董東礦沿空留巷切頂卸壓對底板受力影響分析

席小平，樊 剛，喬懿麟，邊海清

（1.陜西澄城董東煤業有限責任公司，陜西 渭南 715200；2.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065）

沿空留巷作為無礦柱巷道，不存在礦柱及礦柱下方集中應力狀況，傳統沿空留巷由于存在巷旁充填體，其通過應力傳遞依舊存在充填體下方礦體應力集中現象。切頂沿空留巷是通過對采空區側巷道上方頂板進行切斷，讓采空區頂板自行垮落，整體下沉，并起到卸壓作用。本文通過數值模擬的方法，對比分析寬礦柱、窄礦柱、切頂沿空留巷的受力情況，確定切頂沿空留巷的卸壓作用。

1 試驗工作面概況

以董東礦礦50107工作面為研究對象，該工作面總體位于DD2號簸萁向斜構造區，工作面北高南低，西高東低，礦層傾向變化較大，傾角在3°～6°。

50107工作面傾斜長度為117m，走向長度為224m。回采層是5號礦層，礦層厚2.6m～5.0m，平均厚3.4m，屬較穩定礦層，一般含夾矸一至二層，下矸較穩定，厚0.2m～0.6m，夾矸多為炭質泥巖及砂質泥巖，在5號礦層與K4之間，厚0.1m～0.3m。

2 模型建立

模擬采用FLAC3D軟件，建立模型如圖1所示，由Generate命令生成，尺寸為長（X）×寬（Y）×高（Z）=350m×20m×52m。

圖1 數值模擬模型

3 不同開采條件下圍巖受力分析

根據現有工作面礦柱的調研，工作面之間寬礦柱留設25m，由圖2、圖3可知，礦柱所受垂直應力呈現“雙峰”狀態，距離采空區側礦柱的集中應力明顯大于巷道側的集中應力。

左側最大集中應力為38.3MPa，集中系數為3.83。右側最大集中應力為21.5MPa，集中系數為2.15。左側集中應力系數為右側的1.78倍。

造成此種現象的原因是由于工作面回采和巷道開挖的應力擾動，造成應力疊加。

圖2 寬礦柱垂直應力云圖

圖3 寬礦柱下垂直應力曲線圖

研究窄礦柱的受力情況，工作面之間窄礦柱留設5m，由圖4、圖5可知，礦柱所受垂直應力由寬礦柱的“雙峰”狀態轉化為“單峰”狀態，集中應力出現在礦柱的中部，最大集中應力為52.53MPa，集中系數為5.25，為寬礦柱集中系數的1.37倍。由此可知，窄礦柱的集中應力明顯大于寬礦柱的集中應力。

圖4 窄礦柱垂直應力云圖

圖5 窄礦柱垂直應力曲線圖

研究沿空留巷切頂前后圍巖受力情況，垂直應力最大值出現在巷道右側4m范圍內，最大集中應力分別為28.4MPa、21.3MPa，集中系數分別為2.84、2.13。對比分析窄礦柱、寬礦柱受力情況，沿空留巷整體表現為應力減小，且切頂沿空留巷的卸壓效果更明顯，更有利于維護圍巖穩定。

圖6 窄礦柱二次采動塑性區

圖7 寬礦柱二次采動塑性區

圖8 切頂沿空留巷一次采動塑性區

4 不同開采方式下塑性區分析

通過數值模擬計算，圖6為窄礦柱二次采動塑性區，窄礦柱二次采動底板塑性區最大深度為14m，由于計算過程中窄礦柱失穩破壞，未將頂板壓力完全傳遞到底板，因此在此類情況下，高強度窄礦柱所導致底板破壞深度遠大于14m。

圖7為寬礦柱二次采動塑性區，寬礦柱二次采動底板塑性區最大深度為16.5m，由于礦柱底下產生集中應力，因此其底板破壞深度大于工作面下方底板破壞深度。

圖8為切頂沿空留巷一次采動塑性區，切頂沿空留巷一次采動塑性區最大深度為10.5m。由圖可知，由于切頂效應，底板整體破壞深度比較均勻。

對比分析圖6、圖7、圖8可知，切頂沿空留巷整體卸壓效果比較明顯，最大破壞深度相對較小。

5 結語

（1）對比分析窄礦柱、寬礦柱、沿空留巷圍巖受力情況，表明切頂沿空留巷卸壓效果比較明顯，有利于圍巖控制。

（2）對比分析窄礦柱、寬礦柱、沿空留巷圍巖塑性區，通過底板破壞深度比較，表明切頂沿空留巷卸壓效果明顯，有利于減小底板破壞深度。

（3）切頂沿空留巷有很好的卸壓效果，有利于巷道圍巖控制。