不同切頂高度下采空側(cè)巷道穩(wěn)定性研究

郭小剛

(潞安環(huán)能股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046031)

針對頂板巖層強(qiáng)度高、難垮落等問題，爆破切頂卸壓技術(shù)通過對巷道頂板的定向爆破，切斷部分巖層間礦山壓力的傳遞，達(dá)到緩解應(yīng)力集中和減小巷道圍巖變形的目的。而不同切頂高度影響的巷道卸壓范圍必然有差異，當(dāng)切頂高度較小時，頂板中堅硬巖層的相互作用力并未受到太多影響，而且垮落巖體不能對采空區(qū)提供有效支撐；當(dāng)切頂高度過大時，雖然有效阻隔了礦山壓力的傳遞，但頂板損傷范圍和側(cè)向懸頂載荷的增加，反而不利于切縫頂端巖層結(jié)構(gòu)的鉸接，導(dǎo)致采空側(cè)巷道圍巖應(yīng)力相應(yīng)增大。因此正確選取切頂高度是保證采空側(cè)巷道圍巖穩(wěn)定和降低巷道支護(hù)成本的關(guān)鍵。

1 工作面概況

常村煤礦主采的3號煤層為全井田可采，地面標(biāo)高+861.6～+989.4 m，工作面底板標(biāo)高+503.5～+560.9 m。本工作面為S6-1工作面，試驗巷道為S6-1膠順，該巷道與S6-2工作面(已采)之間的護(hù)巷煤柱寬度為50 m，其工作面具體布置如圖1所示。3號煤層厚度為5.6～6.5 m，平均厚度為6.05 m，煤層中夾矸炭質(zhì)泥巖，采用放頂煤開采法，采放比為1∶1，煤層頂?shù)装鍘r層分布情況如表1所示。

圖1 工作面位置示意

表1 模型中采用的煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立與方案設(shè)計

根據(jù)給出的工程地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的巷道及切頂預(yù)裂模型，如圖2所示。該模型走向×高度=580 m×55 m，主要包括本區(qū)段S6-1工作面、上區(qū)段S6-2工作面及S6-1膠順巷道，其中S6-1膠順巷道寬×高=5 m×3.4 m，兩區(qū)段間的護(hù)巷煤柱寬50 m，煤層兩側(cè)各設(shè)30 m的邊界保護(hù)煤柱。模型四周施加水平方向的位移約束，底部施加垂直方向的位移約束，模型頂部施加等效于上覆巖層的均布載荷9 MPa。建模過程中，煤層和巖層選用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算，煤巖體選取的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.1 合理切頂高度的確定

根據(jù)工作面上方堅硬巖層分布情況可知，煤層上方共有4層堅硬且較厚的巖層，分別為細(xì)粒砂巖1、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖2、細(xì)粒砂巖3。因此確定6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m分別為不同切頂巖層高度。

2.2 模型開挖方案

1) 利用軟件UDEC建立模型，通過初應(yīng)力計算功能使模擬達(dá)到初始應(yīng)力平衡，模擬未開挖前模型的原始狀態(tài)。

2) 首先開挖S6-2工作面，并沿采空區(qū)建立如圖2所示的切頂預(yù)裂線，然后在距離采空區(qū)50 m的護(hù)巷煤柱下進(jìn)行巷道開挖。

3) 為了得到煤柱中應(yīng)力分布特征及巷道頂板下沉量，在巷道頂板下方0.65 m的位置布置了水平測線一監(jiān)測煤柱中的應(yīng)力，在巷道頂板上方0.1 m的位置布置了水平測線二監(jiān)測巷道頂板下沉量，如圖2所示。

圖2 模型開挖示意

3 切頂高度對巷道圍巖穩(wěn)定性影響

在高應(yīng)力切頂卸壓圍巖穩(wěn)定過程中，不同切頂高度改變了預(yù)裂結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖層的約束力及采空區(qū)垮落范圍，從而對巷道保護(hù)煤柱的應(yīng)力分布和巷道變形產(chǎn)生影響。

3.1 不同切頂高度影響下巷道保護(hù)煤柱支承應(yīng)力分布規(guī)律

不同切頂高度條件下，巷道保護(hù)煤柱應(yīng)力分布及其兩側(cè)應(yīng)力峰值分別如圖3和圖4所示。由圖3可以看出，保護(hù)煤柱中支承應(yīng)力在巷道側(cè)和采空側(cè)均出現(xiàn)峰值，而且采空側(cè)應(yīng)力集中要明顯大于巷道側(cè)，這是由于巷道開挖使得應(yīng)力重新分布，當(dāng)煤柱寬度較大時，受采空區(qū)老頂傾向破斷的影響，保護(hù)煤柱的最大應(yīng)力會偏向于采空側(cè)。

圖3 巷道保護(hù)煤柱應(yīng)力分布

圖4 巷道保護(hù)煤柱兩側(cè)應(yīng)力峰值

由圖4可知，未切頂時采空側(cè)保護(hù)煤柱的峰值應(yīng)力為31.2 MPa，當(dāng)以高度為6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切頂后，對應(yīng)峰值應(yīng)力分別比未切頂前降低8.6%、20.5%、26.0%、19.8%；未切頂時巷幫部峰值應(yīng)力為17.1 MPa，當(dāng)以高度為6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切頂后，對應(yīng)峰值應(yīng)力分別只比未切頂前降低0.57 MPa、2.1 MPa、2.52 MPa、2.4 MPa?？梢钥闯銮许斝秹杭夹g(shù)降低了煤柱中的應(yīng)力集中效應(yīng)，但采空側(cè)受卸壓影響要大于巷道側(cè)。對于采空側(cè)保護(hù)煤柱，在切頂高度較小時，煤柱卸壓效果隨切頂高度增加而明顯。切頂高度為24.3 m時，保護(hù)煤柱中支承應(yīng)力達(dá)到最小，當(dāng)切頂高度增加到41.5 m時，煤柱中支承壓力出現(xiàn)微增，可見切頂高度對保護(hù)煤柱中支撐應(yīng)力的影響存在最適值。

3.2 不同切頂高度影響下采空側(cè)巷道頂板變形特征

不同切頂高度條件下，巷道頂板變形量及頂板最大下沉量分別如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，巷道兩側(cè)采空區(qū)變形量呈現(xiàn)非對稱分布，但隨著切頂高度的增加，采空側(cè)和實體煤側(cè)頂板下沉量相差距離越來越小，這是由于在采空區(qū)老頂壓斷影響下，保護(hù)煤柱中支承應(yīng)力較大的采空側(cè)變形會大于實體煤側(cè)，而切頂后破斷巖體會充填到采空區(qū)，對上覆巖層形成有效支撐，使得采空側(cè)保護(hù)煤柱的變形量減小。

圖5 巷道頂板變形量

圖6 巷道頂板最大下沉量

由圖6可知，未切頂時巷道頂板最大變形量為338 mm，當(dāng)以高度為6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切頂后，相應(yīng)巷道頂板最大變形量分別為237 mm、189 mm、114 mm、109 mm，分別比未切頂前降低29.9%、44.0%、66.3%、67.7%，可以看出切頂高度低于24.3 m時，巷道頂板變形降低量隨切頂高度增大而增加，但切頂高度從24.3 m增加到41.5 m時，頂板最大變形量幾乎沒有增長，可以認(rèn)為兩者均為最大值。這表明切頂高度較小時，采空區(qū)破斷巖體的充填效果隨切頂高度增強(qiáng)，當(dāng)切頂高度為24.3 m時，穩(wěn)定垮落的堆積體可以較好地支撐頂板巖層，阻止了上覆巖層進(jìn)一步破斷下沉，實現(xiàn)了對頂板巖層卸壓的目的。當(dāng)切頂高度增加到41.5 m時，由于采空區(qū)充填空間有限，同時頂板懸露面積的增大使得巷道頂板的承載也增加，因此該切頂高度下巷道圍巖的卸壓效果無明顯增加。

3.3 切頂卸壓技術(shù)現(xiàn)場效果

經(jīng)切頂卸壓及相應(yīng)巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，切頂卸壓技術(shù)提高了巷道圍巖穩(wěn)定性，并根據(jù)模擬結(jié)果選擇切頂高度為24.3 m時，巷道頂?shù)装逡平繙p少了20.6%，兩幫移近量減少了13.7%，錨索支護(hù)范圍內(nèi)離層減少了9.5%，錨桿支護(hù)范圍內(nèi)離層減少了14.0%，錨索受力減小了10.7%，效果最為顯著。

4 結(jié) 語

1) 對于巷道圍巖，切頂技術(shù)可以降低保護(hù)煤柱中的應(yīng)力集中效應(yīng)，而且采空側(cè)受卸壓影響要大于巷幫側(cè)；對于巷道頂板，切頂技術(shù)可以降低其變形量，并減小采空側(cè)與實體側(cè)下沉量的差距。

2) 按照頂板巖層分布情況確定切頂高度，當(dāng)切頂高度較小時，采空側(cè)巷道保護(hù)煤柱中支承壓力減小量和巷道頂板變形降低量隨切頂高度增加而增加，當(dāng)切頂高度達(dá)到24.3 m時，兩者均達(dá)到最大值，當(dāng)切頂高度繼續(xù)增加時，圍巖應(yīng)力和巷道頂板變形量并無明顯增加，說明切頂高度存在最適值，且當(dāng)切頂高度為24.3 m時巷道頂板達(dá)到最大卸壓效果。

3) 巷道的切頂高度通過控制垮落巖體充填采空區(qū)的程度和頂板卸壓范圍，進(jìn)而影響巷道頂板巖層應(yīng)力分布和變形量。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，根據(jù)模擬結(jié)果選擇的切頂高度24.3 m卸壓效果顯著。