切頂卸壓沿空留巷圍巖控制效果數(shù)值模擬研究

鄧曉剛，欒恒杰，劉建榮

（1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán) 技術(shù)中心，山東 臨沂 276017；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299）

煤炭地下開采中主要采用長(zhǎng)壁開采方法，隨開采深度不斷增加，因留設(shè)煤柱導(dǎo)致的巷道災(zāi)害問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重[1]。沿空留巷是解決這些問(wèn)題的有效途徑，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著[2-5]。何滿潮等[6-9]提出了沿空切頂成巷無(wú)煤柱開采方法，簡(jiǎn)稱“110工法”，總結(jié)了切頂卸壓作用機(jī)理，并基于該方法開發(fā)了配套的聚能爆破、恒阻大變形錨桿等關(guān)鍵技術(shù)。郭志飚等[10]、高玉兵等[11]、郭鵬等[12]、宋立兵等[13]、童碧等[14]等分別在不同地質(zhì)條件下成功實(shí)施了“110工法”，促進(jìn)了切頂卸壓技術(shù)的發(fā)展。王炯等[15]通過(guò)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了切頂與非切頂情況下巷道圍巖變形規(guī)律。孫曉明等[16]對(duì)薄煤層切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究。楊森等[17]對(duì)無(wú)巷旁充填切頂卸壓沿空留巷前后礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及關(guān)鍵支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。韓昌良等[18]在闡明沿空留巷支護(hù)應(yīng)力環(huán)境的基礎(chǔ)上，建立了側(cè)向懸臂斷裂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得到了頂板給定變形方程。楊軍等[19]分析了切頂卸壓條件下的頂板結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，建立力學(xué)模型推導(dǎo)了頂板在各階段的變形量計(jì)算公式。朱珍等[20]分析了切頂卸壓沿空留巷碎石巷幫的形成機(jī)理，建立了沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型。綜上可知，目前在切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)相關(guān)的理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐方面已有了諸多研究，但切頂卸壓對(duì)巷道圍巖受力特點(diǎn)與變形規(guī)律影響方面的研究仍有待深入。為此，采用塊體離散元軟件UDEC開展數(shù)值模擬，對(duì)沿空留巷側(cè)向頂板懸頂與垮落2種情況下的巷道圍巖受力變形特征進(jìn)行深入分析，研究切頂卸壓對(duì)沿空留巷圍巖控制效果的影響規(guī)律。

1 切頂卸壓沿空留巷數(shù)值模擬方案

1.1 工程背景

以某礦3203工作面為工程背景。工作面傾斜方向的長(zhǎng)度為224 m，走向方向長(zhǎng)度平均為420 m，可采儲(chǔ)量14.3萬(wàn)t。工作面開采煤層為2#煤層，煤層平均埋深為550 m，平均厚度為1.37 m，平均傾角為3°，普氏系數(shù)為3～4。3203工作面開采時(shí)在軌道巷中進(jìn)行沿空留巷，保留巷道寬度3.4 m，平均高度約2.7 m，相鄰工作面開采時(shí)復(fù)用。

1.2 數(shù)值模型

模型尺寸為335 m×100 m（長(zhǎng)x×高y），兩側(cè)分別設(shè)置50 m寬的煤柱作為邊界。數(shù)值模型中煤層上方頂板巖層高度為68 m，在模型上表面施加12.05 MPa的均布補(bǔ)償載荷模擬巖層自重。模型兩側(cè)邊界采用水平約束，限制模型水平方向上的運(yùn)動(dòng)，底部采用固定邊界。為了提高計(jì)算效率，在地層綜合柱狀圖基礎(chǔ)上對(duì)煤巖層厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。模型煤巖體的本構(gòu)模型選為摩爾-庫(kù)倫模型，節(jié)理及煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 數(shù)值模型煤巖體節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock joints in numerical model

表2 數(shù)值模型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock in numerical model

1.3 數(shù)值模擬計(jì)算方案

數(shù)值模擬中根據(jù)頂板切落情況設(shè)置2組方案，通過(guò)對(duì)比分析2組方案下巷道圍巖應(yīng)力分布和變形規(guī)律，研究切頂卸壓對(duì)巷道圍巖控制效果的影響。其中，方案1在工作面開挖后不對(duì)直接頂進(jìn)行人為干預(yù)，隨工作面開挖直接頂可自然變形沉降，產(chǎn)生懸頂結(jié)構(gòu)；而在方案2中通過(guò)人為設(shè)置切縫，使直接頂破斷后垮落至采空區(qū)。

數(shù)值模擬步驟如下：首先在工作面的兩側(cè)開掘巷道，之后在巷道靠近采空區(qū)側(cè)設(shè)置巷旁支護(hù)墻體，墻體的寬度為1.2 m，高度為3.0 m。在煤層（y=31 m）、直接頂（y=34 m）和基本頂（y=38 m）中分別設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)煤巖體中的應(yīng)力分布規(guī)律。在沿空巷道的頂板（x=52 m，y=33 m）、底板（x=52 m，y=30 m）、煤幫（x=50 m，y=31.5 m）和墻體幫（x=53.8 m，y=31.5 m）分別設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形演化規(guī)律。

2 切頂卸壓沿空留巷圍巖控制效果分析

2.1 沿空巷道圍巖應(yīng)力特征

直接頂懸頂時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力特征如圖1和直接頂垮落時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力特征圖2。

圖1 直接頂懸頂時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力特征Fig.1 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

圖2 直接頂垮落時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力特征Fig.2 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由圖1、圖2可以看出，無(wú)論沿空巷道外側(cè)采空區(qū)上方的直接頂是否垮落，實(shí)體煤和墻體位置處都表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中，而巷道頂、底板均呈現(xiàn)應(yīng)力降低狀態(tài)。沿空巷道的圍巖應(yīng)力分布特征在直接頂切落與懸頂2種狀態(tài)下存在一定的差別。從圖1可以看出，工作面開采后，在采空區(qū)上方直接頂懸頂狀態(tài)下，煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力為27.52 MPa，巷旁支護(hù)墻體中的最大垂直應(yīng)力為21.66 MPa，其應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.00和1.58。從圖2中可以看出，在采空區(qū)上方直接頂切落狀態(tài)下，煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力為24.88 MPa，巷旁支護(hù)墻體中的最大垂直應(yīng)力為14.96 MPa，其應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.81和1.09。相對(duì)于直接頂懸頂狀態(tài)，直接頂垮落時(shí)煤幫側(cè)煤層和巷旁支護(hù)墻體上的垂直應(yīng)力集中系數(shù)分別降低0.19和0.49。這是因?yàn)樵谥苯禹斘纯迓錉顟B(tài)下，頂板向采空區(qū)回轉(zhuǎn)變形，將嚴(yán)重?cái)D壓巷道圍巖，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力顯著增加。而人為切頂導(dǎo)致采空區(qū)上方直接頂有效垮落，采空區(qū)部分上覆巖層的質(zhì)量不再向巷道周圍的煤巖體中傳遞，且垮落的巖層會(huì)對(duì)頂板起到一定的支撐作用，這也有助于降低沿空巷道所承受的采動(dòng)壓力。

2.2 沿空巷道圍巖變形特征

模擬的巷道圍巖變形云圖如圖3和圖4。

圖3 直接頂懸頂時(shí)巷道圍巖變形云圖Fig.3 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

圖4 直接頂垮落時(shí)巷道圍巖變形云圖Fig.4 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由圖3和圖4可以看出，直接頂未垮落時(shí)，其向采空區(qū)回轉(zhuǎn)變形時(shí)會(huì)導(dǎo)致沿空巷道圍巖被擠壓變形，圍巖應(yīng)力顯著增加，進(jìn)而造成巷道圍巖嚴(yán)重變形，表明在直接頂未垮落狀態(tài)下，工作面采動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響巷道圍巖控制效果。而在直接頂垮落時(shí)，其對(duì)巷道的擠壓作用明顯減弱，作用在巷道兩幫的圍巖應(yīng)力顯著降低，巷道圍巖變形得到有效控制，表明在直接頂未垮落狀態(tài)下，工作面采動(dòng)對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響可顯著降低。

通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的2種直接頂狀態(tài)下的沿空巷道變形規(guī)律如圖5和圖6。

由圖5和圖6可知，2組模擬方案下巷道圍巖變形在初始階段都首先表現(xiàn)出急劇增加的趨勢(shì)，之后隨著工作面不斷推進(jìn)，巷道變形速度不斷下降并趨于穩(wěn)定。但在2種方案下沿空巷道圍巖變形程度存在一定差別。由圖5可以看出，直接頂未垮落時(shí)，沿空巷道變形中頂板下沉最為嚴(yán)重，其次為底板鼓起，再者為煤幫內(nèi)移，墻體內(nèi)移量最小，巷道圍巖變形量較大；由圖6可以看出，直接頂垮落時(shí)，沿空巷道變形中則是底板鼓起最為嚴(yán)重，其次為頂板下沉，再者為煤幫內(nèi)移，墻體內(nèi)移量最小，巷道圍巖變形量處于可控范圍。

圖5 直接頂未垮落狀態(tài)下巷道圍巖變形規(guī)律Fig.5 Deformation law of roadway surrounding rock under direct roof hanging

直接頂未垮落狀態(tài)下沿空巷道的頂板沉降、底板鼓起、煤幫內(nèi)移和墻體內(nèi)移量分別為881.3、745.5、297.5、234 mm，而在直接頂垮落狀態(tài)下分別為238.9、296.9、217.8、57.8 mm，相對(duì)于直接頂未垮落狀態(tài)下變形量，分別降低73%、60%、27%、75%?？梢姡苯禹攽翼敃r(shí)沿空巷道圍巖的變形量遠(yuǎn)大于基本頂垮落狀態(tài)下，說(shuō)明直接頂懸頂是造成沿空巷道圍巖大變形的重要原因。因此，在人工切頂情況下，巷道采空區(qū)側(cè)向頂板可及時(shí)垮落，減輕開采對(duì)巷道圍巖擾動(dòng)，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)顯著的降低。此外，還可看出，直接頂未垮落狀態(tài)下，巷道圍巖變形量在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)增加，而在直接頂垮落狀態(tài)下，巷道圍巖變形量可以更早的趨于穩(wěn)定，避免覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)巷道的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)擾動(dòng)。

3 結(jié)論

1）采空區(qū)上方直接頂未垮落狀態(tài)下，煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力為27.52 MPa，巷旁支護(hù)墻體中的最大垂直應(yīng)力為21.66 MPa；在采空區(qū)上方直接頂切落狀態(tài)下，煤幫側(cè)最大垂直應(yīng)力為24.88 MPa，巷旁支護(hù)墻體中的最大垂直應(yīng)力為14.96 MPa。相對(duì)于直接頂懸頂狀態(tài)，直接頂垮落時(shí)煤幫側(cè)煤層和巷旁支護(hù)墻體上的垂直應(yīng)力集中系數(shù)分別降低0.19和0.49。

2）直接頂垮落狀態(tài)下沿空巷道的頂板沉降、底板鼓起、煤幫內(nèi)移和墻體內(nèi)移量相對(duì)于直接頂未垮落狀態(tài)下變形量，分別降低73%、60%、27%和75%。直接頂懸頂時(shí)沿空巷道圍巖的變形量遠(yuǎn)大于基本頂垮落狀態(tài)下，說(shuō)明巷道側(cè)向懸頂是造成沿空巷道圍巖大變形的重要原因。

3）直接頂未垮落狀態(tài)下，沿空巷道頂板向采空區(qū)回轉(zhuǎn)變形，將嚴(yán)重?cái)D壓巷道圍巖，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力顯著增加。人為切頂會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)上方直接頂有效垮落，且垮落的巖層會(huì)對(duì)頂板起到一定的支撐作用，也有助于降低巷道圍巖壓力。