厚硬基本頂巖層切頂留巷參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

李昊城，宋選民，朱德福，曹健潔

(太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

隨著淺部煤炭資源的不斷減少，我國煤礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的留煤柱開采造成的資源浪費(fèi)以及巷道圍巖變形較大的問題日益凸顯[1]。沿空留巷技術(shù)可以有效的解決該問題，根據(jù)護(hù)巷方式的不同，可分為巷旁充填留巷及切頂卸壓留巷[2]。巷旁充填留巷上覆巖層的結(jié)構(gòu)并未改變，在兩次采動(dòng)的影響下依舊會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且剛性巷旁充填體無法達(dá)到與頂板的協(xié)同變形，導(dǎo)致沿空巷道的穩(wěn)定性較難控制[3，4]。而切頂卸壓留巷指利用定向切縫技術(shù)切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，減弱了工作面回采時(shí)巷道的應(yīng)力集中，待工作面回采后，利用垮落巖石的碎脹性形成巷道碎石幫，實(shí)現(xiàn)了無煤柱，無充填的高效留巷[5，6]。切頂成巷的切縫參數(shù)及巷旁、巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)是該技術(shù)的關(guān)鍵，選擇合理的切頂參數(shù)及支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)于切頂成巷的效果及圍巖穩(wěn)定性影響重大[7-9]。為此眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，孫曉明等[10]針對(duì)薄煤層切頂卸壓開采，通過理論分析及數(shù)值模擬確定出合理的切頂高度、角度及炮孔間距；朱珍等[11]通過分析回采過程中頂板巖層的運(yùn)動(dòng)特征，建立了切頂自成巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)出了切頂留巷頂板支護(hù)阻力的表達(dá)式并分析了影響支護(hù)阻力的關(guān)鍵因素；遲寶鎖等[12]以檸條塔煤礦大采高S1201工作面為背景，通過現(xiàn)場不同支護(hù)方案的對(duì)比試驗(yàn)，得出了有效的切頂留巷支護(hù)參數(shù)，有效控制圍巖變形。

上述研究成果為切頂留巷卸壓開采技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但相關(guān)研究多將切頂參數(shù)及切頂阻力對(duì)于頂板切落的影響分開研究，對(duì)于二者耦合作用下頂板切落的研究還較少，為此，本文以黑龍煤業(yè)1103工作面薄直接頂、厚基本頂為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的研究方法，通過建立切頂留巷頂板斷裂力學(xué)模型，分析了基本頂斷裂與切縫參數(shù)、切頂阻力間的關(guān)系，模擬確定出合理的切頂留巷參數(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐。

1 工程概況

黑龍煤業(yè)1103工作面主采2號(hào)煤層，平均埋深210m，煤層厚度0.9～1.45m，平均1.35m，不含夾矸；煤層平均傾角4.27°，屬近水平中厚煤層。工作面走向長度530m，傾向長度150m。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔可知：工作面直接頂為泥巖，平均厚度1.0m；基本頂為平均厚度5.0m的細(xì)砂巖；直接底為泥巖，平均厚度2.8m；基本底為粉砂巖，平均厚度14.0m。

1105工作面位于1103工作面的南面，緊鄰1103工作面，考慮到采掘關(guān)系緊張以及資源的最大化利用，黑龍煤業(yè)決定采用切頂留巷技術(shù)將1103運(yùn)輸巷作為1105工作面回風(fēng)巷使用。為保證留巷的穩(wěn)定以及利于施工，1103切頂留巷起始位置位于1105工作面開切眼后方20m處。由于原切頂參數(shù)、留巷支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，在工作面推進(jìn)過程中，厚基本頂未能沿切縫面有效斷裂滑落，導(dǎo)致巷道頂板傾斜下沉，部分區(qū)域的巷旁側(cè)頂板變形嚴(yán)重甚至發(fā)生了局部冒頂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了巷道的穩(wěn)定性及人員安全，因此有必要對(duì)該地質(zhì)條件下的切頂參數(shù)、巷旁切頂阻力及巷內(nèi)支護(hù)進(jìn)行研究改進(jìn)，保證切頂留巷的穩(wěn)定性滿足生產(chǎn)要求。

2 切縫參數(shù)計(jì)算

根據(jù)切頂卸壓留巷技術(shù)原理及本工程背景，厚基本頂切頂卸壓留巷工藝如圖1所示，由圖1可知，隨著工作面的推進(jìn)，較弱的薄直接頂泥巖以及部分下位基本頂細(xì)砂巖快速垮落，而上位厚基本頂在采空區(qū)側(cè)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于垮落矸石不能及時(shí)支撐住懸臂結(jié)構(gòu)，且煤層厚度僅為1.35m，受采空區(qū)高度限制，受載基本頂在彎曲下沉的過程中可能未破斷便與采空區(qū)接觸，使得覆巖壓力向留巷頂板傳遞，影響留巷的穩(wěn)定性。綜上所述，為使得厚基本頂沿切縫面斷裂，有效切斷上位頂板間的應(yīng)力聯(lián)系，需從切縫參數(shù)及巷旁支護(hù)阻力入手對(duì)切頂留巷設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化研究，保證留巷圍巖的穩(wěn)定性達(dá)到要求。

圖1 切頂留巷布置

2.1 切頂高度與切頂阻力

根據(jù)工程條件，可將側(cè)向基本頂視為下位含有切裂縫的單邊裂縫懸臂梁，采用斷裂力學(xué)理論分析含切縫巖梁的切斷條件，其計(jì)算力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 切頂巖層斷裂力學(xué)計(jì)算模型

由圖2可知，側(cè)向上位基本頂斷裂前被看做(視為)單邊裂縫有限板模型，切裂縫為由Ⅰ型張開型和Ⅱ型滑開型組成的復(fù)合型裂縫。由于側(cè)向基本頂所受荷載為復(fù)合荷載，因此應(yīng)力強(qiáng)度因子可分解成若干簡單荷載的組合，不同荷載下的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式[13，14]如下：

覆巖荷載q及巷旁切頂阻力Q的剪切合力，引起的Ⅱ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡq：

式中，M為梁彎矩，N·m。

FM(a/b)=1.122-1.40a/b+7.33(a/b)2-

13.08(a/b)3+1.40(a/b)4

由于彎矩主要是由上覆巖層引起，M=ql2/2，故式(4)應(yīng)為：

巖梁單邊裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子等于各簡單荷載應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加，即：

根據(jù)大量的(巖石壓剪斷裂判據(jù)及其應(yīng)用)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場實(shí)測，巖石的壓剪斷裂判據(jù)為：

λ∑KI+|∑KII|=Kc

(5)

式中，λ為壓剪比；Kc巖石的斷裂韌性。

將式(4)代入式(5)得：

當(dāng)上位基本頂切縫高度a和巷旁切頂阻力Q滿足式(8)時(shí)，上位基本頂可沿裂縫結(jié)構(gòu)面有效斷裂。其中a=HF-1，a≠0，代入式(6)可得巷旁切頂阻力Q的計(jì)算式：

為量化切頂高度與切頂阻力間的關(guān)系，根據(jù)1103工作面的工程條件，取b=5.0m，λ=1，基本頂粉砂巖斷裂韌性Kc=1MN/m3/2，q=0.21MPa，結(jié)合文獻(xiàn)[14]的研究，確定L=12m；將這些參數(shù)代入式(7)分析切頂高度對(duì)切頂阻力的影響，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 切頂高度對(duì)切頂阻力的影響

由圖3可知，巷旁切頂支護(hù)阻力先近似呈線性增加，此時(shí)巷旁切頂阻力的主要作用為切頂；而當(dāng)切頂高度達(dá)到3m時(shí)，切頂阻力隨著切頂高度的增加而降低，由于基本頂裂縫貫通率逐漸增大，因此基本頂更易斷裂，巷旁切頂支護(hù)阻力的主要作用開始由切頂逐漸轉(zhuǎn)為支護(hù)；當(dāng)切頂高度增加到4.5m時(shí)，切頂阻力開始出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)，基本頂在裂縫及覆巖載荷的作用下即可自行斷裂，但由于無法對(duì)基本頂?shù)臄嗔堰M(jìn)行控制，厚硬基本頂可能在工作面剛推過后就切落，影響留巷的穩(wěn)定性。

2.2 切頂角度

當(dāng)側(cè)向基本頂在巷旁外側(cè)沿切縫結(jié)構(gòu)面發(fā)生斷裂后，切縫結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的斷裂巖塊及巖梁形成鉸接結(jié)構(gòu)，并依靠二者之間的摩擦力保持平衡，而只有當(dāng)斷裂巖塊沿切縫面滑落失穩(wěn)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)頂板應(yīng)力聯(lián)系的有效切斷和順利垮落。此時(shí)，合理的切頂角度是實(shí)現(xiàn)斷裂巖塊滑落失穩(wěn)的關(guān)鍵，根據(jù)文獻(xiàn)的研究，巖塊滑落失穩(wěn)的條件為[15]：

Tsin(φ-θ)≥qLcos(φ-θ)

(8)

其中：

式中，T為巖塊所受的水平擠壓力，kN；φ為頂板巖石內(nèi)摩擦角，(°)；θ為切頂角度，(°)；Hm為基本頂巖層厚度，m；△S為斷裂巖塊的下沉量，m。

將式(9)代入式(8)并化簡得：

既當(dāng)切頂角度滿足式(10)時(shí)，斷裂巖塊可順利沿切縫面滑落失穩(wěn)。由某礦1103工作面工程地質(zhì)條件取φ=42°，Hm=5m，L=12m，△S=1.05m代入式(12)得θ≥8.7°，考慮到施工的便利性并利于留巷的維護(hù)，預(yù)裂切頂角度取10°。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)黑龍礦業(yè)1103工作面的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析不同切頂參數(shù)下切頂留巷附近圍巖垂直應(yīng)力及位移分布情況，確定出合理的切頂參數(shù)，并驗(yàn)證理論分析的正確性。

模型尺寸為230m×100m×73m，底部固定，四周限制水平位移，上表面為應(yīng)力邊界，施加4.02MPa的荷載，模擬上覆巖層重量。工作面分次開挖，每次推進(jìn)5m，為使得模擬效果更真實(shí)，采空區(qū)采用雙屈服本構(gòu)模型進(jìn)行充填模擬，其參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[16]確定。材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，各巖層物理力學(xué)參數(shù)及采空區(qū)參數(shù)見表 1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 切頂高度的確定

為了進(jìn)一步分析切頂高度對(duì)沿空留巷穩(wěn)定性的影響，模擬采用三種切頂高度，分別為3m、4m、5m，切頂角度為0°，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同切頂高度的垂直應(yīng)力分布情況

圖5 不同切頂高度巷道頂板移近變形特征

由圖4可以看出，預(yù)裂切頂高度為3m時(shí)，工作面推進(jìn)后，留巷左側(cè)的實(shí)體煤內(nèi)產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，且范圍較大，應(yīng)力峰值為50.5MPa，距離留巷左幫2m；切頂高度為4m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力集中峰值為44.1MPa，應(yīng)力峰值留巷煤幫3.5m；切頂高度為5m時(shí)，側(cè)向應(yīng)力集中峰值為43.8MPa，應(yīng)力峰值留巷煤幫3m。從上述分析可知，3m切頂時(shí)側(cè)向應(yīng)力集中范圍及應(yīng)力峰值較大，且距巷幫較近，4m切頂時(shí)的應(yīng)力峰值相比3m切頂時(shí)明顯降低，且逐漸遠(yuǎn)離巷幫，而5m切頂與4m切頂?shù)膽?yīng)力集中范圍、應(yīng)力峰值大小及位置相差不大。另外，隨著切頂高度的增加，作用在切縫線頂端的應(yīng)力越來越大，應(yīng)力集中也越來越明顯，這也使得基本頂未貫穿面在覆巖荷載的作用下更容易斷裂。

不同切頂高度下監(jiān)測的巷道頂板變形情況如圖5所示。由圖5可知，不同切頂高度下的巷道頂板變形規(guī)律相近，均呈現(xiàn)出非對(duì)稱性，采空區(qū)側(cè)頂板變形量明顯大于實(shí)體煤一側(cè)。當(dāng)切頂高度為3m時(shí)，頂板最大下沉量為270mm；切頂高度為4m時(shí)，頂板最大下沉量為230mm，較切頂高度為3m時(shí)減小了15%；切頂高度為5m時(shí)，頂板最大下沉量為210mm，頂板整體的下沉量與切頂高度為4m時(shí)相差不大。

綜上分析可知：頂板預(yù)裂切頂高度為3m時(shí)，留巷基本頂與采空區(qū)頂板仍有較好的應(yīng)力聯(lián)系，使得基本頂回轉(zhuǎn)下沉?xí)r造成留巷附近圍巖應(yīng)力及垂直位移都較大，不利于留巷的形成；而當(dāng)切頂高度為4m時(shí)，側(cè)向支承壓力峰值與留巷位移均明顯降低，巷道的卸壓效果也較好，且垮落后的矸石充滿了采空區(qū)，較好的支撐了上覆巖層；切頂高度為5m時(shí)的留巷的應(yīng)力場及位移場與4m切頂高度相差不大，說明二者基本頂?shù)那袛喑潭燃安煽諈^(qū)充填程度均較好，且效果相近，再增加切頂高度的意義不大，但考慮到5m切頂高度時(shí)，厚硬基本頂可能會(huì)在工作面推進(jìn)時(shí)便切落，影響留巷的穩(wěn)定性，因此選擇4m切頂高度較為合適。另外，由于受采空區(qū)高度的限制，基本頂回轉(zhuǎn)下沉空間較小，垂直預(yù)裂的基本頂斷裂效果不理想，還另需調(diào)整切頂角度及增加巷旁切頂阻力，才能保證基本頂?shù)捻樌新洹?/p>

3.3 切頂角度的確定

基于對(duì)切頂高度的模擬結(jié)果，為得出合理的切頂角度，建立了5°、10°、15°和20°的切頂角度計(jì)算模型，切頂高度均設(shè)置為4m，并與0°切頂角度時(shí)的留巷應(yīng)力及位移分布情況做對(duì)比。模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同切頂角度的垂直應(yīng)力分布情況

不同切頂角度留巷附近的垂直應(yīng)力分布情況如圖6所示，由圖6可知，切縫向采空區(qū)偏移一定角度時(shí)，待工作面回采后，留巷頂板上方的卸壓范圍均較0°切頂時(shí)要明顯增加；且留巷側(cè)向應(yīng)力集中范圍及集中程度均小于0°切頂，表明切縫面向采空區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，基本頂?shù)那新湫Ч?，留巷附近的圍巖壓力有所減小。另外，由圖6(c)(d)可知，從切縫偏轉(zhuǎn)15°開始，巷道頂板中部開始出現(xiàn)正應(yīng)力，且到20°時(shí)正應(yīng)力集中范圍變大，這是由于隨著切頂角度的增大，頂板側(cè)向懸露長度增大，進(jìn)而導(dǎo)致頂板上方圍巖向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)，側(cè)向應(yīng)力升高。此時(shí)頂板中部區(qū)域垂直應(yīng)力向上，而兩邊垂直應(yīng)力向下，處于易破壞的受拉狀態(tài)，不利于巷道維護(hù)。

由圖7可知，切縫偏轉(zhuǎn)一定角度后，沿空留巷頂板的整體下沉量較0°切頂時(shí)均有所減小，這是由于當(dāng)頂板預(yù)裂切頂角度為 0°時(shí)，采空區(qū)側(cè)基本頂巖塊無法沿切縫面順利垮落，仍然能向留巷頂板傳遞力的作用，且采空區(qū)基本頂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉帶動(dòng)留巷頂板的運(yùn)動(dòng)，使得0°時(shí)的頂板下沉量較大。其中5°切頂?shù)捻敯遄畲笙鲁亮?73mm，較0°切頂時(shí)的頂板最大下沉量減小了約25%；而10°切頂時(shí)的頂板整體下沉量要低于5°切頂，其最大下沉量為168mm，表明切頂角度為10°時(shí)，基本頂可沿切縫順利斷裂并滑落；當(dāng)切頂角度大于10°，即切頂角度為15°和20°時(shí)，頂板下沉量劇增，最大下沉量分別為182mm和192mm，這是由于切頂角度的增加間接增大了留巷頂板側(cè)向懸臂梁的重量，不利于留巷圍巖的控制。

綜合上述分析可知：切頂角度為10°時(shí)，沿空留巷附近的應(yīng)力場及位移場要優(yōu)于其他角度的切頂方案，因此針對(duì)1103工作面的開采條件，確定合理的切頂角度為10°。

4 工程應(yīng)用效果分析

將理論分析及數(shù)值模擬得出的切頂高度4m及切頂角度10°代入式(7)得出每米的切頂阻力Q=3350kN，根據(jù)得出的參數(shù)對(duì)留巷切頂方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。超前工作面20m開始實(shí)施雙向聚能爆破預(yù)裂切縫，炮孔孔徑?38mm，設(shè)計(jì)孔深4000mm，炮孔向工作面?zhèn)绕D(zhuǎn)10°，孔間距設(shè)置為800mm，采用二級(jí)煤礦水膠炸藥；在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，巷旁布置切頂墩柱，墩柱間距0.4m，初撐力不小于90kN，墩柱間布置密集單體，在工作面后方150m范圍內(nèi)采用單體液壓支柱配頂梁，一梁三柱輔助切頂，并對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)上述參數(shù)及支護(hù)方案在1103工作面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，成巷效果如圖8所示。

圖8 成巷效果

從圖8可以看出，按所設(shè)計(jì)的切縫參數(shù)及支護(hù)阻力在1103工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)后的切頂效果較明顯，順利切斷了運(yùn)輸巷與采空區(qū)側(cè)之間的頂板應(yīng)力聯(lián)系，巷道頂板的傾斜下沉明顯得到控制，且頂板下沉量比原方案下的下沉量要小，巷道整體的穩(wěn)定性較好，順利保留了巷道作為下一個(gè)工作面的回風(fēng)巷。

5 結(jié) 論

1)建立了下位含切縫基本頂懸臂梁斷裂力學(xué)模型，推導(dǎo)出了基本頂沿切縫斷裂的切頂阻力，并分析了切頂阻力與切頂高度間的關(guān)系?；卷旐樌麛嗔褧r(shí)，切頂阻力隨切頂高度的增大先近似呈線性增加后快速減小，而當(dāng)切頂高度達(dá)到一定值時(shí)，切頂阻力出現(xiàn)負(fù)值，表明此時(shí)基本頂在切縫及覆巖壓力的作用下便可斷裂。

2)結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出：切頂高度為4m、切頂角度為10°時(shí)，留巷頂板的卸壓效果最好，留巷附近圍巖的垂直應(yīng)力場及位移場均較小，且未貫穿面處的應(yīng)力較大，更有利于工作面推進(jìn)后，厚硬基本頂沿著切縫面順利斷裂。

3)切頂高度為4m時(shí)，側(cè)向厚硬基本頂沿切縫面順利斷裂所需的支護(hù)阻力至少為3350kN。研究結(jié)果在現(xiàn)場成功實(shí)施后有效控制了留巷頂板的傾斜下沉，留巷效果良好，可為類似條件下的切頂自成巷技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。