綜采工作面沿空留巷切頂卸壓支護技術研究

閻旭耀

摘 要：本文針對馬蘭礦18507工作面受相鄰工作面采動影響較大，所以在18507工作面實施沿空留巷的方式并采用切頂卸壓技術減小頂板及巷幫壓力，通過3DEC數值模擬對不同切頂高度條件下巷道的位移變化進行模擬，并在現場進行監測，結果表明方案實施效果良好。

關鍵詞：沿空留巷;切頂卸壓;數值模擬;載荷壓力

1 引言

沿空留巷有助于提高資源的回收效率，減少煤體損失，該項無煤柱護巷技術在采煤工作中有著十分重要的作用，從掘進開始到完成二次采動，在這個階段由于服務時間較長同時受到兩次采動應力的影響，導致圍巖會出現較大的變形，特別是雖然圍巖在留巷期間位于工作面側向壓力降低區，不過受到裂隙發育的影響，導致圍巖的承載性能被削弱，而導致較大的支護難度通過切頂卸壓手段能夠將應力轉移到巷道巖層的深部地區，降低巷旁所承擔的集中應力，能夠增強巷道的穩定性。利用炸藥爆破對頂板進行預裂，運用頂板周期來壓沿空切頂，從而形成對工作面上覆巖層堅硬頂板的支撐結構，有效控制老頂的下沉和回轉變形，達到卸壓目的。此前眾多學者對展開研究郭鵬飛，張國鋒，陶志剛對堅硬軟弱復合頂板切頂卸壓沿空留巷爆破技術進行深入研究。本文以馬蘭礦18507工作面為研究背景，對不同壓裂參數下砂巖頂板的壓裂情況進行分析，為治理堅硬頂板問題提供依據。

2 礦井概況

馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，井田面積為 104.4 km2，設計年生產能力4.0Mt，主要開采8# 煤層。8#煤層平均厚度3.2m，平均傾角為5°，煤層埋深908m，工作面走向長度為1205m，煤層頂板較為堅硬。需要對回采工作面進行切頂卸壓，保證回采工作安全順利。

2.1 數值模型的構建

為了研究切頂卸壓參數對卸壓效果的影響，本文建立二維砂巖模型，進行定向水力壓裂，以獲得不同預制裂縫角、不同預制裂縫長度及不同鉆孔直徑下砂巖起裂的起裂壓力、裂縫張開度變化規律。

構建的數值模型長寬高分別為500×500×1mm，在模型的中心位置預制鉆孔，鉆孔的圓心為模型的中心。在建模過程引入cohesive單元，cohesive單元是一種虛擬單元，其不具有力學屬性，利用cohesive單元進行預制裂縫。模型結構建立后進行網格劃分，由于鉆孔壁附近為應力及變形的集中區域，所以對模型鉆孔附近進行細化，在其余位置進行適當的粗化。模型網格劃分完成后，設置模型的邊界條件，限制模型XY方向的位移，對模型的上下左右進行固定約束設置。繼而設置模型的力學參數，按煤層頂板實際彈性模量、泊松比、滲透率、泄漏系數、斷裂韌度及允許最大位移等力學參數對模型進行賦值。最后設置模型的應力環境，根據實際地質情況設置Z方向的垂直應力為10MPa，在模型的XY方向分別設施加垂直于邊界的均布載荷6MPa和8MPa，應力差為2MPa，完成模型的建立。

2.2 數值模擬計算

選定預制裂縫角分別為15°、30°、45°、60°、75°及90°，起裂壓力及裂縫張開度隨預制裂縫角的變化曲線如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，隨著預制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力呈現逐步增大的趨勢，當預制裂縫角為15°時，此時砂巖的起裂壓力最小為13.2MPa;當預制裂縫角為90°時，此時砂巖的起裂壓力最大為16.8MPa，較預制裂縫角15°增大了3.6MPa。這是由于隨著預制裂縫角的增大，最大水平主應力與預制裂縫的夾角越大，最大水平主應力對預制裂縫尖端的起裂限制作用越強，巖石沿著預制裂縫起裂的困難程度增加，砂巖的起裂壓力增加。

從圖1（b）可以看出，隨著預制裂縫角的增大，砂巖起裂后的裂縫張開度呈現增大的趨勢，預制裂縫角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂縫張開度分別為0.1mm、0.108mm、0.15mm、0.118mm、0.121mm和0.125mm。這是由于隨著預制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力增加，鉆孔內部聚集的能量越多，在砂巖沿預制裂縫尖端起裂瞬間，能量釋放的也就越多，釋放的能量用于裂縫的擴展與裂縫的張開，所以裂縫的張開度隨著預制裂縫角的增大而增大。選定預制裂縫長度分別為5mm、8mm、10mm、12mm和15mm，起裂壓力及裂縫張開度隨預制裂縫長度的變化曲線如圖2所示。

從圖2a可以看出，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖的起裂壓力呈現減小的趨勢，預制裂縫長度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的起裂壓力分別為15.5MPa、15.2MPa、14.8MPa、14.2MPa，13.4MPa。這是由于隨著預制裂縫長度的增大，預制裂縫尖端附近的應力集中更加明顯，裂縫沿著預制裂縫尖端起裂需要的起裂壓力越低。

從圖2b可以看出，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖起裂的裂縫張開度逐步減小，預制裂縫長度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的裂縫張開度分別為0.118mm、0.117mm、0.115mm、0.111mm，0.109mm。這是由于隨著預制裂縫長度的增大，巖石的起裂壓力減小，巖石瞬間釋放的能量也就越小，所以裂縫的張開度逐步減小。

選定鉆孔直徑分別為25mm、30mm、40mm、50mm，隨著鉆孔直徑的增大，砂巖的起裂壓力呈現減小的趨勢，鉆孔直徑為25mm、30mm、40m、50mm的起裂壓力分別為14.8MPa、14.2MPa、13.8MPa、13.4MPa。這是由于隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔壁的應力集中更加明顯，應力在鉆孔壁附近重新分布，起裂壓力隨鉆孔直徑的增大而減小。

3 結論

結合理論分析與數值模擬等方法對對砂巖定向水力壓裂進行模擬發現，隨著預制裂縫角的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力越大，裂縫起裂的裂縫張開度越大。通過對砂巖定向水力壓裂進行模擬發現，隨著預制裂縫長度的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力減小，裂縫起裂的裂縫張開度減小。隨著鉆孔直徑的增大，巖石的起裂壓力呈現增大的趨勢。

參考文獻：

[1]郭鵬飛，張國鋒，陶志剛.堅硬軟弱復合頂板切頂卸壓沿空留巷爆破技術[J].煤炭科學技術，2016，44（10）：120-124.

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