堅(jiān)硬頂板切頂卸壓圍巖變形規(guī)律研究

唐滿元

(山西潞安集團(tuán) 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 036700)

堅(jiān)硬頂板懸頂是煤礦開采礦壓控制的難題之一，如何減少堅(jiān)硬頂板在采空區(qū)的懸頂長(zhǎng)度，降低頂板壓力，是煤礦安全生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問題之一[1-4]。由于懸臂梁的存在，在煤柱附近易形成高應(yīng)力環(huán)境，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定。此外，當(dāng)大范圍懸頂發(fā)生突然垮落時(shí)還容易對(duì)巷旁支護(hù)或者煤柱產(chǎn)生沖擊作用，其來壓增大、整體垮落造成采空區(qū)瓦斯大量壓出，易于誘發(fā)安全事故[5-8]。切頂卸壓技術(shù)即人為干預(yù)，提前切斷工作面上覆頂板，使其在工作面采過之后由覆巖載荷的作用下破斷的技術(shù)。切頂卸壓技術(shù)可以大大降低工作面頂板的懸頂長(zhǎng)度，降低回采巷道側(cè)向和工作面后方頂板懸頂長(zhǎng)度，從而緩解煤柱壓力。本文運(yùn)用相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究切頂條件下采空區(qū)頂板跨落特征和巷道應(yīng)力及變形特征，為切頂卸壓技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供支撐。

1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似材料模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)并按照一定的幾何比例模擬巖體及礦體內(nèi)變形應(yīng)力特征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。相似實(shí)驗(yàn)具有直觀性強(qiáng)、靈活性好、效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是科學(xué)研究中揭示事物內(nèi)在規(guī)律的一種重要手段。

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1) 分析開采過程中堅(jiān)硬頂板巖層破斷、運(yùn)移規(guī)律及巖體的堆積特征；

2) 結(jié)合頂板垮落特征，研究軌道下山圍巖的變形破壞特征；

3) 揭示堅(jiān)硬頂板切頂前后開采擾動(dòng)對(duì)保安煤柱的應(yīng)力影響規(guī)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用自主設(shè)計(jì)的平面相似模擬試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)長(zhǎng)×寬×高=1 400 mm×100 mm×1 300 mm，模型左右邊界水平位移約束，下邊界位移約束，上邊界受氣缸施壓模擬地應(yīng)力場(chǎng)，相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過程中采用靜態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測(cè)模型中壓力盒的壓力變化情況。采用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)觀測(cè)位移變化，數(shù)字圖像分析部分則使用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自主設(shè)計(jì)開發(fā)的《數(shù)字照相量測(cè)實(shí)用軟件系統(tǒng)PhotoInfor》軟件。

1.3 相似材料選取

本次模型實(shí)驗(yàn)選擇的相似材料骨料為普通細(xì)粒河砂(粒徑小于3 mm)；膠結(jié)材料為石膏、水泥、碳酸鈣；分層材料為云母粉。加進(jìn)適量的鋸末以減少煤的相似材料的容重。

鋪設(shè)模型之前，需要測(cè)定不同比例相似材料的力學(xué)性質(zhì)。將骨料和膠結(jié)材料按照一定配比充分混合均勻后，加入水?dāng)嚢瑁谋壤秊楦闪腺|(zhì)量的0.1倍。攪拌均勻后將不同比例的骨料和膠結(jié)材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)定不同比例試樣的力學(xué)性質(zhì)。選取符合相似比的材料配比，稱取材料鋪設(shè)模型，根據(jù)相似模擬試驗(yàn)的材料配比參數(shù)，攪拌均勻后將混合料放入模型架子中，重物砸實(shí)鋪平。按照巖層的厚度及巖層層序依次向上累加，直至設(shè)計(jì)高度。

1.4 相似模型參數(shù)

表1 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

1.5 測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)中，壓力盒測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，煤層，布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距20 cm，距離底板15 cm；直接頂，布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距20 cm，距離底板高度25 cm；老頂，布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距20 cm，距離底板高度35 cm；覆巖布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距40 mm。巷道距離模型左邊界15 cm，頂板破斷線距離右邊界35 cm，破斷角為10°，向工作面方向傾斜。研究在開采過程，切頂巖層的垮落規(guī)律、軌道下山圍巖變形特征和保安煤柱的應(yīng)力演化規(guī)律。

圖2 切頂測(cè)點(diǎn)布置

模型內(nèi)預(yù)制裂縫傾角10°，距離相似模型右?guī)?5 cm頂板布置裂縫，裂縫高度為32 cm；模型開挖，提前開挖軌道下山，并使頂板預(yù)制裂縫貫通，從右至左開挖22115工作面，每次開挖5 cm。

2 圍巖變形規(guī)律

采用相似模型分析切頂前后頂板的垮落形態(tài)，揭示對(duì)煤柱應(yīng)力的影響規(guī)律，相似模擬試驗(yàn)得到的工作面頂板巖層切頂后破斷特征，如圖3所示。

圖3 切頂覆巖垮落特征及巖層移動(dòng)位移

圖中可以看出：在切頂條件下，工作面回采至巖層預(yù)制裂隙時(shí)，采空區(qū)頂板上覆巖層在剪切應(yīng)力的作用下沿預(yù)制裂隙發(fā)生切落，充填煤柱側(cè)向采空區(qū)。采空區(qū)頂板被切落以后，煤柱與采空頂板之間的水平應(yīng)力傳遞路徑被切斷，有效阻止了側(cè)向應(yīng)力在煤柱內(nèi)部的傳遞。采空區(qū)巖石垮落后，垮落巖石的體積變大，因此又與上位穩(wěn)定巖層接頂，垮落的巖石支撐頂板壓力，減小煤柱載荷，對(duì)下山巷道群巷道煤柱有支撐和側(cè)向限制側(cè)滑的效果，使巷道處于低應(yīng)力區(qū)，增加巷道的穩(wěn)定性。

由圖4煤柱應(yīng)力變化規(guī)律可知，切頂條件下，煤柱應(yīng)力先增加后減少。與不切頂條件下相比，煤柱的峰值應(yīng)力有較大幅度減小。隨著開采距離的增大，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值位置不斷前移。應(yīng)力影響范圍約為25 cm，峰值應(yīng)力為0.24 MPa。1號(hào)壓力盒臨近巷道側(cè)，4號(hào)壓力盒臨近采空側(cè)切頂側(cè)，隨著工作面的回采，采空區(qū)頂板沿著預(yù)制裂隙垮落，懸頂結(jié)構(gòu)消失且堅(jiān)硬頂板之間的應(yīng)力擴(kuò)展途徑被切斷，兩個(gè)壓力盒讀數(shù)從0.24 MPa降到0.13 MPa。

圖4 切頂條件下煤柱應(yīng)力變化

圖5可以看出：工作面頂板在不切斷時(shí)，頂板變形較為明顯。從開挖第1歩至第4歩的過程中，煤柱寬度較大頂板側(cè)向壓力還未轉(zhuǎn)移到下山巷道群附近，巷道應(yīng)力減小，頂板下沉速度減緩。開挖第4歩至第7歩的過程中，巷道頂板下沉速度加快。開挖至第7歩時(shí)，采區(qū)保護(hù)煤柱中對(duì)中為70 m，頂板自動(dòng)垮落時(shí)懸頂長(zhǎng)度已達(dá)37.6 m。由于頂板未及時(shí)垮落，頂板側(cè)向壓力不斷轉(zhuǎn)移直至接近巷道圍巖附近，造成巷道應(yīng)力集中程度高，頂板下沉量達(dá)到8 mm(640 mm)。由圖5巷道頂板變形量可知，開挖第1歩至第4歩過程中，巷道頂板變形量不明顯。開挖第4歩至第7歩的過程中，煤柱寬度減少，頂板側(cè)向壓力逐漸向巷道群轉(zhuǎn)移。當(dāng)開采至回撤通道時(shí)，頂板沿著預(yù)制裂隙垮落，懸頂長(zhǎng)度減少，頂板橫向應(yīng)力被切斷，巷道受側(cè)向應(yīng)力擾動(dòng)作用減輕，巷道頂板變形量為4.4 mm(350 mm)。

圖5 工作面頂板切落后，巷道頂板下沉量

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

在潞寧煤礦22115工作面進(jìn)行超前定向預(yù)裂爆破實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，預(yù)裂爆破參數(shù)見表2。

圖6 爆破孔布置

通過對(duì)鉆孔圖像(如圖7所示)進(jìn)行分析可知，爆破孔深在1～9 m時(shí)巖壁完整，沒有出現(xiàn)裂隙，爆破孔深在9～17 m時(shí)預(yù)裂爆破孔側(cè)巖層出現(xiàn)預(yù)制裂隙，達(dá)到了較好的預(yù)裂效果，同時(shí)保護(hù)了下部軟弱巖層的完整性。

采用“十字布點(diǎn)法” 監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面變形量，結(jié)果如圖8所示。

表2 預(yù)裂爆破參數(shù)

圖7 預(yù)裂爆破效果

從圖8可以看出：在22115工作面實(shí)施頂板預(yù)裂爆破方案后，能有效地控制巷道圍巖的變形。巷道圍巖變形在40 d后趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平考s為320 mm，兩幫移近量約為245 mm，變形量控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文采用相似模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，分析了實(shí)施切頂卸壓后頂板巖層的垮落特征、巷道頂板及煤柱應(yīng)力演化規(guī)律，揭示了切頂卸壓的作用機(jī)理，得到了以下結(jié)論：

1) 切頂以后，采空區(qū)頂板在剪應(yīng)力作用下沿著預(yù)制裂隙垮落，破斷巖體填充采空區(qū)并與上部巖層結(jié)頂，有效緩解了保安煤柱承擔(dān)的載荷，提高了巷道的穩(wěn)定性。

2) 采空區(qū)頂板切斷時(shí)，堅(jiān)硬頂板懸頂長(zhǎng)度減少，采空區(qū)頂板與煤柱頂板之間應(yīng)力傳遞途徑被切斷，巷道頂板受側(cè)向應(yīng)力擾動(dòng)作用減輕。