巷道切頂卸壓圍巖變形研究

郭 睿

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦，山西 太原030053）

堅(jiān)硬頂板的存在一直困擾著礦山的生產(chǎn)，由于頂板極難垮落造成上覆巖層形成大面積的懸頂，而懸頂發(fā)生斷裂會(huì)造成沖擊地壓，對(duì)礦山人員及設(shè)備造成巨大的威脅。在留煤柱開(kāi)采的礦山，堅(jiān)硬頂板迫使煤柱尺寸加大，造成資源浪費(fèi)，降低了礦山的出煤率。在無(wú)煤柱開(kāi)采的礦山，由于堅(jiān)硬頂板造成巷道圍巖的變形量變大，維護(hù)成本增加。所以對(duì)煤礦頂板進(jìn)行切頂卸壓對(duì)提升巷道穩(wěn)定性有著重要的作用。此前眾多學(xué)者對(duì)堅(jiān)硬頂板的問(wèn)題進(jìn)行過(guò)一定的研究。馬廣興[1]針對(duì)埋深較深的頂板經(jīng)過(guò)切頂卸壓后的巖石碎脹理論研究較少，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的切頂后的巖石碎脹進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進(jìn)碎脹系數(shù)變小，對(duì)于大深度的巖石切頂作出了一定的貢獻(xiàn)。朱珍[2]同樣為解決無(wú)煤柱開(kāi)采巷道頂板下沉的問(wèn)題，分析了上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律，認(rèn)為頂板的下沉量主要由切頂巖層離層量及基本頂?shù)慕o定下沉量共同構(gòu)成，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)的卸壓的效果進(jìn)行分析，為礦山堅(jiān)硬頂板的治理提供參考。本文以西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司杜兒坪礦（全文簡(jiǎn)稱(chēng)杜兒坪礦）68310工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的切頂卸壓效果進(jìn)行研究，為煤礦的切頂卸壓作出一定的參考。

1 支撐峰值點(diǎn)計(jì)算

杜兒坪礦68310工作面，煤層厚度為4.1～5.0 m，平均厚度4.5 m，煤層的傾角為1°～15°，煤層的平均厚度為3°，煤層走向881 m。在工作面開(kāi)始回采后，巷道圍巖的內(nèi)部應(yīng)力重新分布，護(hù)巷煤柱承載上覆巖層的壓力，隨著工作面進(jìn)一步，煤體的應(yīng)力沿著工作面的推進(jìn)方向擴(kuò)展如圖1為煤體塑性變形區(qū)支撐應(yīng)力分布圖。

圖1 煤體塑性區(qū)分布及超前承壓范圍示意圖

如圖1可知，隨著工作面的推進(jìn)煤體的應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，根據(jù)超前支撐的影響區(qū)域?qū)⑵鋭澐譃樗膫€(gè)區(qū)域，分別為I破碎區(qū)、II塑性分布區(qū)、III彈性分布區(qū)、IV原巖應(yīng)力區(qū)。四個(gè)區(qū)域內(nèi)分別易發(fā)生片幫、煤柱塑性變形、煤體變形和無(wú)影響。對(duì)超前支撐的峰值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。首先可得塑性區(qū)的垂直應(yīng)力可表示為：

式中：N0為煤幫的支撐力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；m為煤層的采高；f為層面的摩擦系數(shù)。

為了使工作面的煤壁達(dá)到平衡狀態(tài)，需要煤壁的承載力達(dá)到：

式中：C為煤體的內(nèi)聚力。

將倆式結(jié)合可以得到塑性區(qū)的垂直應(yīng)力表達(dá)式：

塑性區(qū)的范圍需要滿足垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，所以將σ2=KγH代入上式中，可以計(jì)算得出綜放面超前支撐壓力最大值與煤壁間的距離表達(dá)式為：

式中：X0為峰值點(diǎn)至煤壁的距離，m；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的容重，kN/m3；H為巖層的厚度，m。將礦山資料進(jìn)行代入可以得到支撐峰值點(diǎn)至煤壁的距離為8.9 m。

2 數(shù)值模擬研究

為了研究切頂卸壓參數(shù)切頂高度對(duì)切頂效果的影響進(jìn)行分析，本文選定切頂高度為4 m、6 m及8 m進(jìn)行數(shù)值模擬分析，給出最佳切頂效果的切頂高度。

首先進(jìn)行數(shù)值模擬模型的建立，設(shè)定模型的長(zhǎng)寬高分別為140 m、2 m和100 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果對(duì)模擬有著至關(guān)重要的影響。模型劃分過(guò)于粗糙時(shí)模擬的結(jié)果的精確性就會(huì)不足，且出圖的效果較為粗糙，但模型劃分過(guò)細(xì)時(shí)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，所以應(yīng)當(dāng)充分考慮精確性與電腦的性能。完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型進(jìn)行物理性質(zhì)的設(shè)定，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，頂板物理參數(shù)表如表1所示。

表1 頂板巖層力學(xué)參數(shù)參照表

完成參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的約束進(jìn)行設(shè)置，固定邊界的位移，對(duì)模型的上端部加以載荷P，載荷P根據(jù)上覆巖層情況進(jìn)行施加。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得上覆巖層的容重為12 MPa。通過(guò)對(duì)不同的切頂高度巷道垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巷道切頂高度設(shè)定為4 m時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力主要集中于煤幫左側(cè)區(qū)域的位置，應(yīng)力峰值最大為36.3 MPa，同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布特性，應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。切頂高度為4 m時(shí)的巷道周邊應(yīng)力情況可以看現(xiàn)，巷道周邊的應(yīng)力集中只要在巷幫的正對(duì)面距離3.8 m的位置，此時(shí)巷道的維護(hù)較為困難，易發(fā)生巷道的變形過(guò)大，增加了巷道的維護(hù)成本，所以切頂高度為4 m時(shí)切頂效果較差。當(dāng)切頂高度來(lái)到6 m時(shí)，此時(shí)的圍巖集中主要在煤幫的左上部位且距離較遠(yuǎn)，此時(shí)的應(yīng)力的峰值35.9 MPa，較切頂高度4 m時(shí)的應(yīng)力峰值有所下降，應(yīng)力集中系數(shù)為3.04。切頂高度為6 m時(shí)的巷道周邊的應(yīng)力集中范圍主要集中在巷幫左上部約14.5 m處，距離巷道較遠(yuǎn)，此時(shí)巷道的維護(hù)較為容易，維護(hù)成本較低，所以切頂?shù)男Ч^好。當(dāng)切頂?shù)母叨葹? m時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力分布圖的應(yīng)力集中在煤幫的左上側(cè)較遠(yuǎn)的地方，應(yīng)力峰值繼續(xù)有所下降為35.3，應(yīng)力集中系數(shù)為3.03。巷道周邊巖石的應(yīng)力集中距離巷幫上端15.3 m處，此時(shí)的巷道變形量較小，維護(hù)較為簡(jiǎn)單，所以切頂高度8 m時(shí)巷道維護(hù)最佳。不同切頂高度垂直應(yīng)力分布圖如圖2所示。

圖2 不同切頂高度垂直應(yīng)力分布圖

為了更好地對(duì)煤幫側(cè)向的支撐力的分布，在巷道側(cè)煤布置4條監(jiān)測(cè)線，對(duì)不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)切頂高度為4 m時(shí)，4個(gè)位置的的側(cè)向支撐力的變化趨勢(shì)幾乎相似，在距離煤幫5 m的位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值從大到小依次為煤幫上側(cè)、煤幫側(cè)中部、煤幫上側(cè)4 m和煤幫上側(cè)9 m，完全符合距離煤幫越遠(yuǎn)，應(yīng)力的影響越小。應(yīng)力主要集中于距煤幫30 m的范圍內(nèi)。當(dāng)切頂高度增大至6m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力峰值在距離煤幫10 m的位置出現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域在煤幫20 m的范圍內(nèi)，相對(duì)于切頂4 m的應(yīng)力峰值，切頂6 m的峰值從煤幫深部向上轉(zhuǎn)移。觀察切頂高度8 m的支撐應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的峰值部位出現(xiàn)在距離煤幫10 m處，應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)在距離煤幫20 m以內(nèi)。相較切頂高度6 m時(shí)無(wú)明顯的優(yōu)勢(shì)，且花費(fèi)較大，所以選擇切頂高度6 m最合適，此時(shí)煤幫側(cè)幫圍巖的完整性較好，不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

3 結(jié)論

1）根據(jù)理論推導(dǎo)得出塑性區(qū)的垂直應(yīng)力計(jì)算公式，并給出支撐峰值點(diǎn)距離煤幫的距離公式，并代入地質(zhì)資料得出支撐峰值點(diǎn)距離煤幫8.9 m處。

圖3 不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力監(jiān)測(cè)圖

2）對(duì)不同切頂高度下的垂直應(yīng)力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)切頂4 m時(shí)的巷道垂直應(yīng)力分布較為靠近巷道不利于維護(hù)，6 m和8 m時(shí)巷道較容易維護(hù)。

3）根據(jù)對(duì)不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，切頂高度6 m時(shí)已經(jīng)滿足礦山的開(kāi)采需求，所以選擇切頂高度6 m最為合適。