巷道頂板的切頂卸壓參數(shù)分析

楊瑞峰

（山西臨汾西山能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)指揮部，山西 臨汾041000）

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源儲(chǔ)存豐富，且煤炭開采量也是逐年增加，我國(guó)每年的煤炭資源占據(jù)了我國(guó)能源消耗的70%左右，隨著煤炭資源的不斷開采，煤炭資源的存儲(chǔ)量不斷減少。高效綠色開采已經(jīng)成為了我國(guó)現(xiàn)階段煤炭開采的主要目標(biāo)[1]。沿空留巷技術(shù)是一種可以提升煤炭開采率，降低巷道的掘進(jìn)時(shí)間[2,3]，有效地提升了礦井的開采成本，同時(shí)沿空留巷技術(shù)在一定程度上可以提升瓦斯抽采率，降低瓦斯對(duì)工作面開采的危害。沿空留巷技術(shù)在我國(guó)許多煤礦已經(jīng)開始施行，一般來(lái)說(shuō)沿空留巷處在采空區(qū)的附近，采空區(qū)的上賦巖層頂板由于工程擾動(dòng)較大會(huì)發(fā)生變形和下沉，且巷道的圍巖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著工作面的推進(jìn)，巷道的圍巖變形量不斷增大，對(duì)工作面造成巨大的危害。許多學(xué)者對(duì)此作出過研究，通過研究上覆巖層頂板的活動(dòng)規(guī)律和圍巖的變形機(jī)理來(lái)解決沿空留巷的頂板下沉和圍巖變形的問題。此外很多的學(xué)者對(duì)上覆巖層的頂板進(jìn)行切頂卸壓研究，切頂卸壓的方式大致分為鉆孔爆破卸壓和水力壓裂卸壓[4]。由于水力壓裂卸壓技術(shù)在煤礦的使用條件較為苛刻，目前礦山頂板的切頂卸壓方式一般多選擇鉆孔爆破泄壓方式。本文通過FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)沿空留巷的巷道切頂高度和切頂?shù)慕嵌葘?duì)巷道頂板的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，為解決巷道頂板下沉和巷道圍巖變形量較大等問題提供了一定的指導(dǎo)。

1 建模及邊界條件設(shè)定

沿空留巷技術(shù)可以有效地減少巷道的掘進(jìn)時(shí)間，提升礦山的采出率。但沿空留巷技術(shù)會(huì)對(duì)采空區(qū)的邊緣采動(dòng)影響較大，使巷道的變形量增大。為了更加合理地提升沿空留巷的施工效率。本文通過FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)切頂卸壓參數(shù)，如切頂?shù)母叨群颓许數(shù)慕嵌冗M(jìn)行了研究和分析。

利用數(shù)值模擬建模軟件對(duì)巷道變形和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地質(zhì)條件對(duì)建模進(jìn)行賦值，建立如圖1所示的模型示意圖。

圖1 模型建立示意圖

如圖1所示，建立的模型尺寸為長(zhǎng)度為179 m，寬度設(shè)置為160 m，高度設(shè)置為40 m，設(shè)定完成后，共有33萬(wàn)網(wǎng)格單元和35萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。模擬埋深470 m的煤層，按照上覆巖層的巖體容重為25 kN/m3，經(jīng)過計(jì)算后可得出施加上覆邊界應(yīng)力為12 MPa，倆側(cè)圍巖應(yīng)力設(shè)置相同，都為垂直應(yīng)力的0.8倍，設(shè)置為9.6 MPa，對(duì)上部的巖體進(jìn)行固定，剩余方向?yàn)樽杂煞较?，煤層的厚度設(shè)置為2.8 m。

建立巖體材料的本構(gòu)模型，呈現(xiàn)巖體應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，當(dāng)選擇本構(gòu)模型符合材料力學(xué)特性時(shí)，模擬可靠性才會(huì)得到有效提升，本文選擇摩爾模型。強(qiáng)度準(zhǔn)則表示為：

式中：б1和б3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；φ為巖石的內(nèi)摩擦角；C為巖石的內(nèi)聚力；當(dāng)最大與最小主應(yīng)力差小于0時(shí)，巖石發(fā)生破壞。

模型中各層力學(xué)參數(shù)設(shè)定依次為：第一層為泥質(zhì)砂巖，厚度設(shè)定為2.7 m，體積模量設(shè)置為3.1 GPa，剪切模量為1.8 GPa，內(nèi)摩擦角設(shè)定為34°，內(nèi)聚力設(shè)定為1.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.2 MPa；第二層為砂質(zhì)泥巖互層，厚度設(shè)定為5 m，體積模量設(shè)置為2.45 GPa，剪切模量為1.4 GPa，內(nèi)摩擦角設(shè)定為24°，內(nèi)聚力設(shè)定為1.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.6 MPa；第三層為泥質(zhì)砂巖，厚度為4.97 m；第四層為細(xì)砂巖，厚度設(shè)定為2.0 m，體積模量設(shè)置為7.5 GPa，剪切模量為4.4 GPa，內(nèi)摩擦角設(shè)定為40°，內(nèi)聚力設(shè)定為2.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.1 MPa；第五層為泥質(zhì)砂巖，厚度為11.3 m；第六層為3號(hào)煤層，厚度設(shè)定為2.86 m，體積模量設(shè)置為1.9 GPa，剪切模量為0.8 GPa，內(nèi)摩擦角設(shè)定為20°，內(nèi)聚力設(shè)定為0.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.2 MPa；第七層為泥質(zhì)砂巖，厚度為0.8 m；第八層為細(xì)砂巖，厚度為4.5 m；第九層為4號(hào)煤層，厚度設(shè)定為0.42 m，體積模量設(shè)置為1.9 GPa，剪切模量為0.8 GPa，內(nèi)摩擦角設(shè)定為20°，內(nèi)聚力設(shè)定為0.8 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.2 MPa；第十層為細(xì)砂巖，厚度為1.87 m；最后一層為砂質(zhì)泥巖厚度為2.5 m。模擬的切頂高度6 m和14 m的應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)模擬切頂角為50°和60°的應(yīng)力場(chǎng)分布。

圖2 不同切頂高度的應(yīng)力（Pa）分布圖

2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

如圖2所示為不同切頂高度下的垂直應(yīng)力分布圖，從不同的切頂高度圖可以看出，不同的切頂高度有著不同的垂直應(yīng)力分布。隨著采掘工作的不斷推進(jìn)，在切頂?shù)淖髠?cè)呈現(xiàn)了應(yīng)力的降低區(qū)，這可以說(shuō)明靜態(tài)的切頂卸壓可以很好的降低采空區(qū)的應(yīng)力分布情況。在切頂線的右側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力的集中現(xiàn)象，并在煤柱的內(nèi)部的4～16 m的區(qū)域內(nèi)，垂直應(yīng)力的分布明顯增高，并在5～8 m的范圍內(nèi)應(yīng)力達(dá)到峰值狀態(tài)。最大的垂直應(yīng)力為31.5 MPa；從切頂?shù)母叨葟? m增加到14 m的時(shí)候，煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域明顯減小，應(yīng)力峰值分布的區(qū)域也明顯減小，煤柱的內(nèi)部4～10 m的范圍內(nèi)為應(yīng)力的增加區(qū)域，峰值應(yīng)力最大值33 MPa。可以看出隨著靜態(tài)切頂?shù)母叨炔粩嘣黾?，煤柱中?yīng)力的峰值區(qū)域明顯減小，切頂高度的增加可以有效地降低應(yīng)力的分布區(qū)域，減小巷道的變形量。不同的切頂高度都可以有效地切斷留巷的頂板和采空區(qū)的頂板間的應(yīng)力傳導(dǎo)。切頂?shù)母叨仍礁?，頂板的垮落越完全，有效地降低了煤柱的?yīng)力分布情況。

為了研究不同的切頂角度下沿空留巷的上賦巖層與采動(dòng)影響下的圍巖受力分析，對(duì)切頂角度為50°和70°的圍巖進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

圖3 不同的切頂角度下的應(yīng)力（Pa）分布情況圖

如圖3所示，不同切頂角度下的垂直應(yīng)力分布情況，可以看出沿空留巷的圍巖應(yīng)力集中隨著切頂?shù)慕嵌榷煌?，隨著掘進(jìn)工作的推進(jìn)，沿空留巷周邊處于應(yīng)力降低范圍。當(dāng)頂板切頂角度為50°時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中分布范圍較大；當(dāng)頂板的切頂為70°時(shí)，煤柱的內(nèi)部應(yīng)力集中的范圍較小，且隨著切頂角度的增加，垂直應(yīng)力的最大值也有所增大，從切頂?shù)慕嵌葹?0°的30.3 MPa增大到了切頂角度為70°時(shí)的31.3 MPa。

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，頂板切頂角度不同對(duì)沿空留巷巷道圍巖的變形和應(yīng)力都會(huì)有所影響，一般來(lái)說(shuō)當(dāng)切頂角度較小時(shí)，并不能較好地切斷采空區(qū)和沿空留巷頂板之間的聯(lián)系，且煤柱應(yīng)力集中情況也比較突出。當(dāng)頂板切頂角度提升到70°時(shí)能較好地切斷采空區(qū)和沿空留巷頂板之間的聯(lián)系，且沿空留巷頂板垮落效果較好，巷道頂板處在應(yīng)力的降低區(qū)，頂板的下沉量較小，切頂效果較為優(yōu)越。

3 結(jié)論

1）根據(jù)模擬埋深為470 m的煤層，監(jiān)測(cè)的上覆巖層的巖體容重為25 kN/m3，經(jīng)過計(jì)算后得出上覆巖層的施加應(yīng)力為12 MPa，圍巖水平應(yīng)力設(shè)置相同，都為垂直應(yīng)力的0.8倍，設(shè)置為9.6 MPa。

2）模擬不同切頂高度后發(fā)現(xiàn)，隨著切頂高度的增加，巷道頂板的垮落越充分，且切頂高度越高煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中的范圍越小。

3）經(jīng)過模擬不同的切頂角度后發(fā)現(xiàn)，隨著切頂角度的不斷增加，巷道頂板的垮落越完全，且下沉量較小。