切頂卸壓沿空留巷圍巖變形規(guī)律與控制研究

馮濤

摘 要：斜溝礦為了解決堅(jiān)硬頂板對(duì)礦山造成的一系列問題，對(duì)頂板切頂卸壓進(jìn)行研究，根據(jù)理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬得出了綜放面超前支撐壓力最大值距離兩幫8.9m，并給出切頂高度6m為切頂最合理高度，有效的提升了切頂卸壓的可行性，為巷道的維護(hù)作出一定的貢獻(xiàn)，提升了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬頂板;切頂卸壓;圍巖應(yīng)力;支撐力

1 前言

堅(jiān)硬頂板的存在一直困擾著礦山的生產(chǎn)，由于頂板極難垮落造成上覆巖層形成大面積的懸頂，而懸頂發(fā)生斷裂會(huì)造成沖擊地壓，對(duì)礦山人員及設(shè)備造成巨大的威脅。在留保護(hù)柱開采的礦山，堅(jiān)硬頂板迫使保護(hù)柱尺寸加大，造成資源浪費(fèi)，降低了礦山的開采效率。在無保護(hù)煤柱開采的礦山，由于堅(jiān)硬頂板造成巷道圍巖的變形量變大，維護(hù)成本增加。所以對(duì)工作面巷道頂板進(jìn)行切頂卸壓對(duì)提升巷道穩(wěn)定性有著重要的作用。此前眾多學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板的問題進(jìn)行過一定的研究。王炯為了降低巷道的變形量及加強(qiáng)巷道圍巖的穩(wěn)定性，在原支護(hù)基礎(chǔ)上通過恒阻錨索對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。較好的解決了巷道頂板下沉量大及圍巖變形大的問題。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的切頂卸壓效果進(jìn)行研究，為綜采工作面的切頂卸壓作出一定的參考。

2 支撐峰值點(diǎn)計(jì)算

斜溝礦18103工作面開始回采后，巷道圍巖的內(nèi)部應(yīng)力重新分布，護(hù)巷煤柱承載上覆巖層的壓力，隨著工作面進(jìn)一步，應(yīng)力沿著工作面的推進(jìn)方向擴(kuò)展如圖1為塑性變形區(qū)支撐應(yīng)力分布圖。

如圖1可知，隨著工作面的推進(jìn)應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，根據(jù)超前支撐的影響區(qū)域?qū)⑵鋭澐譃?個(gè)區(qū)域，分別為I破碎區(qū)、II塑性分布區(qū)、III彈性分布區(qū)、IV原巖應(yīng)力區(qū)。四個(gè)區(qū)域內(nèi)分別易發(fā)生片幫、塑性變形、巖體變形和無影響。對(duì)超前支撐的峰值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。首先可得塑性區(qū)的垂直應(yīng)力可表示為：

公式中：N0為兩幫的支撐力，?為內(nèi)摩擦角，m為采高;f為層面的摩擦系數(shù)。為了使工作面的兩幫達(dá)到平衡狀態(tài)，需要其承載力達(dá)到：

公式中：C為內(nèi)聚力。塑性區(qū)的范圍需要滿足垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，所以將σZ=KγH代入上式中，可以計(jì)算得出綜放面超前支撐壓力最大值與兩幫間距表達(dá)式為：

其中：X0為峰值點(diǎn)至兩幫距離，m;K為應(yīng)力集中系數(shù);γ為上覆巖層的容重，kN·m3;H為巖層的厚度，m。將礦山資料進(jìn)行代入可以得到支撐峰值點(diǎn)至兩幫的距離為8.9m。

3 數(shù)值模擬研究

為了研究切頂卸壓參數(shù)切頂高度對(duì)切頂效果的影響進(jìn)行分析，本文選定切頂高度為4m、6m及8m進(jìn)行數(shù)值模擬分析，給出最佳切頂效果的切頂高度。

首先進(jìn)行數(shù)值模擬模型的建立，設(shè)定模型的長寬高分別為140m、2m和100m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果對(duì)模擬有著至關(guān)重要的影響。模型劃分過于粗糙時(shí)模擬的結(jié)果的精確性就會(huì)不足，且出圖的效果較為粗糙，但模型劃分過細(xì)時(shí)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間較長，所以應(yīng)當(dāng)充分考慮精確性與電腦的性能。完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行物理性質(zhì)的設(shè)定，結(jié)合斜溝礦18103工作面實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，頂板巖性自上而下分別為：中粒砂巖、粉砂巖、泥巖、細(xì)砂巖和粗砂巖。

完成參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的約束進(jìn)行設(shè)置，固定邊界的位移，對(duì)模型的上端部加以載荷P，載荷P根據(jù)上覆巖層情況進(jìn)行施加。經(jīng)過計(jì)算可得上覆巖層的容重為12MPa。施加完成后的模型圖如圖2所示。

通過對(duì)不同的切頂高度巷道垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道切頂高度設(shè)定為4m時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力主要集中于兩幫左側(cè)區(qū)域的位置，應(yīng)力峰值最大為36.3MPa，同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出對(duì)稱分布特性，應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。切頂高度為4m時(shí)的巷道周邊應(yīng)力情況可以看現(xiàn)，巷道周邊的應(yīng)力集中只要在巷幫的正對(duì)面距離3.8m的位置，此時(shí)巷道的維護(hù)較為困難，易發(fā)生巷道的（下轉(zhuǎn)第233頁）（上接第231頁）變形過大，增加了巷道的維護(hù)成本，所以切頂高度為4m時(shí)切頂效果較差。當(dāng)切頂高度來到6m時(shí)，此時(shí)的圍巖集中主要在兩幫的左上部位且距離較遠(yuǎn)，此時(shí)的應(yīng)力的峰值35.9MPa，較切頂高度4m時(shí)的應(yīng)力峰值有所下降，應(yīng)力集中系數(shù)為3.04。切頂高度為6m時(shí)的巷道周邊的應(yīng)力集中范圍主要集中在巷幫左上部約14.5m處，距離巷道較遠(yuǎn)，此時(shí)巷道的維護(hù)較為容易，維護(hù)成本較低，所以切頂?shù)男Ч^好。當(dāng)切頂?shù)母叨葹?m時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力分布圖的應(yīng)力集中在兩幫的左上側(cè)較遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力峰值繼續(xù)有所下降為35.3，應(yīng)力集中系數(shù)為3.03。巷道周邊巖石的應(yīng)力集中距離巷幫上端15.3m處，此時(shí)的巷道變形量較小，維護(hù)較為簡(jiǎn)單，所以切頂高度8m時(shí)巷道維護(hù)最佳。不同切頂高度垂直應(yīng)力分布圖如圖3所示。

為了更好的對(duì)兩幫側(cè)向的支撐力的分布，我們?cè)谙锏纼?nèi)側(cè)布置4條監(jiān)測(cè)線，對(duì)不同切頂高度下的兩幫側(cè)向的支撐壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖所示。當(dāng)切頂高度為4m時(shí)，4個(gè)位置的的側(cè)向支撐力的變化趨勢(shì)幾乎相似，在距離兩幫5m的位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值從大到小依次為兩幫上側(cè)、兩幫側(cè)中部、兩幫上側(cè)4m和兩幫上側(cè)9m，完全符合距離兩幫越遠(yuǎn)，應(yīng)力的影響越小。應(yīng)力主要集中于距兩幫30m的范圍內(nèi)。當(dāng)切頂高度增大至6m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值在距離兩幫10m的位置出現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域在兩幫20m的范圍內(nèi)，相對(duì)于切頂4m的應(yīng)力峰值，切頂6m的峰值從兩幫深部向上轉(zhuǎn)移。觀察切頂高度8m的支撐應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的峰值部位出現(xiàn)在距離兩幫10m處，應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)在距離兩幫20m以內(nèi)。相較切頂高度6m時(shí)無明顯的優(yōu)勢(shì)，且花費(fèi)較大，所以選擇切頂高度6m最合適，此時(shí)兩幫側(cè)幫圍巖的完整性較好。

4 結(jié)論

①根據(jù)理論推導(dǎo)得出塑性區(qū)的垂直應(yīng)力計(jì)算公式，并給出支撐峰值點(diǎn)距離兩幫的距離公式，并代入地質(zhì)資料得出支撐峰值點(diǎn)距離兩幫8.9m處;②對(duì)不同切頂高度下的垂直應(yīng)力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)切頂4m時(shí)的巷道垂直應(yīng)力分布較為靠近巷道不利于維護(hù)，6m和8m時(shí)巷道較容易維護(hù);③根據(jù)對(duì)不同切頂高度下的兩幫側(cè)向的支撐壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，切頂高度6m時(shí)已經(jīng)滿足礦山的開采需求，所以選擇切頂高度6m最為合適。