沿空留巷切頂卸壓圍巖穩(wěn)定性分析

張慶軍

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)浦縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000)

引 言

煤炭資源是我國主要的化石能源，也是我國重要的能源支柱，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷提升，煤炭資源的消耗水平日益增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2025年我國煤炭資源的消耗量將達(dá)到35億t，雖然許多清潔能源的出現(xiàn)緩解了煤炭消耗速度，但清潔能源提供的能量較需求量來說仍是杯水車薪，所以未來一段時(shí)間，煤炭仍是我國主要的資源消耗。在進(jìn)行沿空留巷的礦山，由于采動(dòng)及工程擾動(dòng)的影響，使得工作面變形嚴(yán)重，為了降低巷道變形，提出切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)[1-2]。切頂卸壓是對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂，使得巷道的圍巖受力降低的一種手段，此前眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過一定的研究。趙慎棟[3]為了解決綜放工作面變形嚴(yán)重的問題，采用切頂卸壓留巷技術(shù)對(duì)運(yùn)輸巷穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并提出采空區(qū)巷道頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、后方臨時(shí)支護(hù)的方案，通過現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)巷道支護(hù)取得顯著效果，圍巖得到了有效的控制。郭玉等[4]為解決工作面沿空留巷圍巖控制難的問題，采用組合支架切頂留巷技術(shù)。利用數(shù)值模擬軟件對(duì)組合支架切頂阻力進(jìn)行研究，分析了采高、采深、巷道寬度、直接頂?shù)暮穸鹊扔绊懸蛩貙?duì)切頂沿空留巷穩(wěn)定性的影響，為切頂卸壓沿空留巷提供一定的參考。本文利用數(shù)值模擬對(duì)沿空留巷圍巖控制的可行性進(jìn)行研究，為提升礦山安全提供一定的借鑒。

1 工程背景介紹

工作面采高2.5 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖及細(xì)砂巖，直接頂?shù)钠骄穸燃s為6.8 m，工作面底板為砂質(zhì)泥巖，底板的平均厚度為3.4 m，工作面的老頂為細(xì)粒砂巖，巖性較為堅(jiān)硬，根據(jù)先前的實(shí)驗(yàn)得出巷道頂板的強(qiáng)度大致分布正在22 MPa～52 MPa，巷道頂板的平均強(qiáng)度約為36 MPa，巷道的底板抗壓強(qiáng)度平均值為29 MPa。

工作面采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，工作面的切眼采用螺紋錨桿進(jìn)行支護(hù)，回采側(cè)的支護(hù)選用玻璃錨桿進(jìn)行支護(hù)，巷道頂板選定直徑為22 mm、長度為2 400 mm的錨桿及直徑19 mm、長度為7 400 mm的錨桿進(jìn)行支護(hù)，巷道的斷面凈寬為6.5 m，斷面的高度為2.8 m，面積為18.2 m2。工作面的煤幫采用螺紋鋼錨桿及錨索及錨索進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)斷面圖如圖1所示。

圖1 工作面支護(hù)斷面圖(mm)

頂板支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿選用M24 mm×3 mm的高強(qiáng)度錨桿螺母，同時(shí)每個(gè)螺母配備高強(qiáng)度尼龍墊圈和高強(qiáng)度托盤調(diào)心球墊，并利用 加長樹脂進(jìn)行錨固。錨固力設(shè)定大于190 kN，同時(shí)間排距設(shè)定為900 mm×1 000 mm，錨桿垂直于頂板進(jìn)行布置，同時(shí)保證在巷道肩角的錨桿于頂板夾角不小于80°。巷道煤柱幫進(jìn)行支護(hù)時(shí)采用高強(qiáng)度錨桿，錨桿的錨固力大于80 kN，且錨桿布置的間排距為900 mm×1 000 mm，每排布置3根，且均呈現(xiàn)水平布置，上部錨桿距離頂板300 mm，下部錨桿距離底板距離為700 mm。

2 沿空留巷切頂卸壓數(shù)值模擬研究

現(xiàn)有的支護(hù)方案下圍巖變形較為嚴(yán)重，所以對(duì)工作面進(jìn)行切頂卸壓，利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行切頂卸壓效果分析。首先進(jìn)行模擬建立，選用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型建立，完成模型機(jī)建立后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和物理參數(shù)設(shè)定，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)需要充分考慮電腦的計(jì)算精度及模擬計(jì)算的精確度，完成模擬計(jì)算的前期工作后，對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，沿空留巷頂板卸壓前后支撐應(yīng)力對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 開挖前后采空區(qū)變形曲線

從圖2開挖前、后采空區(qū)變形曲線可以看出，當(dāng)未進(jìn)行開挖時(shí)，此時(shí)的煤幫位置應(yīng)力分布情況不受切頂卸壓影響，而在充填體上端的頂板受到的應(yīng)力較切頂后較大，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置由采空區(qū)淺部向著采空區(qū)深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在未經(jīng)過切頂卸壓時(shí)，此時(shí)的側(cè)向垂直應(yīng)力的峰值為24 MPa，而經(jīng)過切頂卸壓后，應(yīng)力峰值從24 MPa降低至23.1 MPa，此時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)降低了0.02，未經(jīng)過開挖時(shí)，頂板不會(huì)發(fā)生明顯的斷裂，所以頂板的應(yīng)力值不會(huì)出現(xiàn)較為明顯的降低。當(dāng)進(jìn)行開挖后，應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置由采空區(qū)淺部向著采空區(qū)深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移。在未經(jīng)過切頂卸壓時(shí)，此時(shí)的側(cè)向垂直應(yīng)力的峰值為27.3 MPa，而經(jīng)過切頂卸壓后，應(yīng)力峰值從27.3 MPa降低至26 MPa，此時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)降低了0.1，此時(shí)的峰值應(yīng)力點(diǎn)距離煤幫的距離從10 m降低至了6.2 m，應(yīng)力峰值的位置有了明顯的轉(zhuǎn)移，巷道頂板鉸接位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象有了明顯的消除，切頂卸壓效果較為明顯。

對(duì)切頂卸壓前后的沿空留巷巷道圍巖變形進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比圖如3所示。

如圖3所示，未經(jīng)過切頂卸壓時(shí)，當(dāng)巷道進(jìn)行掘進(jìn)達(dá)到穩(wěn)定后，頂板的變形量為46.5 mm，在進(jìn)行回采留巷期間巷道的最大變形量達(dá)到了442 mm，較掘進(jìn)過程中的變形量增大了9倍左右，當(dāng)巷道采取切頂卸壓后，此時(shí)掘進(jìn)過程中巷道變形量未發(fā)生明顯變化，但在回采留巷期間巷道的最大變形量達(dá)到了238 mm，較掘進(jìn)過程中的變形量增大了5倍，巷道頂板的下沉量有了一定的改善，下沉量最大值降低了204 mm。觀察巷道的底鼓量可以發(fā)現(xiàn)，未切頂卸壓掘進(jìn)時(shí)的底鼓量為30.54 mm，而在回采過程中的底鼓量增大至79.74 mm，而經(jīng)過切頂卸壓后，此時(shí)的巷道底鼓量降低至69 mm，較未經(jīng)切頂卸壓時(shí)降低了10.74 mm，降低幅度為13.5%。煤幫在掘進(jìn)過程中變形量為75.9 mm，在未進(jìn)行切頂卸壓的回采階段，此時(shí)的煤幫變形量增大至292 mm，而在進(jìn)行切頂卸壓后，此時(shí)的煤幫變形量降低至258 mm，降低了34 mm，降低幅度為11.5%。同樣的對(duì)比切頂卸壓墻體的變形發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過切頂卸壓后巷道墻體的變形量從242.2 mm降低值179.8 m，降低了62.4 mm，降低幅度為25.8%?？梢钥闯?，經(jīng)過切頂卸壓后，巷道頂板、底板、煤幫及墻體均有了一定的降低，切頂卸壓效果較為明顯。

圖3 切頂卸壓前后圍巖變形對(duì)比圖

對(duì)切頂高度進(jìn)行一定的研究，不同切頂高度下的圍巖變形量如第86頁圖4所示。

圖4 不同切頂高度下巷道圍巖變形分析

從圖4可以看出，隨著切頂高度的不斷增大，此時(shí)的巷道左幫變形量、底鼓量及頂板下沉量呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，而右?guī)偷淖冃瘟砍尸F(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢，當(dāng)切頂高度為12 m時(shí)，此時(shí)巷道右?guī)偷淖冃瘟孔畹图s為0.27 m，巷道左幫隨著切頂高度的增大變化幅度不大，大致分布在22 mm附近，同樣的巷道的底鼓量大致分布在0.25 m附近，根據(jù)綜合分析后確定切頂卸壓的最佳高度為12 m，此時(shí)切頂效果最佳。

3 結(jié)論

1)通過數(shù)值模擬對(duì)切頂卸壓前后沿空留巷頂板卸壓前后支撐應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過切頂卸壓后應(yīng)力峰值向著采空區(qū)深部，且有了一定幅度的降低。

2)通過對(duì)切頂卸壓前、后巷道圍巖變形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過切頂卸壓后，巷道頂板、底板、煤幫及墻體均有了一定的降低，切頂卸壓效果較為明顯。

3)隨著切頂高度的不斷增大，此時(shí)的巷道左幫變形量、底鼓量及頂板下沉量呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢，而右?guī)偷淖冃瘟砍尸F(xiàn)出先增大后減小再增大的趨勢，當(dāng)切頂高度為12 m時(shí)，切頂 效果最佳。