10-110采面切頂卸壓留巷技術(shù)參數(shù)模擬分析與應(yīng)用

殷 勇

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦，山西 洪洞 041600）

受地質(zhì)條件等因素的影響，我國(guó)大多數(shù)煤礦開(kāi)采效率低，嚴(yán)重制約煤炭行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。尤其是對(duì)于深部中厚煤層，受高集中應(yīng)力影響，掘進(jìn)后巷道圍巖變形量大，后期維護(hù)成本高，甚至影響工作面安全回采[1-3]。切頂卸壓留巷技術(shù)是人為在頂板制造切縫，將垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，通過(guò)研究應(yīng)力和位移分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采[3-4]。切頂卸壓留巷作為一種新型技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，提出了“110工法”等新技術(shù)，但在中厚煤層等條件下的研究仍不充足夠充分[5-6]。以回坡底礦10-110綜采工作面為研究對(duì)象，模擬分析了“切縫高度6 m、角度15°”參數(shù)下的工作面留巷圍巖應(yīng)力和位移變化規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

1 工作面概況

回坡底礦10-110工作面位于1采區(qū)右翼，工作面標(biāo)高+458～+532 m，東部為井田邊界，北部與10-1122巷相鄰，南側(cè)為10-108工作面，西部為東一采區(qū)三條大巷。工作面走向長(zhǎng)度1 716 m，傾向長(zhǎng)度200 m，開(kāi)采10#煤層，平均厚度2.6 m，平均傾角3°。煤層直接頂為泥巖，厚度3.5 m，基本頂為K2灰?guī)r，厚度7.0 m。頂板巖層強(qiáng)度高，受垂直應(yīng)力等影響，工作面回采后巷道圍巖變形較大。

2 切頂卸壓成巷機(jī)理

切頂卸壓成巷是人為制造切縫，將巷道頂板巖層“長(zhǎng)臂梁”結(jié)構(gòu)變?yōu)椤岸瘫哿骸苯Y(jié)構(gòu)，工作面來(lái)壓時(shí)，采空區(qū)頂板巖層沿切縫垮落壓實(shí)采空區(qū)，垮落的巖層利用其碎脹性的特點(diǎn)作為巷道的側(cè)幫支撐頂板巖層，將頂板垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，減小巷道受應(yīng)力影響程度[5-6]，如圖1所示。

由圖1可知，人為在巷道頂板制造切縫后，誘導(dǎo)巖塊B在實(shí)煤體側(cè)彈塑性交界處斷裂，將垂直應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，巖塊A、B、C鉸接結(jié)構(gòu)使巷道處于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，能夠減少應(yīng)力對(duì)巷道的影響，達(dá)到控制巷道圍巖變形的目的。

圖1 切頂卸壓

合理的切縫高度能夠保證巖塊B不發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，減小對(duì)巷道圍巖變形的影響，切縫高度H計(jì)算公式為：

Hf=(H-ΔH1-ΔH2）/（K-1）

式中：Hf為工作面采高，m；ΔH1為頂板巖層變形量，m；ΔH2為底板巖層變形量，m；K為碎脹系數(shù)，取1.3～1.5。

10-110工作面采高為2.6 m，碎脹系數(shù)取1.35，計(jì)算可得工作面切縫高度為6 m。考慮采空區(qū)垮落巖層受頂、底板變形量和擋矸支護(hù)擠壓等因素影響，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，切縫角度定為15°。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬

3.1 模型建立

采用FLAC3D模擬工作面切頂后應(yīng)力和位移變化情況，在10-110工作面布置10條測(cè)線，測(cè)線布置如表1、圖2所示。

表1 測(cè)線布置情況

圖2 測(cè)線布置

建立171 m×20 m×40 m的力學(xué)模型，垂直方向施加6.8 MPa應(yīng)力，設(shè)置頂板切縫高度6 m、角度15°，材料參數(shù)如表2所示。

表2 10-110工作面10#煤層頂板力學(xué)參數(shù)

巖層彈性模量G/GPa密度/（kg/m3）摩擦角f/°粘結(jié)力C/MPa抗拉強(qiáng)度T/MPa抗壓強(qiáng)度T/MPa泥巖 2.8 2 200 32 2.9 2.8 30 9煤 1.2 1 420 20 1.2 1.0 12泥巖 2.8 2 200 32 2.9 2.8 30

3.2 模擬結(jié)果分析

（1）垂直應(yīng)力分析

通過(guò)1、2、3號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)10-110工作面切頂前后垂直應(yīng)力變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 切頂前后垂直應(yīng)力變化情況

由圖3可知，10-110工作面未采用切頂卸壓前，受頂板垂直應(yīng)力和采空側(cè)向應(yīng)力等因素影響，頂板出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)采用切頂卸壓后，切斷頂板巖層與采空區(qū)的聯(lián)系，將高集中的應(yīng)力提前釋放，同時(shí)應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，使工作面處于低應(yīng)力區(qū)，減小應(yīng)力對(duì)巷道圍巖的影響，提高工作面回采效率。

通過(guò)1、2、3號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)工作面頂板不同層位的垂直應(yīng)力，在切頂前后的變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 切頂前后頂板不同層位垂直應(yīng)力分布

由圖4可知，在工作面頂板上方10 m范圍內(nèi)，切頂卸壓后垂直應(yīng)力較未卸壓前有明顯減小，在頂板上方3～6 m范圍內(nèi)，卸壓后垂直應(yīng)力減少幅度大。

（2）臨空側(cè)垂直分析

通過(guò)4、5、6號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)10-110工作面切頂前后，工作面前方不同距離臨空側(cè)垂直應(yīng)力變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 切頂前后臨空側(cè)垂直應(yīng)力分布

由圖5可知，隨著與工作面距離的增加，工作面臨空側(cè)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大至峰值，后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。切頂卸壓后臨空側(cè)垂直應(yīng)力峰值減小，但較未卸壓前降低幅度小。切頂卸壓前后4、5、6號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)得到臨空側(cè)垂直應(yīng)力峰值，如表3所示。

表3 臨空側(cè)垂直應(yīng)力峰值

由圖5可知，4、5、6號(hào)測(cè)線均在工作面前3 m處臨空側(cè)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，4號(hào)測(cè)線（距留巷臨空側(cè)2 m）垂直應(yīng)力下降幅度最大。

（3）實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力分析

通過(guò)7、8、9號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)10-110工作面切頂前后，距實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 切頂前后實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布

由圖6可知，隨工作面向前推進(jìn)，實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力先增大至峰值，后逐漸減小并穩(wěn)定。切頂卸壓后實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力峰值減小，應(yīng)力主要在距實(shí)體煤幫側(cè)4～6 m范圍內(nèi)集中。切頂卸壓前后7、8、9號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)得到實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力峰值，如表4所示。

表4 實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力峰值

由圖6可知，7、8、9號(hào)測(cè)線均在距實(shí)體煤5 m處實(shí)體煤幫側(cè)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，9號(hào)測(cè)線（工作面后方15 m）垂直應(yīng)力下降幅度最大。

（4）頂板下沉量分析

通過(guò)10號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)10-110工作面切頂前后頂板下沉量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 切頂前后頂板下沉量

由圖7可知，切頂卸壓后較未切頂前，10-110工作面頂板下沉量有了明顯減小，未卸壓時(shí)頂板最大下沉量為760 mm，切頂卸壓后減小為550 mm，減小了27.6%。

4 工程實(shí)踐

4.1 施工方式

10-110工作面通過(guò)爆破預(yù)裂方式進(jìn)行切頂卸壓，在實(shí)際施工過(guò)程中，切縫高度6 m、切縫深度為7 m、切縫角度15°。爆破炮眼布置在距臨空側(cè)幫角以里200 mm處，炮眼間距750 mm，直徑50 mm，如圖8所示。切頂卸壓留巷需加強(qiáng)支護(hù)，提高巷道的承載能力，減小圍巖變形量，留巷支護(hù)參數(shù)如表5所示。

圖8 鉆孔爆破布置參數(shù)

表5 切頂卸壓留巷支護(hù)參數(shù)

4.2 卸壓效果檢驗(yàn)

10-110工作面采用切頂卸壓留巷方式，利用采空區(qū)垮落巖層碎脹性，減小頂板應(yīng)力集中。在頂板布置3組頂板動(dòng)態(tài)儀監(jiān)測(cè)圍巖變形量，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 卸壓后圍巖變形量

由表6可知，切頂卸壓后巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在安全范圍。

5 結(jié)論

1）在工作面不同位置布置10條測(cè)線，通過(guò)FLAC3D模擬測(cè)線區(qū)域垂直應(yīng)力變化規(guī)律，得到在垂直頂板上方6 m、距留巷臨空側(cè)2 m、實(shí)體煤幫側(cè)后方15 m處，工作面垂直應(yīng)力下降幅度最大。根據(jù)監(jiān)測(cè)巷道頂板下沉量得到切頂卸壓后頂板最大下沉量減小了27.6%。

2）確定工作面實(shí)際切縫高度6 m、切縫深度7 m、切縫角度15°，通過(guò)監(jiān)測(cè)頂板下沉量可知，卸壓后留巷頂板下沉量和兩幫移近量均在安全范圍內(nèi)，由此可知，切頂卸壓有效避免了巷道圍巖應(yīng)力集中，減少了巷道圍巖變形量。