綜放工作面回風(fēng)順槽切頂卸壓護(hù)巷數(shù)值模擬研究

宋旭光

（陽泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

通過切頂卸壓將煤柱上的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，使應(yīng)力降低區(qū)范圍擴(kuò)大，為鄰近工作面小煤柱沿空掘巷提供安全保障，現(xiàn)階段這項(xiàng)技術(shù)已是各位專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。程健新登運(yùn)用數(shù)值模擬軟件得出切頂卸壓能夠改善巷道圍巖應(yīng)力分布[1]；孫夏斐等通過多參數(shù)、多因素分析提出更優(yōu)化的技術(shù)方案[2]；龍鳳魁等通過分析巷道圍巖的移動變形規(guī)律，提出了分區(qū)噴漿控制方案[3]；郭李剛、李旭濤、張欣等通過現(xiàn)場實(shí)測得出切頂留巷技術(shù)能夠降低巷道圍巖變形量[4-6]；李世強(qiáng)等提出雙巷自成巷支護(hù)與大變形錨索聯(lián)合使用能夠控制巷道變形移進(jìn)量[7-8]；楊晉等提出水力壓裂技術(shù)能夠有效降低巷道圍巖的變形量，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境[9-11]。上述研究針對不同地質(zhì)條件進(jìn)行了有針對性的方案設(shè)計，沒有針對性的對切頂與不切頂對比分析，為此，通過基于頂板破斷力學(xué)特征和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法，對比切頂與不切頂?shù)V壓顯現(xiàn)特征，確定合理的切頂高度，構(gòu)建切頂卸壓成套技術(shù)工藝體系，能夠?qū)︵徑ぷ髅嫘∶褐乜站蛳锾峁┝税踩Ｕ稀?/p>

1 工程背景

上社二景煤礦以往工作面之間煤柱留設(shè)寬度在25～30 m，受礦井地質(zhì)構(gòu)造等特殊條件的影響，導(dǎo)致煤炭采出率低，還可能會出現(xiàn)巷道維護(hù)困難等現(xiàn)象。按照上級公司關(guān)于小（無）煤柱開采的理念，該礦計劃在15203 工作面實(shí)施小煤柱沿空掘巷，為了使15205 工作面回采結(jié)束后，在15205 回風(fēng)順槽上方的懸臂結(jié)構(gòu)縮短，現(xiàn)決定采用切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)在15205 回風(fēng)順槽實(shí)施爆破切頂卸壓，以期達(dá)到對15203 工作面進(jìn)風(fēng)順槽起到保護(hù)作用。上社二景煤礦15205 工作面位于15 號煤Ⅱ采區(qū)東翼，北為15203 進(jìn)風(fēng)順槽（未掘）、南為實(shí)體煤、西為采區(qū)大巷、東為井田邊界。15205 進(jìn)風(fēng)順槽由西向東沿煤層頂板掘進(jìn)，煤層走向71°，傾向161°，傾角2°～3°，煤層厚度平均5.2 m。煤巖體綜合柱狀圖如圖1 所示。15205 回風(fēng)順槽設(shè)計長度為682 m；15205 回風(fēng)順槽為矩形斷面，凈寬5.2 m，凈高5.4 m，凈斷面為28.08 m2。

圖1 15205 回風(fēng)順槽綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.15205 return air roadway

2 切頂卸壓工作原理

2.1 預(yù)裂爆破成縫原理

預(yù)裂爆破成縫的原理就是在進(jìn)行爆破作業(yè)時，爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和氣流沿設(shè)計的預(yù)裂孔爆破出一個既有一定寬度，又沒對周圍巖體形成較大破壞的貫通裂縫。

頂板巖石預(yù)裂爆破的研究發(fā)展經(jīng)歷了3 個歷程，分別為運(yùn)用彈性力學(xué)解釋分析階段、運(yùn)用斷裂力學(xué)解釋分析階段、以及運(yùn)用損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)結(jié)合的解釋分析階段。

運(yùn)用彈性力學(xué)解釋分析階段主要是將巖石作為一種層間距離相同、性質(zhì)相同、均勻厚度等理想化條件的連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究分析，依據(jù)經(jīng)典理論的各項(xiàng)準(zhǔn)則去判別在爆破作用下生成氣壓，產(chǎn)生沖擊波，造成巖石破裂、裂隙擴(kuò)展增大的情況。運(yùn)用斷裂力學(xué)解釋分析階段主要是巖石在爆破作用下的宏觀缺陷分析，爆破作用下產(chǎn)生的沖擊波致使裂隙擴(kuò)展，形成三維的裂隙擴(kuò)展應(yīng)力和位移強(qiáng)度的分析結(jié)果，最終確定裂隙的擴(kuò)散范圍。運(yùn)用損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)結(jié)合的解釋分析階段主要是巖石在爆破作用下的微觀缺陷分析，爆破作用下產(chǎn)生的沖擊波引起周圍巖石裂隙擴(kuò)散損傷，細(xì)化整個裂隙擴(kuò)展的演化過程，直至裂隙擴(kuò)展到一定程度后產(chǎn)生裂紋的過程。

爆破成縫主要依靠爆破產(chǎn)生的沖擊波，形成一種形狀如楔子的沖擊力，施加與周圍巖體，這種沖擊力致使爆破孔周圍的巖體產(chǎn)生一條沿橫向方向的裂紋（也稱“氣刃效應(yīng)”），使得周圍巖體沿此方向繼續(xù)擴(kuò)散，同時，因?yàn)闆_擊波產(chǎn)生的應(yīng)力推動作用會使得周圍巖體的裂紋受到巖體原巖應(yīng)力的作用，擠壓變形，裂紋經(jīng)歷第二次擴(kuò)展形成裂縫，增加巖體的透氣性。

2.2 切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)原理及工藝

基于工作面頂板垮落及破斷特征，提出以切斷基本頂為保障的切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)原理。

工作面回采前，在兩側(cè)巷道前方一段距離，利用預(yù)裂爆破將前方巷道上方的基本頂和煤柱幫上方的基本頂進(jìn)行切縫處理，避免煤柱幫上方頂板出現(xiàn)“O-X”破斷情況，阻斷基本頂之間的聯(lián)系，消除或減弱采空區(qū)側(cè)基本頂回轉(zhuǎn)、斷裂、垮落對煤柱側(cè)的影響，使側(cè)向支承壓力峰值降低并向深部移動。其工藝流程如圖2 所示。

圖2 切頂爆破卸壓護(hù)巷技術(shù)原理Fig.2 Technical principle of roof cutting blasting pressure relief roadway protection

超前預(yù)裂切頂卸壓護(hù)巷的技術(shù)工藝流程。在本工作面開始回采時，在前方兩側(cè)巷道煤柱幫側(cè)布置切頂鉆孔，進(jìn)行超前預(yù)裂爆破，形成定向切頂線，如圖2（a）和圖2（b）所示；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，上覆頂板在重力載荷作用下，工作面頂板會沿著切頂線冒落，降低了沿空巷道受到工作面頂板壓力的影響，如圖2（c）所示；另外，工作面頂板冒落，充滿采空區(qū)后，受上覆巖層頂板彎曲下沉擠壓后，沿著采空區(qū)進(jìn)行巷道掘進(jìn)，掘出的工作面巷道，在后續(xù)的回采過程中巷道變形量將減小。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本次數(shù)值模擬主要對在不切頂情況下與切頂情況下的對比進(jìn)行研究，進(jìn)一步研究在切頂?shù)臈l件下工作面前方采動應(yīng)力影響狀態(tài)的變化規(guī)律。

根據(jù)圖1 煤層綜合柱狀圖，利用模擬軟件進(jìn)行二維建模。尺寸為500 m×170 m。根據(jù)煤層上覆巖層的容重和層高，計算等到上覆巖層的垂直應(yīng)力為8.9 MPa，施加于模型上覆進(jìn)行計算。

觀測方面是在不切頂以及不同切頂高度情況下分別監(jiān)測工作面在采空后的側(cè)向支承壓力情況并進(jìn)行對比分析。模擬過程方面，第一部分首先使模型運(yùn)算至初始平衡，之后在不切頂?shù)臈l件下對15205工作面進(jìn)行回采，待采空區(qū)穩(wěn)定后監(jiān)測工作面的側(cè)向支承壓力；第二部分是恢復(fù)之前的初始平衡狀態(tài)，并針對切頂后留設(shè)預(yù)裂切縫，待工作面回采至穩(wěn)定后監(jiān)測切頂后的工作面?zhèn)认蛑С袎毫Α?/p>

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 不切頂條件下模擬結(jié)果分析

當(dāng)不切頂時回采15205 工作面的頂板垂直應(yīng)力和垂直位移云圖如圖3 所示。從圖中可以看出，在工作面回采結(jié)束至穩(wěn)定后，由于工作面回采打破初始平衡狀態(tài)，使得在采空區(qū)側(cè)一定距離內(nèi)出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。如果此時進(jìn)行沿空掘巷，將打破原有的工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布，在掘巷時將會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時掘進(jìn)的巷道位于采空區(qū)邊緣的塑性破壞區(qū)范圍內(nèi)，同時由于沒有將頂部巖層切斷，掘巷頂板將受頂部巖層大結(jié)構(gòu)的影響而難以維持穩(wěn)定。此時掘巷巷道支護(hù)不僅困難，而且也將難以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 工作面回采后垂直應(yīng)力和垂直位移云圖（不切頂）Fig.3 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining(without roof cutting)

從圖3 中可以看出，不切頂時工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢贸霈F(xiàn)在距離工作面采空區(qū)14 m 的位置，峰值大小為24.36 MPa，其中原巖應(yīng)力為9.28 MPa，故其應(yīng)力集中系數(shù)為2.63。

將上述的應(yīng)力峰值繪制曲線如圖4 所示。由圖4 可知，應(yīng)力降低區(qū)范圍為5 m。側(cè)向支承壓力在短距離內(nèi)出現(xiàn)了急速增大，達(dá)到峰值，隨后又出現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象，隨著工作面的繼續(xù)回采，在工作面推進(jìn)至距采空區(qū)14 m 左右位置時垂直應(yīng)力的變化才趨于平緩狀態(tài)。所計算出的側(cè)向支承壓力峰值位置出現(xiàn)在距離工作面采空區(qū)邊緣14 m 左右的位置，峰值大小為24.36 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.63。

圖4 側(cè)向支承壓力曲線（不切頂）Fig.4 Lateral abutment pressure curve（without roof cutting）

3.2.2 切頂條件下模擬結(jié)果分析

根據(jù)15205 工作面煤層綜合柱狀圖，其基本頂位置K2上石灰?guī)r，其高度為18 m。由于數(shù)值模擬建立模型時基本頂厚度為18 m，因此模擬時切頂高度為18 m。如果在切頂?shù)那闆r下，基本頂將恰好被完整切掉，阻斷了其應(yīng)力的傳遞作用，而后再進(jìn)行沿空掘巷將改善巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，其工作面在回采結(jié)束至穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出，在預(yù)裂切縫的影響下，工作面右側(cè)的頂板已經(jīng)被整體切下，切頂效果明顯。在切頂卸壓的情況下，15205 工作面回采完畢后在切頂一側(cè)采空區(qū)邊緣垂直應(yīng)力雖有所上升，但幅度不大。

圖5 工作面回采后垂直應(yīng)力和垂直位移云圖（切頂）Fig.5 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining（roof cutting）

將應(yīng)力值提取處理繪制曲線如圖6 所示。

圖6 側(cè)向支承壓力曲線（切頂）Fig.6 Lateral abutment pressure curve（roof cutting）

通過曲線可以看出，側(cè)向支承壓力峰值位置出現(xiàn)在距離工作面采空區(qū)19 m 的位置，峰值為18 MPa（原巖應(yīng)力為9.28 MPa），經(jīng)計算可得此時得工作面的應(yīng)力集中系數(shù)為1.94，應(yīng)力降低區(qū)范圍為9 m。相比不切頂情況下，切頂卸壓后側(cè)向支承壓力峰值位置向?qū)嶓w煤一側(cè)偏移了5 m，且峰值減小約了6.363 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)減小0.69。同時，應(yīng)力降低區(qū)范圍較不切頂情況下增加了5 m。

4 結(jié)論

（1）基于工作面頂板垮落及破斷特征，提出以切斷基本頂為保障的切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)原理。

（2）應(yīng)力降低區(qū)范圍為9 m。相比不切頂情況下，切頂卸壓后側(cè)向支承壓力峰值位置向?qū)嶓w煤一側(cè)偏移了5 m，且峰值減小約了6.363 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)減小0.69。同時，應(yīng)力降低區(qū)范圍較不切頂情況下增加了5 m。