小煤柱切頂卸壓沿空掘巷數(shù)值模擬研究

郭 勇

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

由于留小煤柱沿空掘巷布置方式可提高煤炭采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，在國(guó)內(nèi)外煤礦得到廣泛應(yīng)用[1]。張科學(xué)[2]等運(yùn)用極限平衡理論、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，確定了窄煤柱的合理寬度；于洋等[3]采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值計(jì)算的方法，研究了沿空掘巷圍巖變形規(guī)律和分控制技術(shù)；鄭西貴[4]等通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐的方法，研究了不同寬護(hù)巷煤柱沿空掘巷掘采全過程的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,分析了煤柱寬度對(duì)沿空掘巷煤柱和實(shí)體幫應(yīng)力演化的影響。綜上可知，目前在小煤柱沿空掘巷相關(guān)理論和技術(shù)有了大量研究，但對(duì)于不同切頂參數(shù)對(duì)小煤柱沿空巷道圍巖受力大小的研究較少。為此，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)不同切頂參數(shù)下的巷道圍巖受力大小進(jìn)行分析，研究切頂卸壓對(duì)沿空掘巷圍巖控制效果的影響規(guī)律。

1 工程概況

晉華宮礦12-2#層301擴(kuò)區(qū)設(shè)計(jì)為單翼布置盤區(qū)，該盤區(qū)共設(shè)置3個(gè)大采高工作面。12-2#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層平均厚度為6.81 m，煤層傾角為1°～7°，平均4°，煤層硬度系數(shù)為3.0，該區(qū)域無大的發(fā)水裂隙，煤層自燃傾向?qū)儆冖蝾愖匀济簩樱瑹o地溫、地壓危害，屬于高瓦斯礦井。頂、底板巖性見表1。

表1 頂、底板巖性特征表

8101工作面埋深331 m，工作面開切眼長(zhǎng)度為165 m，順槽長(zhǎng)度743.5 m，切眼至停采線長(zhǎng)度650 m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，采用綜合機(jī)械化單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。為保證礦井采掘接替，以往采用留設(shè)30 m寬的煤柱進(jìn)行沿空掘巷不僅造成采出率低，相鄰巷道也受上一工作面開采動(dòng)壓影響，巷道維護(hù)困難。綜合研究國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)[5-7]，采用最新的切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)，經(jīng)過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)在2101巷進(jìn)行爆破預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)，在5103回風(fēng)巷進(jìn)行恒阻錨索支護(hù)設(shè)計(jì)，留設(shè)6 m小煤柱沿空掘巷。工作面布置如圖1。

圖1 留小煤柱沿空掘巷平面示意圖

2 切頂卸壓技術(shù)原理

切頂卸壓技術(shù)是由何滿潮院士提出的一種新型開采技術(shù)[8]，即超前工作面一定范圍內(nèi)利用預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂切縫，使切縫影響范圍內(nèi)的上覆巖層在自重及礦山壓力的作用下垮落。通過對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫，切斷巷道頂板與采空區(qū)上覆巖層之間的應(yīng)力傳遞路徑，使不穩(wěn)定的長(zhǎng)臂梁轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的短臂梁結(jié)構(gòu)，從而降低受采動(dòng)影響下的沿空巷道圍巖變形特征。切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)示意圖

3 數(shù)值模型建立

為了研究沿空掘巷在預(yù)裂切頂條件下煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)力變化特征，分別建立不切頂及切頂角度分別為0°、8°、12°、16°、20°六種方案進(jìn)行模擬分析，對(duì)比分析不同切頂角度下煤柱及巷道圍巖應(yīng)力變化，采用切頂角度數(shù)值模擬的最優(yōu)角作為固定角，分別建立切頂高度為10 m、12 m、14 m、16 m、18 m的數(shù)值模型進(jìn)行模擬研究，通過對(duì)比選取最優(yōu)的切頂高度作為固定高度。

根據(jù)煤層賦存情況及地質(zhì)條件，建立相應(yīng)的數(shù)值模型，如圖3。模型長(zhǎng)300 m，高78 m，主要包括本區(qū)段工作面、實(shí)體煤幫及相鄰區(qū)段掘進(jìn)巷道，模型左右兩側(cè)邊界水平位移為零，底部邊界垂直位移為零，在模型頂部施加一定的力來模擬上覆巖層重量。模型中煤層頂板由下至上依次為細(xì)砂巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)頁巖，頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 工作面數(shù)值模型圖（m）

表2 頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.1 切頂角度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力演化影響分析

切頂角度的變化使預(yù)裂結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體的連接狀態(tài)發(fā)生了改變，切斷了采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞途徑，使沿空巷道兩側(cè)圍巖應(yīng)力也呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，如圖4。

從圖4分析可知，沒有對(duì)頂板預(yù)裂切縫時(shí)，煤柱幫應(yīng)力峰值（28.34 MPa）高于實(shí)體煤幫應(yīng)力峰值（27.30 MPa）。

圖4 切頂角度影響下煤柱幫和實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力曲線

當(dāng)切頂角度為0°時(shí)，煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)力峰值分別為25.59 MPa和25.20 MPa，和不切頂時(shí)相比應(yīng)力峰值降低了4.71 MPa和2.13 MPa?？梢钥闯觯瑢?duì)沿空巷道側(cè)向頂板采取預(yù)裂切縫后，可有效降低煤柱幫和實(shí)體煤幫所承受的載荷。當(dāng)切頂角度為8°時(shí)，煤柱幫和實(shí)體煤幫的應(yīng)力峰值為24.25 MPa和25.10 MPa。當(dāng)切頂角度增加到12°時(shí)，煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)力進(jìn)一步降低，煤柱幫應(yīng)力峰值為21.67 MPa，實(shí)體煤幫應(yīng)力峰值為24.32 MPa，與切頂角度8°相比應(yīng)力值分別降低了2.58 MPa和0.78 MPa。當(dāng)切頂角度增加到16°和20°時(shí)，巷道兩幫圍巖承受的載荷較切頂角度12°時(shí)有所增大[8]?？梢?，隨著切頂角度的增加，煤柱幫和實(shí)體煤幫的應(yīng)力峰值均有所降低。當(dāng)切頂角度為12°時(shí)，煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)力峰值下降明顯，切頂效果好，故最優(yōu)的切頂角度為12°。當(dāng)切頂角度大于12°時(shí)，煤柱上方小懸臂梁隨切頂角度的增加而增大，巷道兩幫圍巖應(yīng)力值也逐漸增大，圍巖卸壓效果弱。

3.2 切頂高度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力演化影響分析

在沿空掘巷切頂卸壓圍巖穩(wěn)定控制過程中，切頂高度的變化改變了巷道圍巖的連接狀態(tài)和充填程度，也影響著巷道兩幫圍巖的應(yīng)力變化。不同切頂高度下，煤柱幫和實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖5。

分析圖5可知，切頂高度為10 m時(shí)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值為26.0 MPa，應(yīng)力峰值區(qū)主要集中在巷幫約1.8 m范圍內(nèi)，實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力在距巷幫4.75 m范圍內(nèi)達(dá)到峰值25.41 MPa，隨后降低并趨于穩(wěn)定。當(dāng)切頂高度增加到12 m時(shí)，煤柱幫和實(shí)體煤幫內(nèi)的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，較切頂高度10 m時(shí)，應(yīng)力峰值分別降低1.35 MPa和1.23 MPa。當(dāng)切頂高度增加到14 m時(shí)，煤柱和實(shí)體煤幫應(yīng)力峰值大幅度下降，煤柱幫垂直應(yīng)力峰值為23.32 MPa，實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力為21.89 MPa，和切頂高度12 m相比應(yīng)力峰值分別降低2.03 MPa和2.49 MPa。當(dāng)切頂高度增加到16 m和18 m時(shí)，與切頂高度14 m相比，巷道圍巖卸壓效果不明顯。

圖5 不同切頂高度影響下巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，切頂高度的變化對(duì)巷道圍巖應(yīng)力有著明顯的影響，預(yù)裂切縫均可降低巷道圍巖應(yīng)力?？紤]到施工成本與難易程度，最終確定合理的切頂高度為14 m。

4 結(jié)論

（1）通過UDEC進(jìn)行數(shù)值模擬，分別對(duì)不同切頂角度和切頂高度下的煤柱幫和實(shí)體煤幫應(yīng)力變化特征進(jìn)行了分析，確定了合理的切頂角度為12°，合理的切頂高度為14 m。

（2）切頂卸壓技術(shù)，能夠有效切斷采空區(qū)頂板與沿空掘巷頂板之間的應(yīng)力傳遞路徑，降低了煤柱幫和實(shí)體煤幫圍巖應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道圍巖的主動(dòng)調(diào)控。