潘二礦11123 工作面下順槽切頂卸壓護巷數值模擬研究

羅 勇，李志紅，孫向陽，韓云春

（1.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南232001；2.淮南礦業集團 潘二煤礦，安徽 淮南232087）

引言

近距離煤層群巷道易受工作面采動影響，巷道圍巖控制難度大[1-2]。以往通過提高巷道支護強度的方式控制圍巖穩定性，但“硬抗”并不能從根本上減小或轉移聚集在巷道圍巖中的應力[3]，通過人工干預的方式，破壞或改變超前支承壓力的傳播路徑。目前深孔預裂爆破方法成為人工干預的主要方式。李俊斌[4]探討了深孔預裂爆破強制放頂的可行性；傅菊根[5]針對厚硬砂巖頂板條件，采取深孔預裂爆破，縮短了初次來壓步距；于志慧[6]分析了切頂卸壓前后的受力情況，采取了聚能爆破炮孔布置位置及爆破技術參數；王華斌[7]分析了爆破卸壓機理，采用數值模擬手段對爆破參數進行了優化。

分析以上文獻發現，學者針對硬巖爆破切頂技術進行了大量的研究，而對于近距離煤層開采后對下部底區巷道圍巖控制技術研究較少。基于此，結合潘二礦11123工作面下順槽預裂爆破切頂卸壓保護底區11221 上順槽的工程實例，研究近距離煤層預裂爆破切頂卸壓護巷技術。

圖1 11123 工作面與11221 上順槽位置關系

1 工程概況

潘二礦3 煤和1 煤屬于近距離煤層。11123 工作面北沿11223 上順槽沿空掘進，工作面傾斜長160m，煤層傾角平均10°，厚度平均5.5m；11221 上順槽掘進工作面位于11123 工作面底區，南以11123 上順槽內錯20-23m，11223 工作面已回采，1 煤與3 煤層間距平均為1.5m，具體工作面位置關系簡圖如圖1 所示。

11123工作面上覆巖層中賦存層厚平均10m 的中粗砂巖，綜合柱狀圖如圖2 所示。頂板垮落不及時，懸頂效應易造成11123 與11223 工作面之間的煤柱應力集中，導致鄰近的底區巷道11121 下順槽礦壓顯現明顯。采用預裂爆破的技術方案消除或減弱中粗砂巖等堅硬頂板形成的懸頂效應。具體方案為：施工位置為距離11123 下順槽上幫1m，切頂高度控制線22m，切頂角度偏向11123工作面方向15°，即鉆孔的仰角設計為75°，炮孔長度23m，切頂間距6m，垂直于11123 下順槽施工。在11123工作面下順槽實施預裂爆破后，切斷煤柱上方的堅硬厚頂板，改善底區11221 上順槽受力狀態，達到減少巷道變形的目的。

圖2 11123 工作面綜合柱狀圖

2 切頂卸壓護巷數值模擬

運用FLAC3D數值模擬軟件，以11123 工作面實際地質條件為基礎，在構建關鍵層影響下采動應力模型的基礎上，模擬預裂爆破切頂卸壓前后應力變化規律，分析切頂卸壓前后對區段煤柱的影響規律。

2.1 數值模型建立

以11123 工作面實際地質與生產條件為背景建立數值模型。模型中規定工作面走向方向為X 方向，傾向方向為Y 方向，垂直方向為Z 方向，向上為正，根據對稱性原則，選取工作面的一半進行建模，模型的尺寸：走向×傾向×高度=250×288×182.8m，考慮工作面煤層傾角平均為10°，如圖3 所示；模擬上覆巖層厚度100m，模型的上邊界采用應力邊界條件，施加等效壓應力9.125MPa，四周和底面采用位移邊界條件，計算采用摩爾-庫倫屈服準則。

圖3 數值模型圖

在11123 工作面回采范圍內，未切頂卸壓段與切頂卸壓段范圍各為75m，模擬過程不考慮巷道支護。按照現場回采速度為2-3m/天，模擬時每次回采長度為2.5m。

2.2 數值模擬結果分析

按照礦井開掘順序進行模擬。11123 工作面開挖，分為兩個區域，未切頂卸壓區域（x：50-125）和切頂卸壓區域（x：125-200）。采用弱化爆破區域介質的物理力學參數對爆破進行簡化處理[8]。根據現場實際裝藥量，數值模擬弱化上覆巖層第3 層，即中粗砂巖段。圖4 給出了未切頂卸壓段與切頂卸壓段傾向方向垂直應力云圖。

可以看出，11123 工作面下順槽未采取切頂卸壓時，本應由采空區支承的上覆巖層載荷由覆巖的中粗砂巖傳遞至區段煤柱，造成煤柱內部應力升高。區段煤柱側向支承壓力峰值區位于煤柱的中部區域，峰值約為48.2MPa，區段煤柱承載壓力較大，極易造成煤柱失穩。采取切頂卸壓后，側向支承壓力峰值同樣位于區段煤柱的中部區域，但垂直應力峰值大幅降低，峰值約38.4MPa，降幅9.8MPa。

圖4 11123 工作面切頂與未切頂區域應力變化

圖5 切頂與未切頂區域區段煤柱垂直應力分布曲線

對比未切頂卸壓的方案，明顯可見區段煤柱內高應力峰值大幅度降低，說明爆破卸壓切斷了位于煤層上覆堅硬巖層，切斷采空區頂板與區段煤柱之間的應力傳遞，在回采過程中，爆破生成的裂隙利于頂板切落（b 圖拉應力區域），有效阻隔采空區上覆巖層載荷向工作面側向的傳播途徑。爆破卸壓改變了煤巖體內原有的側向支承壓力分布形態，使得區段煤柱處于低應力區內，利于巷道的適用于維護。圖5 給出了切頂與未切頂區域區段煤柱垂直應力分布曲線。

從圖5 可見，采取了爆破切頂卸壓技術措施，切頂卸壓后，改善了區段煤柱的受力狀態，區段煤柱應力峰值大幅降低，受力較小，便于11123 下順槽維護。

圖6 給出了11121 上順槽不切頂條件和切頂條件下掘進后圍壓垂直應力云圖及垂直位移云圖。

11221上順槽位于11223 工作面底區卸壓范圍內，巷道圍巖整體應力較小。對比未切頂卸壓與切頂卸壓，切頂卸壓范圍內，11221 上順槽巷道圍巖應力降低1MPa，垂直位移減小3.34cm，可見，采取了預裂爆破切頂卸壓技術措施后，11221 上順槽垂直應力和垂直位移均有降低。切頂卸壓技術措施對巷道圍巖控制起積極的作用。

3 結束語

（1）11223 下順槽采取預裂爆破切頂卸壓技術措施后，切斷采空區頂板與區段煤柱之間的應力傳遞，在回采過程中，爆破生成的裂隙利于頂板切落，有效阻隔采空區上覆巖層載荷向工作面側向的傳播途徑。改善了區段煤柱圍巖的應力分布狀態，區段煤柱應力峰值大幅降低，受力較小，便于11123 下順槽巷道維護。

圖6 切頂與未切頂區域11221 上順槽掘進后垂直應力、垂直位移云圖

（2）對比未切頂卸壓與切頂卸壓，切頂卸壓范圍內，11221 上順槽垂直應力和垂直位移均有降低。切頂卸壓技術措施對巷道圍巖控制起積極的作用。