堅(jiān)硬頂板綜放面切頂卸壓技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳晉超

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

堅(jiān)硬頂板是我國煤礦生產(chǎn)過程中面臨的重要問題，其難垮難落極易造成工作面形成懸頂，當(dāng)懸頂?shù)某叽缱銐虼髸r發(fā)生垮落，造成沖擊地壓，而對于留煤柱的礦山，大面積的懸頂使得煤柱尺寸增大，造成資源的流失，對于無煤柱開采的巷道，大面積的懸頂造成巷道變形嚴(yán)重，增加巷道維護(hù)成本，所以對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行及時垮落卸壓是十分必要的，此前眾多學(xué)者對堅(jiān)硬頂板的治理進(jìn)行過研究[1]，本文利用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對不同切頂高度及不同切頂角下切頂卸壓效果進(jìn)行分析，給出最佳的切頂參數(shù)選擇，為礦山切頂卸壓提供一定的參考。

2 理論分析

切頂高度是指定向壓裂切縫距離煤層與巖層的分界面距離，合理的切頂高度對于切頂卸壓十分重要，它可以使的一定范圍內(nèi)垮落的矸石及時充填采空區(qū)，對覆巖的變形起到一定的支護(hù)作用。直接頂?shù)目迓潆S著支架的前移而逐步發(fā)生，垮落后的矸石無規(guī)律性散落，而跨落后的矸石的充填程度受到垮落頂板厚度及巖石的碎脹系數(shù)等的制約，當(dāng)直接頂厚度為h時，垮落高度為Kh，直接頂與老頂?shù)母叨瓤梢员硎緸椋?/p>

公式中：Δ表示為直接頂與老頂相距高度，m；h為直接頂?shù)暮穸?，m；Hc為煤層的高度，m；K為巖石的碎脹系數(shù)。

合理的切頂高度可以使得垮落巖石有效的支撐覆巖，采空區(qū)被垮落矸石完全充填，可以得到預(yù)裂切頂高度為:

式中：Hf為預(yù)裂切縫高度，m；ΔH1和ΔH2分別表示頂板的下沉量及底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況可知矸石的碎脹系數(shù)為1.4，且不考慮底鼓及底板下沉情況可得出切縫高度為8m，同時對切頂角度進(jìn)行研究，切頂角度是指切縫與頂板垂向的夾角，合理的切頂角度可以減小巖塊間的摩擦，使得卸壓效果更加明顯，根據(jù)對切頂角度的研究得出切頂角度小于20°時，切頂效果較好[2]。

3 數(shù)值模擬

為了對不同切頂高度及切頂角度下巷道圍巖的應(yīng)力分布進(jìn)行研究，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模分析，首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立長寬高分別為280m、180m和120m。巷道的開挖尺寸長寬高分別為4m、180m及3m，煤層的埋深設(shè)定為340m，本構(gòu)模型選定摩爾庫倫模型，對模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，完成參數(shù)設(shè)定后對模型的邊界進(jìn)行約束設(shè)定，對模型的前后設(shè)定Y向約束，左右設(shè)定X向約束，同時在模型的下邊界進(jìn)行Z方向約束設(shè)定，在上邊界進(jìn)行自重設(shè)置[3]。計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬計算模型示意圖

首先對不同切頂高度下切頂?shù)男ЧM(jìn)行分析，由于理論計算合理的切頂高度為8m，所以對切頂高度6m、8m和10m進(jìn)行對比分析，觀察圍巖的垂直應(yīng)力分布情況，在煤幫Z=23m及頂板X=78m的位置設(shè)定垂直應(yīng)力監(jiān)測線，垂直應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 不同切頂高度下垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖2無切頂時的垂直應(yīng)力云圖可以看出，當(dāng)無切縫時，在滯后工作面約50m的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，且應(yīng)力集中區(qū)域的長度約為8m，在煤幫監(jiān)測線的位置出現(xiàn)垂直應(yīng)力的最大值，最大值為24.4MPa，由于原巖應(yīng)力為10MPa，所以最大垂直主應(yīng)力是原巖應(yīng)力的2.4倍多，動載荷系數(shù)約為2.7，在巷道的上端部與采空區(qū)內(nèi)存在一定的卸壓區(qū)，但卸壓區(qū)域面積較小，同時根據(jù)頂板垂直應(yīng)力監(jiān)測可知，卸壓區(qū)域的平均應(yīng)力值為6.4MPa。當(dāng)切頂高度為6m時，此時的切縫并為貫通基本頂，同樣在滯后工作面約50m的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，此時應(yīng)力集中區(qū)域向著頂板的上端進(jìn)行轉(zhuǎn)移，且實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域距離巷幫約為11.5m，此時在煤幫的監(jiān)測線上的最大垂直應(yīng)力約為20.7MPa，較切頂高度0m時有了明顯的降低，此時最大垂直應(yīng)力約為原巖應(yīng)力的2.1倍，動載系數(shù)為2.3，在巷道的上端及采空區(qū)頂板的卸壓區(qū)域較無切頂高度時有了一定的增大，頂板監(jiān)測線平均垂直應(yīng)力為6.2MPa。當(dāng)切頂高度為8m時，此時切縫剛好貫通基本頂，在滯后工作面50m煤柱應(yīng)力集中區(qū)域距離煤幫14m，相距較遠(yuǎn)，煤幫監(jiān)測線上垂直應(yīng)力最大值為18.7MPa，動載系數(shù)為2.1，是原巖應(yīng)力的1.87倍。觀察頂板上端及采空區(qū)可以看出，在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積的卸壓區(qū)，卸壓區(qū)域較切頂高度0m和切頂高度6m有了明顯增大，同時根據(jù)頂板監(jiān)測線監(jiān)測的垂直應(yīng)力可知，在卸壓區(qū)域垂直應(yīng)力均值為5.9MPa。當(dāng)切頂高度增大至10m時，此時切縫貫通已經(jīng)超過基本頂?shù)母叨?，在滯后工作?0m煤柱應(yīng)力集中區(qū)域距離煤幫14m較遠(yuǎn)，與切頂高度8m時相同，煤幫水平監(jiān)測線上的垂直應(yīng)力最大值為18.5MPa，為原巖應(yīng)力的1.85倍，同時頂板垂直監(jiān)測線的應(yīng)力分布情況與切頂高度8m時幾乎無差，可以看出，隨著切頂高度的增大，應(yīng)力集中區(qū)域距離煤幫越遠(yuǎn)且卸壓效果越好，但切頂高度8m與切頂高度10m的切頂效果相差較小，且隨著切頂高度的增大，前期消耗越大，所以合理的切頂高度為8m，既能保障垮落矸石可以充填及支護(hù)覆巖，又能保障一定的切頂效果。

對切頂角度進(jìn)行研究，根據(jù)理論分析可知切頂角度不易大于20°，所以模擬切頂高度8m下切頂角度0°、5°、15°和20°，同樣在煤幫Z=23m及頂板X=78m的位置設(shè)定垂直應(yīng)力監(jiān)測線。

當(dāng)切頂角度為0°時，此時在滯后工作面約50m的煤幫垂直應(yīng)力最大值為18.7MPa，是原巖應(yīng)力的1.87倍，在巷道的上方和采空區(qū)頂板上端有明顯的卸壓區(qū)，同時根據(jù)頂板的垂直監(jiān)測線監(jiān)測結(jié)果可知，卸壓后平均垂直應(yīng)力為5.9MPa。當(dāng)切頂角度為10°時，此時在滯后工作面約50m的煤幫垂直應(yīng)力最大值為19.7MPa，是原巖應(yīng)力的1.97倍，在巷道的上方和采空區(qū)頂板上端的卸壓區(qū)較0°有了明顯的增大，同時根據(jù)頂板的垂直監(jiān)測線監(jiān)測結(jié)果可知，卸壓后平均垂直應(yīng)力為5.7MPa。當(dāng)切頂角度為15°時，此時在滯后工作面約50m的煤幫垂直應(yīng)力最大值為20.2MPa，是原巖應(yīng)力的2.02倍，在巷道的上方和采空區(qū)頂板上端的卸壓區(qū)并未較切頂角度10°時有多少增大，頂板的垂直監(jiān)測線得出卸壓后平均垂直應(yīng)力為5.5MPa。當(dāng)切頂角度為20°時，此時的水平監(jiān)測線最大主應(yīng)力為20.5MPa，巷道上端及頂板卸壓范圍較10°無明顯增大，頂板垂直監(jiān)測線得出卸壓區(qū)平均應(yīng)力為5.4。可以得出最佳的切頂角度為10°。

4 結(jié)論

（1）通過理論分析和實(shí)際地質(zhì)情況結(jié)合得出，切頂卸壓的最佳切頂高度為8m，最佳的切頂角度小于20°。

（2）利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂高度下巷道的垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，得出當(dāng)切頂高度為8m時，最大垂直應(yīng)力最小且切頂效果最好。

（3）利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂角度下巷道的垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，得出切頂角度為10°時巷道的卸壓效果最佳。