt,未切缝线末端点a处的拉应力为[15,17]:

式中：M为未贯穿面处的弯矩，N·m;W为未贯穿面处的抗弯截面系数；h为未贯穿面高度，m;L′为切缝末端与基本极限顶跨距末端沿煤层倾斜方向上的距离，m;ρ为基本顶岩层容重，取2 500kg/m3。

式中：x0为煤柱极限平衡区，m;x1为切缝线始端与切顶巷道工作面帮的水平距离，m;x2为切缝线末端至切顶巷道工作面帮的水平距离，m;x3为过切缝末端煤层倾角垂线与过基本顶极限跨距末端煤层倾角垂线在水平方向上的距离，m;x4为基本顶极限跨距的斜投影，m;x5为过切缝末端铅垂线和煤层倾角垂线在水平方向上的距离，m;w为切顶巷道宽度，m;H3为切顶高度，m。

联立式(5)至式(11),可以求得未贯穿面上的拉应力σ为：

根据现场地质条件计算得：x0=2.77m,x1=2.25m、w=4.5m、x4=12.41m,拉应力σ为4.1MPa,取切顶角度β=0°,计算出切顶高度H3=9.51m。

4、数值模拟

4.1 数值模型与方案

为了得到合理的切顶参数，同时验证理论计算结果的准确性，以020203工作面为背景，建立缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压沿空掘巷FLAC3D数值计算模型。建立的数值计算模型尺寸(长×宽×高)为220 m×200 m×80 m, 如图5所示。固定模型四周及底边，顶部施加17.5 MPa的均布载荷以模拟上覆岩层自重，采用Mohr-Coulomb本构模型，各岩层物理力学参数见表1。工作面推进方向前后各留设50 m煤柱以消除边界效应影响，为减小计算模型尺寸，故模拟工作面宽度的一半，工作面开挖尺寸为70 m×100 m×2.3 m, 模拟煤柱宽度为8 m。本文以确定切顶参数为核心，故给巷道施加0.2 MPa模拟支护。

图5 数值模拟模型

表1 岩石物理力学参数

4.2 不同切顶高度数值模拟分析

为了研究不同切顶高度下沿空掘巷围岩应力分布及变形情况，设置切顶角度始终为0°即为沿铅垂线方向，切顶高度分别为0(不切顶)、6 m、8 m、10 m、11.1 m的模拟方案。

4.2.1 切顶高度与围岩应力的关系

对不同切顶高度条件下巷道围岩应力情况进行分析比较，巷道围岩应力与切顶高度的关系如图6所示，不同切顶高度条件下窄煤柱垂直应力分布规律如图7所示。

图6 巷道围岩应力与切顶高度的关系

由图6、图7可以看出，当不切顶时，煤柱内靠采空区侧产生了较大的应力集中，应力峰值为52.21 MPa, 应力集中系数为2.9,煤柱应力曲线为单峰形状；切顶高度为6 m时，煤柱应力急速下降，煤柱应力峰值向沿空巷道侧移动，煤柱应力曲线为马鞍形，应力峰值为37.35 MPa, 较不切顶时降低了约28%,说明切顶卸压可以切断顶板之间的联系，对巷道维护作用显著；切顶高度为8 m时，应力峰值为32.61 MPa, 较切顶高度为6 m时下降了约13%;切顶高度为10 m时，应力峰值为25.58 MPa, 较切顶高度为8 m时下降了约22%,应力曲线为类梯形，说明煤柱受力均匀，具有良好的支撑性；切顶高度为11.1 m时，应力峰值为24.45 MPa, 较切顶高度为10 m时下降了约4%,变化不大，说明切顶高度为10 m时，剩余的基本顶能够在自重和覆岩载荷的作用下顺利切落。

图7 不同切顶高度下窄煤柱垂直应力分布

由此可见，随着巷道切顶高度的不断增加，煤柱应力峰值逐渐减小，当切顶高度为10 m后，煤柱应力峰值和应力集中程度放缓，故最小切顶高度应为10 m。

4.2.2 切顶高度与围岩变形的关系

图8为不同切顶高度下的沿空掘巷围岩变形量。由图8可知，巷道变形量随切顶高度的增加而减小。当切顶高度从0增大到10 m, 顶板变形从198.98 mm降低至82.00 mm, 煤柱帮变形从135.18 mm降低至60.60 mm, 煤壁帮变形从92.94 mm降低至45.10 mm, 底板底鼓量从51.50 mm降低至42.10 mm, 围岩变形量明显降低。

当切顶高度为10～11.1 m时，顶板下沉量仅由82.00 mm减小至76.20 mm, 煤柱帮变形量由60.60 mm变化至60.96 mm, 煤壁帮变形从45.10 mm降低至41.91 mm, 底板底鼓量从42.10 mm降低至41.50 mm, 说明围岩变形基本趋于稳定。整体来看，切顶高度对顶板和煤柱帮变形影响较大，对底板变形影响较小，从巷道围岩变形分析，合理的切顶高度为10 m。

图8 不同切顶高度下沿空掘巷围岩变形量

4.3 不同切顶角度数值模拟分析

根据数值模拟结果，当巷道切顶角度为0°、切顶高度为10 m时，能够确保基本顶顺利切落，达到切顶护巷的预期效果。为了研究不同切顶角度下沿空掘巷围岩应力分布及变形情况，设置切顶高度固定为10 m, 切顶角度分别为-9°、0°、5°、9°的模拟方案。

4.3.1 切顶角度与围岩应力的关系

对切顶高度始终为10 m, 不同切顶角度条件下巷道围岩应力分布情况进行对比分析，巷道围岩应力与切顶角度的关系如图9所示，不同切顶角度下窄煤柱垂直应力分布规律如图10所示。

由图9、图10可以看出，当切顶角度为-9°时，煤柱靠沿空巷道侧出现了较大的应力集中，同时煤柱上方也出现了应力集中，煤柱内应力峰值为30.61 MPa, 说明此时由于切顶角度过小，基本顶部分岩层无法沿切缝线顺利切落，造成煤柱应力集中程度较高；当切顶角度为0°时，煤柱内部应力分布均匀，煤柱上方无较大应力集中现象，煤柱中部应力峰值为25.70 MPa, 较切顶角度为-9°时降低了约16%,变化较为明显；当切顶角度为5°时，煤柱内集中应力上升至27.00 MPa, 较切顶角度为0°时增加了约5%,增幅不大，此时切顶角度虽能使基本顶全部切断，但却增加了顶板悬露面积，使得煤柱应力增加；当切顶角度为9°时，由于顶板悬露面积的继续增大，煤柱内峰值应力增加至28.37 MPa, 较切顶角度为5°时增加了约5%。

切顶角度为0°时，煤柱内应力处于最低值，并且随着切顶角度的不断增大，煤柱内集中应力略有增加，说明切顶角度增加虽能使基本顶顺利切落，却增加了顶板的悬臂梁长度，造成煤柱和巷道围岩应力集中，整体来看，切顶角度为0°时切顶效果最佳。

图9 巷道围岩应力与切顶角度的关系

图10 不同切顶角度下窄煤柱垂直应力分布

4.3.2 切顶角度与围岩变形的关系

图11为不同切顶角度下的沿空掘巷围岩变形量。由图11可知，当切顶高度从-9°增大到0°时，顶板变形从105.43 mm降低至82.00 mm, 煤柱帮变形从89.34 mm降低至60.60 mm, 煤壁帮变形从57.99 mm降低至45.10 mm; 底板底鼓量从51.50 mm降低至42.10 mm, 围岩变形量明显降低。

图11 不同切顶角度下沿空掘巷围岩变形量

当切顶角度从0°增大到9°时，围岩变形量随切顶角度的增加而增大，顶板下沉量由82.00 mm增大至103.50 mm, 煤柱帮变形由60.60 mm增大至82.80 mm, 煤壁帮变形从45.10 mm增大至56.30 mm; 底板底鼓量从42.10 mm增大至43.10 mm。整体来看，切顶角度对顶板和煤柱帮变形影响较大，对底板变形和煤壁帮影响较小，从巷道围岩变形分析，合理的切顶角度为0°。

5、工业试验

5.1 炮孔间距现场试验

现场应用双向聚能预裂爆破技术对顶板进行切顶卸压[18],以降低采动应力对020205轨道顺槽的影响。根据理论计算和数值模拟的结果，考虑煤矿现场实际，最终确定切缝孔位置为巷道中部，钻孔深度为10 m, 钻孔角度为0°,即铅垂线方向，选取直径为42 mm的钻头进行打孔。采用不耦合装药连续爆破，聚能管直径为33 mm, 采用红土炮泥封孔，封孔长度为3 m。为了确定炮孔间距，首先在020203运输顺槽道内选取了一段区域进行试验，爆破试验共设计两个方案[9,19]。爆破试验钻孔布置如图12所示，1#、3#、4#、6#钻孔为爆破孔，2#、5#钻孔为预留观测孔，所有钻孔孔径均为42 mm, 1#、2#、3#钻孔间距为300 mm, 4#、5#、6#钻孔间距为400 mm。

采用CXK12矿用钻孔窥视仪进行窥视研究，爆破前，2#、5#钻孔孔壁完整。爆破后，所有爆破钻孔均未冲孔，说明红土封孔工艺实际应用效果好。

图12 爆破试验钻孔布置

图13为2#、5#钻孔窥视图像。由图13可以看出，2#钻孔在可窥视区间0～1.8 m范围内，较少地方出现倾斜裂隙，岩层破坏度较小；在1.8～5.1 m范围内，较多地方出现环状裂隙，岩层完整性一般；在6.1 m之后，孔壁较为破碎，裂隙较多，孔内有石块脱离，岩层完整性较差。研究表明，采用方案1进行爆破，岩层的爆破效果显著。

图13 2#、5#钻孔窥视

由此可见，爆破所形成的切缝半径在300 mm范围内效果明显，采用连续爆破时，炮孔间距以600 mm为宜。

5.2 巷道围岩变形分析

在不切顶区域和切顶区域对应的020205轨道顺槽沿空掘巷期间各选择一个测点，对现场巷道围岩变形数据进行整理，得到巷道顶底板和两帮变形曲线，如图14所示。由图14可知，巷道开掘后，不切顶时，巷道围岩变形在26 d后逐渐趋于平缓，切顶时，巷道围岩变形在15 d后逐渐趋于平缓，说明切顶卸压沿空掘巷围岩稳定所需的时间更短，围岩可较快稳定。不切顶时，巷道顶底板最大移近量为339.65 mm, 两帮最大移近量为264.66 mm; 切顶时，巷道顶底板最大移近量为100.00 mm, 两帮最大移近量为83.50 mm, 较不切顶时分别降低了70.56%、68.45%,巷道围岩变形显著降低。说明留8 m窄煤柱，切顶高度为10 m、切顶角度为0°的切顶卸压方案能够成功抑制巷道围岩变形。

图14 巷道表面位移监测数据

6、结论

(1) 通过分析切顶卸压机理可知，切顶卸压能够切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系，人为决定顶板断裂位置，改善巷道顶板结构，从而降低围岩应力，提高沿空掘巷的围岩稳定性。

(2) 合理的切顶角度和切顶高度是切顶卸压技术的关键，通过建立倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压沿空掘巷力学模型，计算出020203运输顺槽切顶角度不小于-1.3°,切顶高度不小于9.51 m。

(3) 数值模拟结果表明，切顶高度为10 m、切顶角度为0°时，可以切断工作面顶板和巷道顶板之间的应力传递，切顶效果最好，此时围岩垂直应力峰值为25.58 MPa, 顶板、煤柱帮、煤壁帮、底板变形量分别为82.00 mm、60.60 mm、45.10 mm、42.10 mm。

(4) 现场不同炮孔间距爆破试验表明：爆破孔间距为600 mm时，孔壁破碎，爆破效果理想；切顶卸压技术实施后，较不切顶段巷道围岩变形量小，较快趋于稳定，切顶卸压取得了良好效果。

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基金资助:国家自然科学基金资助项目(52264010);内蒙古自然科学基金资助项目(2021BS05011);

文章来源:庄志鹏,郑文翔,段晓博,等.缓倾斜煤层留窄煤柱切顶卸压合理参数研究[J].矿业研究与开发,2024,44(11):66-74.