切頂卸壓對重復擾動條件下的煤柱穩定性影響分析

張金貴，浦仕江，閆亞楠，郭 凱，程志恒，5，石迎爽

(1.陜西省神木市能源局，陜西 神木 719300；2. 貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；3.平頂山天安煤業股份有限公司 十三礦，河南 平頂山 467000；4.華科中安科技(北京)有限公司，北京 102300；5.華北科技學院 安全工程學院，北京 101601；6.華北科技學院 理學院，北京 101601))

切頂卸壓技術利用大變形恒阻錨索超前補強支護巷道頂板，并沿工作面推進方向采用雙向聚能張拉爆破對巷道進行預裂切縫，從而在一定程度上切斷巷道頂板與工作面頂板之間的應力傳遞，緩解圍巖礦山壓力顯現。近年來，切頂卸壓技術在煤炭地下開采中得到了廣泛應用，已成為煤炭行業發展進程中的重要技術之一。隨著開采強度不斷增高，一些礦井采用窄煤柱沿空掘巷的方式來緩解接替緊張的局面，但往往出現沿空掘巷的圍巖變形較大、巷道支護困難等問題[1-5]。針對這些問題，張書軍等[6]通過定向爆破切頂卸壓技術切斷懸臂梁結構，有效控制了巷道圍巖穩定性；程蓬[7]采用水力壓裂切頂卸壓技術，有效解決了沿空巷道堅硬頂板懸頂、巷道兩幫變形嚴重等問題。在沿空留巷方面，切頂卸壓無煤柱開采技術也逐漸興起，該技術通過對頂板預裂切縫，將留巷頂板與上覆巖層的應力傳遞切斷，使得垮落巖層形成巷幫。該技術具有留巷成本低，成巷快等特點，極大改善了留巷圍巖的應力環境[8-12]。王炯等[13]采用切頂卸壓技術，實現了無煤柱開采，巷道應力環境及位移變化均滿足留巷生產需求。

以上研究雖有留煤柱與未留煤柱的區別，但煤柱留設的目的各不相同。無論有無煤柱，保證在特定工程背景下的安全高效生產是所有技術的共同目標，切頂卸壓作為以上采煤工法的關鍵核心，在改變巷道應力狀態、提高礦井煤炭回收率和開采安全性方面都有著重要的理論與實際意義，但在解決相鄰工作面相向采動時切頂卸壓技術對煤柱穩定性影響方面的研究還較少。本文通過理論分析、數值模擬的方法，研究了相鄰工作面采用切頂卸壓技術時煤柱的穩定性，以期為類似工況提供理論支持。

1 工程概況

1.1 工程背景

神府煤田煤炭資源豐富，但由于部分礦井目前的開采方法、井田邊界等發生變動，使得邊界煤柱上方經常出現大量房柱采空區，邊界煤柱甚至區段煤柱的留設成為技術難題。神府煤田的海灣煤礦三號井東部與王才伙盤煤礦井田邊界線發生了變動，根據煤礦設計規范中的煤柱留設規定，相鄰礦井應各留20m邊界煤柱作為井田邊界保護煤柱，但由于歷史原因，兩礦井的井田邊界線變動后煤柱之間還留有一條廢棄巷道，現海灣煤礦三號井2206工作面回風巷保護煤柱寬度僅為10m，相向推進的王才伙盤煤礦2201工作面保護煤柱寬度僅為12m，如圖1所示。兩工作面為相向開采，且王才伙盤煤礦先行開采會對邊界煤柱造成擾動破壞，后期2206工作面開采時回風巷側10m煤柱受二次采動影響，煤柱面臨承載力不足的問題。同時兩工作面上部為房柱采空區，遺留煤柱將會使下方邊界煤柱產生應力集中。

圖1 海灣煤礦三號井與王才伙盤煤礦邊界煤柱留設

1.2 工作面概況

海灣煤礦三號井2206綜采工作面所在煤層為2-2煤層，盤區劃分為22盤區，地面標高為1228～1250m，底板標高1137～1147m，煤層埋深91～103m，該面為22盤區次采工作面。工作面設計采高7.2m，煤層傾角0～1°，外段工作面長度23m，里段工作面長度138m，走向長度1212m，工作面東部為王才伙盤井田邊界，西部為2205工作面運輸巷，北部為沿井田邊界形成的2-2煤層各條主要大巷，南部為火燒區邊界。2206工作面對應地面位置為井田東部，由南向北呈條帶式布置。與海灣煤礦三號井2206綜采工作面隔邊界煤柱相鄰的王才伙盤煤礦2201綜采工作面所在煤層為2-2煤層，地面標高1228～1250m，底板標高1137～1147m，煤層埋深91～103m，設計采高6.2m，工作面走向長度1212m，工作面外段傾向長度400m，里段傾向長度減為100m。

2 邊界煤柱穩定性分析

2.1 煤柱載荷的確定

目前對煤柱載荷的研究中，學者普遍認為作用于煤柱的載荷主要來自煤柱側采空區懸露頂板轉移的部分重量和上覆巖層重量[14，15]，如圖2所示。

圖2 煤柱載荷估算模型

計算單位長度煤柱上的荷載[16]，即：

式中，P為煤柱的單位長度總荷載，MPa；γ為上覆巖層平均密度，取2300t/m3；B為煤柱寬度，m；H為煤柱平均埋深，取99m；δ為采空區上覆巖層垮落角，取75°；D為煤柱側采空區寬度，m；

將式(1)進行簡化，假定兩個工作面邊界煤柱為一個整體，寬度為26m，并將兩側采空區寬度進行簡化，取161m，則單位面積的煤柱平均載荷為：

根據礦井實際情況和簡化數值，將相關數據代入式(2)，得到邊界煤柱平均載荷σ為15.89MPa。因此，近似將兩礦井邊界煤柱載荷取為15.89MPa。

2.2 邊界煤柱承載強度計算

煤柱承載強度與眾多因素有關聯，比如載荷、煤柱寬高、煤體強度等，為消除煤柱的尺寸效應，采用Hustrulid的方法轉化現場煤柱試件的單軸抗壓強度：

式中，σm為現場煤樣試件單軸抗壓強度，MPa；煤樣為圓柱體，D為煤樣試件直徑，m；d為煤樣試件高度，m；σc為煤樣單軸抗壓強度，MPa。

煤樣試件直徑為5cm，高度為10cm，根據礦方提供的相關地質資料，取2-2煤層的單軸抗壓強度為16.2MPa，代入式(3)得到現場煤樣單軸抗壓強度為11.5MPa。

得到現場煤柱臨界單軸抗壓強度后，采用兩種計算煤柱強度的代表性公式計算煤柱強度：

1)Obert.Dwvall/Wang公式：

式中，σs為邊界煤柱承載強度，MPa；H為邊界煤柱高度，m；W為邊界煤柱寬度，m。

分別將海灣煤礦三號井2206工作面邊界煤柱和王才伙盤煤礦2201工作面邊界煤柱數據代入式(4)，得σq海=12.6MPa；σq王=14.1MPa。

2)Salamon.Munro公式：

將相關數據代入式(5)得：σq海=9.2MPa；σq王=11.1MPa。

基于安全考慮，取計算最小值，即海灣煤礦三號井2206工作面邊界煤柱極限承載強度為9.2MPa，王才伙盤煤礦2201工作面邊界煤柱的極限承載強度為11.1MPa。

2.3 邊界煤柱穩定性分析

留設煤柱可保證一定范圍內頂板的穩定，煤柱穩定即防止上覆巖層的進一步失穩。采用煤柱穩定性系數作為判定指標，評價邊界煤柱的穩定性[17]。計算方法如下：

式中，k為邊界煤柱的穩定性系數；σ為煤柱承受的平均荷載，MPa；σq為原位煤柱強度，MPa。

將相關數據代入式(6)可得：2206工作面和2201工作面邊界煤柱穩定性系數分別為0.58、0.70。

由以上煤柱穩定性系數計算結果可得，海灣煤礦三號井邊界煤柱穩定性系數與王才伙盤煤礦邊界煤柱的穩定性系數均小于2，且在煤柱高度處于6

3 煤柱穩定性數值模擬研究

數值模型整體尺寸如圖3所示，長×寬×高=360m×300m×68m，模擬走向推進300m，將地表黃土換算為等效荷載施加在模型上表面，共劃分631000個單元，能滿足數值計算需要。模型底部邊界固定，即底部邊界X、Y、Z方向的位移均為零，模型頂部為自由邊界，上部巖層采用施加等效載荷的方式，模型開挖前進行了自平衡處理。工作面先自北向南開挖王才伙盤煤礦2201工作面，隨后自南向北開挖海灣煤礦三號井2206工作面，工作面每推進一段距離后，對緊鄰煤柱側的頂板進行超前切頂。切縫角度為切縫鉆孔與垂線的夾角，在實際工程中切縫角度不宜過大或過小。為便于模擬和分析該工況下的切頂卸壓效果，得到切頂卸壓后煤柱的應力及塑性區變化規律，直接將需切頂處定為空模型，切頂角度默認為0°。根據文獻[18]的切頂高度計算公式，并結合2202工作面和2206 工作面的實際情況，最終將切頂高度定為2-2上煤層頂板處，為17.5m，進而開挖工作面分析其開采過程煤柱變形破壞情況。模型所用的煤巖體力學參數見表1。

表1 巖層物理力學性質參數

圖3 三維有限元計算模型圖

3.1 切頂卸壓處理時邊界煤柱垂直應力演化分析

2201工作面推進過程中y方向上的邊界煤柱垂直應力演化情況如圖4所示。如圖4(a)所示，工作面推進50m時，2201工作面邊界煤柱載荷約為3MPa，2206工作面邊界煤柱載荷約為3.5MPa，此時煤柱所受載荷均遠小于理論極限強度；如圖4(b)所示，工作面推進100m時，兩工作面邊界煤柱所受垂直應力大致相同，約為3.75MPa；如圖4(c)(d)所示，當工作面推進200m、250m時，2201工作面邊界煤柱所受垂直應力比2206工作面邊界煤柱稍小，約為4MPa，雖所受垂直應力逐漸增大，但遠小于理論極限強度。

切頂卸壓后2206工作面開采時邊界煤柱垂直應力演化情況如圖5所示。如圖5(a)(b)所示，工作面推進50m、100m時，兩工作面邊界煤柱垂直應力有所增大，但變化相對較小，由之前的4.0MPa增加到5.0MPa，可見切頂卸壓的使用對切斷巷道與工作面頂板之間的應力傳遞有相當明顯的作用；如圖5(c)(d)所示，當工作面推進200m、250m時，兩工作面垂直應力大小基本保持在7～8.0MPa，由采動影響的煤柱承載應力趨于穩定，且煤柱所受載荷均小于理論極限強度。因此，采用切頂卸壓措施后，2206工作面開采時，煤柱處于安全穩定狀態。

綜上所述，切頂卸壓對切斷巷道與工作面頂板之間的應力傳遞有明顯作用，2201工作面推進時邊界煤柱所受垂直應力較小，在2206工作面重復擾動條件下，邊界煤柱所受垂直應力依舊小于理論計算中的煤柱極限承載強度，在一定程度上保障了工作面安全性。

圖4 2201工作面推進過程中邊界煤柱垂向應力演化情況

3.2 切頂卸壓處理時邊界煤柱穩定性分析

為了進一步驗證切頂卸壓處理后煤柱的穩定性，研究了煤柱的塑性區演化過程。切頂處理時，2201工作面推進過程中z方向上的邊界煤柱塑性區分布情況如圖6所示。如圖6(a)(b)所示，當工作面推進50m、100m時，工作面前方邊界煤柱塑性破壞區域較少，工作面后方邊界煤柱僅發生零星剪切破壞，煤柱穩定性良好；如圖6(c)(d)所示，當工作面推進至200m、300m時，2201工作面后方開始出現較多塑性區域，工作面前方塑性區域依舊較少，但2206工作面邊界煤柱塑性區域較多，說明切頂卸壓有效的切斷了煤柱與頂板的應力傳遞，減少了煤柱的應力承載，增大了巷道穩定性。

圖6 切頂處理時2201工作面推進過程中邊界煤柱塑性區分布

圖7 切頂處理時2206工作面推進過程中邊界煤柱塑性區分布

切頂處理后，2206工作面重復采動過程中z方向上的邊界煤柱塑性區分布情況如圖7所示。如圖7(a)(b)所示，當工作面推進50m、100m時，2206工作面邊界煤柱塑性區域多數依舊出現在工作面后方，但較2201工作面推進時，2206工作面前方邊界煤柱塑性區域較第一次開采時多，但依舊有較大面積的彈性區，雖然煤柱經重復擾動塑性破壞嚴重，但切頂卸壓使2206工作面開采時工作面前方煤柱依舊留有彈性區以支撐上覆載荷；如圖7(c)(d)所示，當工作面推進200m、300m時，由于工作面開采重復擾動的作用，2206工作面后方邊界煤柱已基本破壞，但破壞主要發生在工作面后方采空區，工作面前方邊界煤柱依舊有一定面積的彈性區，且核區率達到65%以上，在工作面推進過程中，前方邊界煤柱依舊能有效維持工作面的正常安全開采。

綜上所述，在切頂卸壓處理后，邊界煤柱的塑性區分布表明：在工作面重復擾動條件下，邊界煤柱破壞較嚴重，但在切頂卸壓處理后，2206工作面開采時塑性區域主要發生在工作面后方，工作面前方仍有一定范圍的彈性區能有效維持工作面的正常安全開采。

4 結 論

1)通過理論分析，采用兩種煤柱強度計算的代表性公式，得出了2206工作面邊界煤柱極限承載強度為9.2MPa，2201工作面邊界煤柱極限承載強度為11.1MPa，并分析了邊界煤柱的穩定性，得到兩個工作面邊界煤柱穩定性系數均小于2，需采用相應措施提高煤柱穩定性，確保工作面安全開采。

2)切頂卸壓處理時邊界煤柱垂向應力的演化情況表明，切頂卸壓后2201工作面及2206工作面垂直應力最大值均小于煤柱極限承載強度，能較大程度緩解煤柱承載，保障工作面開采時煤柱的安全穩定狀態。

3)切頂卸壓處理后，2206工作面開采中煤柱塑性區分布情況表明，在工作面重復擾動條件下，邊界煤柱破壞較嚴重，但切頂卸壓后，開采時工作面前方煤柱依舊留有彈性區以支撐上覆載荷，塑性區域主要發生在工作面后方，切頂卸壓技術可以保障工作面的正常安全開采。