區(qū)段煤柱氣相切頂卸壓圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移機理研究

李卓楠，權(quán)春陽，趙 波，劉 釗

(1.晉能控股煤業(yè)集團宏泰礦山工程建設(shè)大同有限公司，山西 大同 037003；2.晉能控股山西科學技術(shù)研究院有限公司(大同)技術(shù)中心，山西 大同 037003；3.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001； 4.黃河交通學院，河南 武陟 454950)

大同礦區(qū)目前開采煤層正在由侏羅系煤層向石炭系煤層延深[1-2]；礦區(qū)堅硬頂板分層厚度大，且石炭系煤層厚度大，臨空巷道一方面由于相鄰工作面采空區(qū)的堅硬頂板懸而不斷[3-8]，使煤柱和臨空巷道承受的上覆巖層的載荷和側(cè)向支承壓力增大，另一方面由于堅硬頂板強度高、厚度大、完整性好等特點[9-15]，可儲存大量彈性能，當儲存的彈性能達到極限強度突然釋放時，會出現(xiàn)強礦壓顯現(xiàn)，嚴重威脅安全生產(chǎn)[16-20]。

國內(nèi)外學者對此問題進行了大量的研究，何滿潮等[21]在介紹爆破切頂卸壓技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對于傾斜煤層的頂板切縫深度、切縫角度參數(shù)進行了研究；給出了傾斜煤層和緩傾斜煤層關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計的相應(yīng)計算方法，提出了沿空留巷二次切頂方法；針對深部礦井切頂留巷關(guān)鍵參數(shù)，在理論分析及數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)上，表明最優(yōu)爆破參數(shù)需經(jīng)過現(xiàn)場試驗確定。王炯等[22]針對在放頂煤沿空留巷技術(shù)中，考慮頂板切縫對頂板的力學性能影響，認為在工作面回采前巖層的剪切角對切頂角度設(shè)計具有重要意義。Yang，X等[23]認為基本頂?shù)男D(zhuǎn)角度是導(dǎo)致頂板變形的主要因素，提高巷道支護強度并不能減少頂板下沉量，通過增加頂板切頂高度和切頂角度可以有效地控制頂板下沉和斷裂方向。Han Z等[24]根據(jù)頂板切頂卸壓條件下巖層的受力特點，以礦山壓力理論分析方法為基礎(chǔ)確定切頂高度、切頂角度、炮孔間距關(guān)鍵參數(shù)，表明切頂可顯著降低巷道應(yīng)力、變形，提高巷道支護效果，提高生產(chǎn)效率。

本文以氣相切頂卸壓的方法來實現(xiàn)圍巖的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，采用數(shù)值模擬分析了氣相切頂卸壓的切頂高度、切頂角度等關(guān)鍵參數(shù)對卸壓效果的影響，優(yōu)化了氣相切頂卸壓參數(shù)，選擇了卸壓效果最佳的方案在現(xiàn)場進行了工業(yè)性試驗并取得了良好的卸壓效果。

1 切頂卸壓圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移機理分析

1.1 建立力學模型

建立臨空巷道堅硬懸頂切頂后的三維模型(圖1)，在模型中建立三維直角坐標系，坐標原點靠近煤柱邊緣，且位于煤層中間位置，煤柱的寬度方向為x軸，煤柱的長度方向為y軸，豎直方向為z軸。堅硬懸頂受自重和上覆巖層載荷的作用，構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu)模型。堅硬懸頂形成側(cè)向支承壓力作用在煤柱上方，依次形成破裂取、塑性區(qū)和彈性區(qū)。沿煤柱的寬度方向?qū)⑷S臨空巷道堅硬懸頂切頂后的模型簡化為平面力學模型(圖2)，堅硬頂板的自重和上覆巖層傳遞的載荷以均布載荷的形式作用在煤柱上，煤層和頂?shù)装鍘r石的交界面(簡稱煤層界面)上有剪應(yīng)力τxy作用，靠近采空區(qū)側(cè)的煤柱邊緣處在水平方向受到錨桿對煤幫的支護力，豎直方向受到懸頂?shù)淖饔昧?。頂板致裂前煤柱處于?yīng)力平衡狀態(tài)。模型中，H為堅硬懸頂?shù)穆裆?；D為采空區(qū)兩側(cè)懸頂之間的水平跨距；a為煤柱的寬度；l、h分別為基本頂?shù)膽冶坶L度和厚度；E為基本頂?shù)膹椥阅Ａ?；γ為容重；h0、γ0分別為直接頂?shù)暮穸群腿葜?；c0、φ0分別為煤層界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角；m為煤柱的高度。

圖1 堅硬懸頂切頂后三維力學模型Fig.1 Three-dimensional mechanical model after hard top cutting

圖2 堅硬懸頂切頂后平面力學模型Fig.2 Plane mechanics model after hard top cutting

1.2 理論分析

(1)基本假設(shè)。①煤層假設(shè)為均勻、連續(xù)、各向同性的理想彈—塑性材料；②煤柱屈服之前的位移和變形是微小的；③忽略懸頂?shù)膿隙取?/p>

(2)煤柱的極限強度。基于統(tǒng)一強度理論的煤柱極限強度理論σzl為：

σzl=MγH+Y

(1)

式中，b為統(tǒng)一強度理論參數(shù)，反映中間主應(yīng)力σ2對材料屈服或破壞的影響程度，0≤b≤1。

(3)切頂前臨空巷道應(yīng)力特征。煤層界面應(yīng)滿足應(yīng)力平衡微分方程：

(2)

煤層界面的剪應(yīng)力滿足：

τzx=-σztanφ0-c0

(3)

存在堅硬懸頂時，煤柱受到的總載荷Q來源于3部分(采空區(qū)上方基本頂傳遞的壓力P、懸頂上方巖層的重力G以及直接頂?shù)闹亓?。對于采空區(qū)上側(cè)，若第1層控制的巖層達到第n層，第1層與第n層同步變形。基本頂上覆巖層對堅硬基本頂巖梁的載荷為(qn)l：

(4)

煤柱總載荷：

Q=P+G+γ0h0x

(5)

式中，h1、h2、…、hn分別為緊挨基本頂?shù)纳细矌r層厚度；E1、E2、…、En分別為緊挨基本頂?shù)纳细矌r層的彈性模量；γ1、γ2、…、γn分別為緊挨基本頂?shù)纳细矌r層的容重。

應(yīng)力邊界條件為x=0時，σx=px，則：

(6)

式中，λ為煤層側(cè)壓系數(shù)，λ=v(1-v)；px為錨桿對煤幫的支護力。

若x=xp時，σx=λσzl，σz=σzl。

基于對巷道煤柱屈服寬度的求解，得到基于統(tǒng)一強度理論的堅硬懸頂下煤柱屈服寬度xp為：

(7)

切頂前破裂區(qū)與塑性區(qū)的分界點位置xs：

(8)

切頂前煤柱極限平衡點的應(yīng)力σy：

σy=

(9)

切頂卸壓后，隨著斷裂懸頂?shù)姆蛛x以及上覆巖層的垮落，煤柱的載荷減小，煤柱的寬度也在減小。因此，堅硬懸頂致裂后的煤柱極限平衡點的應(yīng)力和位置分別為：

(10)

(11)

(12)

切頂卸壓前，堅硬懸頂自身的重量以及相鄰采空區(qū)上方的關(guān)鍵層傳遞下來的載荷均作用在煤柱上方，引起采空區(qū)側(cè)煤柱上方支承壓力大幅升高，造成煤柱破裂區(qū)、塑性區(qū)范圍增大，支承壓力峰值也增大，峰后彈性區(qū)在很大范圍內(nèi)處于高應(yīng)力水平，因此，臨空巷道處于高應(yīng)力狀態(tài)下會發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)。

切頂卸壓后，隨著堅硬懸頂及上覆巖層垮落，煤柱承載的上覆載荷有效降低，支承壓力水平整體下降，應(yīng)力轉(zhuǎn)移有如下表現(xiàn)：①切頂后，支承壓力向采空區(qū)方向轉(zhuǎn)移，距離煤柱邊界更近；②支承壓力峰值大幅度下降；③破裂區(qū)、塑性區(qū)范圍減小；④峰后煤柱應(yīng)力環(huán)境得到改善，臨空巷道上方應(yīng)力水平整體降低，礦壓現(xiàn)象得到很大程度的緩和。

切頂前后煤柱和巷道應(yīng)力變化如圖3所示。

圖3 切頂前后煤柱和臨空巷道應(yīng)力變化Fig.3 Stress change of coal pillar and free roadway before and after roof cutting

切頂后，堅硬懸頂斷裂下沉雖然會破壞一定寬度的煤柱，但其破壞范圍主要集中在煤柱的破裂區(qū)，這部分區(qū)域破壞前自身的承載能力較低，壓力卸除后，對煤柱的整體承載性能和壓力分布影響不大。

2 馬脊梁煤礦8105頂板物理力學試驗

根據(jù)馬脊梁煤礦8105工作面煤層地質(zhì)生產(chǎn)條件，在5105巷中部頂板完整性好的區(qū)域進行頂板巖樣采集，施工2個鉆孔進行取芯，鉆孔間距300 m。

試件的單軸壓縮、抗拉、抗剪實驗，在電液伺服巖石試驗系統(tǒng)(圖4)上進行。該巖石試驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)巖石單軸、三軸、巖石直剪、巖石三軸蠕變、巖石剪切蠕變等多種試驗。試驗儀器控制系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服控制器，有效的保證了試驗結(jié)果的可靠性。在進行巖石力學性質(zhì)試驗前，必須將取自現(xiàn)場的大塊煤巖試塊加工成標準巖石試件。標準試件的加工要求為：試件端面平整到 0.02 mm，對于試件軸的垂直度，不應(yīng)超過 0.001 弧度或每 50 mm 不超過 0.05 mm。此次單軸壓縮試驗加工圓柱體直徑為50 mm，高度為100 mm；抗拉試驗試件直徑50 mm，厚度25 mm；抗剪試驗直徑50 mm，高度50 mm。

圖4 電液伺服巖石試驗Fig.4 Electrohydraulic servo rock test

綜合8105工作面綜合柱狀圖及原有力學試驗數(shù)據(jù)考慮，所取巖芯為巷道上方8.5～16.5 m位置，即直接頂上方的含礫粗砂巖、粉砂巖，所取巖芯如圖4所示。對所取巖芯進行單軸壓縮、抗拉、抗剪試驗，分別計算出巖石的單軸抗壓強度、抗拉強度、內(nèi)聚力、泊松比等參數(shù)，試驗過程如圖5所示，試驗結(jié)果見表1。

圖5 力學試驗Fig.5 Mechanical test

表1 巖石力學試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Rock mechanics test data

3 氣相切頂圍巖卸壓數(shù)值模擬分析

工作面開挖后圍巖往往呈現(xiàn)出非線性大變形的特點，而且在地應(yīng)力及強烈采動影響的作用下，巷道圍巖處于塑性變形狀態(tài)，同時考慮巷道圍巖的流變效應(yīng)，圍巖變形隨時間而增長和發(fā)展，支護結(jié)構(gòu)與巷道圍巖之間發(fā)生相互作用并形成一個有機整體共同承載圍巖載荷。

在考慮實際工程條件及簡化計算的基礎(chǔ)上，針對馬脊梁煤礦8105工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型，本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型。模型尺寸為：長×寬×高=120 m×40 m×60 m。模擬巷道開挖尺寸為5 m×4 m，巷道斷面為矩形，工作面開挖保證在一個周期來壓長度取值40 m；巷道埋深約為400 m；頂板由下往上依次為細砂巖、粗粒砂巖、粉砂巖，底板為高嶺巖。計算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計算模型Fig.6 Numerical calculation model

模型左右邊界限制x方向位移，前后邊界限制y方向位移，并施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力；下部邊界限制z方向的位移；上部邊界施加均布自重應(yīng)力。分別對頂板未切頂和切頂后的模型進行數(shù)值計算，得出計果結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 未切頂時垂直應(yīng)力和垂直位移分布Fig.7 Distribution of vertical stress and displacement without top cutting

由圖7可知，無頂板切縫時，采場留設(shè)煤柱內(nèi)部應(yīng)力較大，且巷道側(cè)向內(nèi)部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中區(qū)，垂直應(yīng)力最大值9.71 MPa，應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約18.5 m。切頂后垂直應(yīng)力和垂直位移分布如圖8所示，在留設(shè)煤柱內(nèi)部應(yīng)力的影響下，巷道底板出現(xiàn)輕微底鼓現(xiàn)象約為62 mm，且煤柱內(nèi)部有位移現(xiàn)象出現(xiàn)，表明煤柱在應(yīng)力作用下出現(xiàn)彈塑性變形。

圖8 切頂后垂直應(yīng)力和垂直位移分布Fig.8 Distribution of vertical stress and vertical displacement after cutting

根據(jù)圖8中垂直應(yīng)力分布圖，進行頂板氣相切縫以后，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力明顯降低，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，且巷道側(cè)向內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域的垂直應(yīng)力最大值降低，約為6.15 MPa，較無頂板切縫時降低了37%，且應(yīng)力集中區(qū)域面積明顯減??；巷道基本處在應(yīng)力卸壓區(qū)內(nèi)，說明對采場覆巖進行斷頂對巷道維護及圍巖穩(wěn)定性起到積極作用。

根據(jù)圖8中應(yīng)力及垂直位移分布圖，可知對采場覆巖進行的氣相切頂可有效切斷巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，使得巷道頂板變形量得到有效控制，較之不進行覆巖切縫時，應(yīng)力環(huán)境得到有效改善。

通過對比圖7、圖8可以得出如下結(jié)論：氣相切頂技術(shù)能夠有效切斷巷道及采空區(qū)頂板之間應(yīng)力傳播途徑，減弱實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅降低了應(yīng)力峰值和巷道頂板垂直應(yīng)力，而且使得應(yīng)力集中區(qū)遠離巷幫，轉(zhuǎn)移到實體煤幫深部位置，從而形成卸壓區(qū)，有利于巷道頂板穩(wěn)定。同時，巷道與采空區(qū)頂板的連續(xù)性被切縫切斷，降低了采空區(qū)頂板垮落下沉對巷道變形的影響，巷道頂板圍巖能夠得到有效控制。

3.1 氣相切頂高度數(shù)值模擬分析

切頂高度是指通過氣相切割技術(shù)對煤層頂板實施斷裂切縫后，切割巖層的豎向最大垂直距離，依據(jù)現(xiàn)有理論分析可知，切頂高度對煤柱側(cè)巷道應(yīng)力圍巖環(huán)境改善具有較顯著的影響。為了研究切頂高度對圍巖應(yīng)力的影響，根據(jù)馬脊梁礦8105工作面地質(zhì)條件建立數(shù)值模擬模型，分別模擬切頂高度為5.5、7.5、9.5、11.5 m時圍巖的應(yīng)力、位移分布特征，得出計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同高度切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布Fig.9 Distribution of vertical stress and vertical displacement at different heights

根據(jù)圖9可以看出，工作面開挖后，5.5 m巷道側(cè)向煤體內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫約14.7 m，垂直應(yīng)力最大值9.33 MPa，較無切縫時略有降低；切縫附近一定范圍內(nèi)存在較為明顯的卸壓區(qū)；切縫有效的切斷了巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，稍微降低了巷道頂板變形量，巷道圍巖垂直位移最大值為322 mm。工作面開挖后，7.5 m切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域面積有所減小，且應(yīng)力集中區(qū)域更向煤壁內(nèi)部轉(zhuǎn)移，距離巷道幫部約16.5 m，垂直應(yīng)力最大值9.23 MPa，較5.5 m切縫時有所降低；切縫一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)；切縫有效的切斷了巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，有效控制了巷道頂板變形量，巷道圍巖垂直位移最大值為105 mm，較5.5 m切縫時明顯降低。工作面開挖后，9.5 m切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域面積變化不大，垂直應(yīng)力最大值產(chǎn)生明顯改變，最大值約為6.38 MPa，較7.5 m切縫時明顯降低；切縫一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，但范圍較為集中；切縫有效的切斷了巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，有效控制了巷道頂板變形量，巷道圍巖垂直位移最大值為96 mm，較7.5 m切縫時圍巖變換差異不大。工作面開挖后，11.5 m切縫巷道實體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域向內(nèi)部偏移的幅度不明顯，垂直應(yīng)力最大值6.15 MPa，較9.5 m切縫時略有降低，降低幅度不甚明顯；切縫一定范圍內(nèi)存在較明顯的卸壓區(qū)，卸壓區(qū)域面積較之9.5 m切縫變化不大；切縫有效的切斷了巷道及采空區(qū)頂板之間的應(yīng)力傳遞，有效控制了巷道頂板變形量，巷道圍巖垂直位移最大值為71.5 mm，較9.5 m切縫時降低幅度不明顯。

通過不同高度切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖可以得出：①切頂高度越大，應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫越遠，但到達一定程度后，其影響作用不再明顯。②切頂高度越大，切縫范圍內(nèi)的頂板卸壓區(qū)范圍有所增大，說明切頂卸壓影響范圍與切頂高度成正相關(guān)關(guān)系，但增大到一定范圍之后，增幅有所降低。③切頂高度越大，應(yīng)力集中峰值越小，但到達一定程度之后，其影響作用有所降低。④切頂高度為5.5、7.5、9.5、11.5 m時，巷道頂板垂直位移量最大值分別為322.0、105.0、96.0、71.5 mm，表明切頂高度越大，巷道頂板垂直位移越小。

綜上，采場覆巖的切頂高度對卸壓效果具有一定影響，切頂高度越大，卸壓效果越好，對巷道維護越有利，但施工難度也越大。所以，進行方案設(shè)計時應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場實際情況選擇最優(yōu)參數(shù)。

3.2 氣相切頂鉆孔角度數(shù)值模擬分析

根據(jù)理論分析，采場覆巖切頂后，采空區(qū)上方巖體在上覆巖層自重的作用下發(fā)生下沉，下沉過程中會與煤柱產(chǎn)生不同程度的相互作用，從而導(dǎo)致巷道范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生變化。運用FLAC3D建立計算模型，分別模擬切頂角度為30°、45°、60°時圍巖的應(yīng)力分布特征，得出計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同角度切縫垂直應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of vertical stress of different angle slit

由圖10可知，由于切縫高度保持不變，切頂角度為30°時，頂板所切橫向范圍較大，切縫區(qū)域內(nèi)明顯出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)域，且該區(qū)域范圍較大，使得整個留設(shè)煤柱基本處于應(yīng)力降低范圍之內(nèi)，巷道側(cè)向應(yīng)力集中區(qū)域向內(nèi)部偏移，且巷道圍巖整體應(yīng)力環(huán)境得到有效優(yōu)化。45°切頂角度范圍內(nèi)的應(yīng)力降低區(qū)域有所減少，但巷道側(cè)向應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力峰值明顯降低，且巷道頂?shù)装逡七M量明顯減少，說明隨著切頂角度的增加，氣相切割氣體沖擊能量作用范圍產(chǎn)生變化，使得該范圍的內(nèi)圍巖斷裂效果顯著，大大降低圍巖的應(yīng)力峰值的同時優(yōu)化巷道的應(yīng)力環(huán)境，一定程度上實現(xiàn)對巷道變形的控制。頂板切縫為60°時，切縫范圍的應(yīng)力降低區(qū)域更靠近巷道，巷道周邊圍巖應(yīng)力得到有效優(yōu)化，但其應(yīng)力降低區(qū)域面積相應(yīng)最小，且應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中峰值較與切縫角度45°有所增加，因此在現(xiàn)場選擇切縫角度時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體需求，確定最終切頂角度。

通過對不同角度切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖分析可以得出：①切縫角度較小時，采場覆巖頂板切縫后，圍巖應(yīng)力降低區(qū)域面積相應(yīng)最大，預(yù)留煤柱基本處于應(yīng)力降低區(qū)域之內(nèi)，且巷道切縫側(cè)區(qū)域一定范圍內(nèi)應(yīng)力環(huán)境得到優(yōu)化，圍巖應(yīng)力向煤柱深部靠采空區(qū)側(cè)及實體煤幫深部轉(zhuǎn)移，有利于巷道圍巖穩(wěn)定。②切縫角度過大時，切縫對煤柱頂板應(yīng)力降低影響程度減弱，但是對巷道周圍應(yīng)力環(huán)境優(yōu)化較為顯著。

綜上，實際工程應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)資料進行不同地質(zhì)條件下的設(shè)計參數(shù)分區(qū)，針對不同的地質(zhì)條件選擇最優(yōu)的工程參數(shù)。

4 結(jié)語

建立臨空巷道堅硬懸頂切頂后的力學模型，分析了圍巖應(yīng)力演化特征，選擇了卸壓效果最佳的方案，將氣相切頂圍巖卸壓深度從原有的15 m延深至27 m，達到了更好的卸壓效果，為堅硬頂板臨空巷道卸壓提供一種新的工藝，推動了我國切頂卸壓技術(shù)的進步。

研究成果在馬脊梁礦成功應(yīng)用后，工作面超前單體支柱工作阻力降低12.55%，臨空巷道頂?shù)装逡平拷档?2.6%，兩幫變形量減小28.7%，煤柱應(yīng)力峰值降低21.8%，消除了強礦壓顯現(xiàn)，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。

該技術(shù)突破了傳統(tǒng)火藥爆破切頂卸壓威力不可控、安全風險大的缺陷，對堅硬頂板致裂層位進行精準控制，選用合適的定壓剪切片，解決了采用水力壓裂泄放壓力不足的問題，開辟了堅硬頂板控制的新工藝工法。對比國內(nèi)外現(xiàn)有切頂卸壓技術(shù)，在控制效果、施工安全、工藝流程等方面達到國內(nèi)先進水平。