堅硬頂板切頂卸壓圍巖變形規(guī)律研究

唐滿元

(山西潞安集團 潞寧煤業(yè)有限責任公司，山西 忻州 036700)

堅硬頂板懸頂是煤礦開采礦壓控制的難題之一，如何減少堅硬頂板在采空區(qū)的懸頂長度，降低頂板壓力，是煤礦安全生產需要解決的關鍵問題之一[1-4]。由于懸臂梁的存在，在煤柱附近易形成高應力環(huán)境，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。此外，當大范圍懸頂發(fā)生突然垮落時還容易對巷旁支護或者煤柱產生沖擊作用，其來壓增大、整體垮落造成采空區(qū)瓦斯大量壓出，易于誘發(fā)安全事故[5-8]。切頂卸壓技術即人為干預，提前切斷工作面上覆頂板，使其在工作面采過之后由覆巖載荷的作用下破斷的技術。切頂卸壓技術可以大大降低工作面頂板的懸頂長度，降低回采巷道側向和工作面后方頂板懸頂長度，從而緩解煤柱壓力。本文運用相似模擬和現(xiàn)場實驗，研究切頂條件下采空區(qū)頂板跨落特征和巷道應力及變形特征，為切頂卸壓技術的現(xiàn)場應用提供支撐。

1 相似模擬試驗設計

相似材料模擬實驗是以相似理論為基礎并按照一定的幾何比例模擬巖體及礦體內變形應力特征的實驗技術。相似實驗具有直觀性強、靈活性好、效率高、重復性好等優(yōu)點，是科學研究中揭示事物內在規(guī)律的一種重要手段。

1.1 實驗目的

1) 分析開采過程中堅硬頂板巖層破斷、運移規(guī)律及巖體的堆積特征；

2) 結合頂板垮落特征，研究軌道下山圍巖的變形破壞特征；

3) 揭示堅硬頂板切頂前后開采擾動對保安煤柱的應力影響規(guī)律。

1.2 實驗設備

使用自主設計的平面相似模擬試驗平臺，平臺長×寬×高=1 400 mm×100 mm×1 300 mm，模型左右邊界水平位移約束，下邊界位移約束，上邊界受氣缸施壓模擬地應力場，相似模擬實驗設計如圖1所示。

圖1 實驗設備

試驗過程中采用靜態(tài)應變儀監(jiān)測模型中壓力盒的壓力變化情況。采用數字攝影測量技術觀測位移變化，數字圖像分析部分則使用中國礦業(yè)大學自主設計開發(fā)的《數字照相量測實用軟件系統(tǒng)PhotoInfor》軟件。

1.3 相似材料選取

本次模型實驗選擇的相似材料骨料為普通細粒河砂(粒徑小于3 mm)；膠結材料為石膏、水泥、碳酸鈣；分層材料為云母粉。加進適量的鋸末以減少煤的相似材料的容重。

鋪設模型之前，需要測定不同比例相似材料的力學性質。將骨料和膠結材料按照一定配比充分混合均勻后，加入水攪拌，水的比例為干料質量的0.1倍。攪拌均勻后將不同比例的骨料和膠結材料制成標準試樣，測定不同比例試樣的力學性質。選取符合相似比的材料配比，稱取材料鋪設模型，根據相似模擬試驗的材料配比參數，攪拌均勻后將混合料放入模型架子中，重物砸實鋪平。按照巖層的厚度及巖層層序依次向上累加，直至設計高度。

1.4 相似模型參數

表1 模型設計參數

1.5 測點布置

實驗中，壓力盒測點布置如圖2所示，煤層，布置7個測點，間距20 cm，距離底板15 cm；直接頂，布置7個測點，間距20 cm，距離底板高度25 cm；老頂，布置7個測點，間距20 cm，距離底板高度35 cm；覆巖布置3個測點，間距40 mm。巷道距離模型左邊界15 cm，頂板破斷線距離右邊界35 cm，破斷角為10°，向工作面方向傾斜。研究在開采過程，切頂巖層的垮落規(guī)律、軌道下山圍巖變形特征和保安煤柱的應力演化規(guī)律。

圖2 切頂測點布置

模型內預制裂縫傾角10°，距離相似模型右?guī)?5 cm頂板布置裂縫，裂縫高度為32 cm；模型開挖，提前開挖軌道下山，并使頂板預制裂縫貫通，從右至左開挖22115工作面，每次開挖5 cm。

2 圍巖變形規(guī)律

采用相似模型分析切頂前后頂板的垮落形態(tài)，揭示對煤柱應力的影響規(guī)律，相似模擬試驗得到的工作面頂板巖層切頂后破斷特征，如圖3所示。

圖3 切頂覆巖垮落特征及巖層移動位移

圖中可以看出：在切頂條件下，工作面回采至巖層預制裂隙時，采空區(qū)頂板上覆巖層在剪切應力的作用下沿預制裂隙發(fā)生切落，充填煤柱側向采空區(qū)。采空區(qū)頂板被切落以后，煤柱與采空頂板之間的水平應力傳遞路徑被切斷，有效阻止了側向應力在煤柱內部的傳遞。采空區(qū)巖石垮落后，垮落巖石的體積變大，因此又與上位穩(wěn)定巖層接頂，垮落的巖石支撐頂板壓力，減小煤柱載荷，對下山巷道群巷道煤柱有支撐和側向限制側滑的效果，使巷道處于低應力區(qū)，增加巷道的穩(wěn)定性。

由圖4煤柱應力變化規(guī)律可知，切頂條件下，煤柱應力先增加后減少。與不切頂條件下相比，煤柱的峰值應力有較大幅度減小。隨著開采距離的增大，測點應力峰值位置不斷前移。應力影響范圍約為25 cm，峰值應力為0.24 MPa。1號壓力盒臨近巷道側，4號壓力盒臨近采空側切頂側，隨著工作面的回采，采空區(qū)頂板沿著預制裂隙垮落，懸頂結構消失且堅硬頂板之間的應力擴展途徑被切斷，兩個壓力盒讀數從0.24 MPa降到0.13 MPa。

圖4 切頂條件下煤柱應力變化

圖5可以看出：工作面頂板在不切斷時，頂板變形較為明顯。從開挖第1歩至第4歩的過程中，煤柱寬度較大頂板側向壓力還未轉移到下山巷道群附近，巷道應力減小，頂板下沉速度減緩。開挖第4歩至第7歩的過程中，巷道頂板下沉速度加快。開挖至第7歩時，采區(qū)保護煤柱中對中為70 m，頂板自動垮落時懸頂長度已達37.6 m。由于頂板未及時垮落，頂板側向壓力不斷轉移直至接近巷道圍巖附近，造成巷道應力集中程度高，頂板下沉量達到8 mm(640 mm)。由圖5巷道頂板變形量可知，開挖第1歩至第4歩過程中，巷道頂板變形量不明顯。開挖第4歩至第7歩的過程中，煤柱寬度減少，頂板側向壓力逐漸向巷道群轉移。當開采至回撤通道時，頂板沿著預制裂隙垮落，懸頂長度減少，頂板橫向應力被切斷，巷道受側向應力擾動作用減輕，巷道頂板變形量為4.4 mm(350 mm)。

圖5 工作面頂板切落后，巷道頂板下沉量

3 現(xiàn)場實驗

在潞寧煤礦22115工作面進行超前定向預裂爆破實驗，如圖6所示，預裂爆破參數見表2。

圖6 爆破孔布置

通過對鉆孔圖像(如圖7所示)進行分析可知，爆破孔深在1～9 m時巖壁完整，沒有出現(xiàn)裂隙，爆破孔深在9～17 m時預裂爆破孔側巖層出現(xiàn)預制裂隙，達到了較好的預裂效果，同時保護了下部軟弱巖層的完整性。

采用“十字布點法” 監(jiān)測巷道圍巖表面變形量，結果如圖8所示。

表2 預裂爆破參數

圖7 預裂爆破效果

從圖8可以看出：在22115工作面實施頂板預裂爆破方案后，能有效地控制巷道圍巖的變形。巷道圍巖變形在40 d后趨于穩(wěn)定，頂底板移近量約為320 mm，兩幫移近量約為245 mm，變形量控制在設計范圍之內。

4 結 語

本文采用相似模型和現(xiàn)場實踐，分析了實施切頂卸壓后頂板巖層的垮落特征、巷道頂板及煤柱應力演化規(guī)律，揭示了切頂卸壓的作用機理，得到了以下結論：

1) 切頂以后，采空區(qū)頂板在剪應力作用下沿著預制裂隙垮落，破斷巖體填充采空區(qū)并與上部巖層結頂，有效緩解了保安煤柱承擔的載荷，提高了巷道的穩(wěn)定性。

2) 采空區(qū)頂板切斷時，堅硬頂板懸頂長度減少，采空區(qū)頂板與煤柱頂板之間應力傳遞途徑被切斷，巷道頂板受側向應力擾動作用減輕。