切頂卸壓沿空留巷圍巖控制效果數值模擬研究

鄧曉剛，欒恒杰，劉建榮

（1.山東能源臨沂礦業集團 技術中心，山東 臨沂 276017；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590；3.內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299）

煤炭地下開采中主要采用長壁開采方法，隨開采深度不斷增加，因留設煤柱導致的巷道災害問題也越來越嚴重[1]。沿空留巷是解決這些問題的有效途徑，其技術優勢和經濟效益顯著[2-5]。何滿潮等[6-9]提出了沿空切頂成巷無煤柱開采方法，簡稱“110工法”，總結了切頂卸壓作用機理，并基于該方法開發了配套的聚能爆破、恒阻大變形錨桿等關鍵技術。郭志飚等[10]、高玉兵等[11]、郭鵬等[12]、宋立兵等[13]、童碧等[14]等分別在不同地質條件下成功實施了“110工法”，促進了切頂卸壓技術的發展。王炯等[15]通過相似材料模擬實驗，對比分析了切頂與非切頂情況下巷道圍巖變形規律。孫曉明等[16]對薄煤層切頂卸壓沿空留巷關鍵參數進行了研究。楊森等[17]對無巷旁充填切頂卸壓沿空留巷前后礦壓顯現規律及關鍵支護技術進行了系統研究。韓昌良等[18]在闡明沿空留巷支護應力環境的基礎上，建立了側向懸臂斷裂結構力學模型，得到了頂板給定變形方程。楊軍等[19]分析了切頂卸壓條件下的頂板結構和運動過程，建立力學模型推導了頂板在各階段的變形量計算公式。朱珍等[20]分析了切頂卸壓沿空留巷碎石巷幫的形成機理，建立了沿空留巷圍巖結構模型。綜上可知，目前在切頂卸壓沿空留巷圍巖控制技術相關的理論和現場實踐方面已有了諸多研究，但切頂卸壓對巷道圍巖受力特點與變形規律影響方面的研究仍有待深入。為此，采用塊體離散元軟件UDEC開展數值模擬，對沿空留巷側向頂板懸頂與垮落2種情況下的巷道圍巖受力變形特征進行深入分析，研究切頂卸壓對沿空留巷圍巖控制效果的影響規律。

1 切頂卸壓沿空留巷數值模擬方案

1.1 工程背景

以某礦3203工作面為工程背景。工作面傾斜方向的長度為224 m，走向方向長度平均為420 m，可采儲量14.3萬t。工作面開采煤層為2#煤層，煤層平均埋深為550 m，平均厚度為1.37 m，平均傾角為3°，普氏系數為3～4。3203工作面開采時在軌道巷中進行沿空留巷，保留巷道寬度3.4 m，平均高度約2.7 m，相鄰工作面開采時復用。

1.2 數值模型

模型尺寸為335 m×100 m（長x×高y），兩側分別設置50 m寬的煤柱作為邊界。數值模型中煤層上方頂板巖層高度為68 m，在模型上表面施加12.05 MPa的均布補償載荷模擬巖層自重。模型兩側邊界采用水平約束，限制模型水平方向上的運動，底部采用固定邊界。為了提高計算效率，在地層綜合柱狀圖基礎上對煤巖層厚度進行適當調整。模型煤巖體的本構模型選為摩爾-庫倫模型，節理及煤巖體的物理力學參數見表1和表2。

表1 數值模型煤巖體節理物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock joints in numerical model

表2 數值模型煤巖體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock in numerical model

1.3 數值模擬計算方案

數值模擬中根據頂板切落情況設置2組方案，通過對比分析2組方案下巷道圍巖應力分布和變形規律，研究切頂卸壓對巷道圍巖控制效果的影響。其中，方案1在工作面開挖后不對直接頂進行人為干預，隨工作面開挖直接頂可自然變形沉降，產生懸頂結構；而在方案2中通過人為設置切縫，使直接頂破斷后垮落至采空區。

數值模擬步驟如下：首先在工作面的兩側開掘巷道，之后在巷道靠近采空區側設置巷旁支護墻體，墻體的寬度為1.2 m，高度為3.0 m。在煤層（y=31 m）、直接頂（y=34 m）和基本頂（y=38 m）中分別設置應力監測線，監測煤巖體中的應力分布規律。在沿空巷道的頂板（x=52 m，y=33 m）、底板（x=52 m，y=30 m）、煤幫（x=50 m，y=31.5 m）和墻體幫（x=53.8 m，y=31.5 m）分別設置位移監測點，監測巷道圍巖變形演化規律。

2 切頂卸壓沿空留巷圍巖控制效果分析

2.1 沿空巷道圍巖應力特征

直接頂懸頂時巷道圍巖垂直應力特征如圖1和直接頂垮落時巷道圍巖垂直應力特征圖2。

圖1 直接頂懸頂時巷道圍巖垂直應力特征Fig.1 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

圖2 直接頂垮落時巷道圍巖垂直應力特征Fig.2 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由圖1、圖2可以看出，無論沿空巷道外側采空區上方的直接頂是否垮落，實體煤和墻體位置處都表現出顯著的應力集中，而巷道頂、底板均呈現應力降低狀態。沿空巷道的圍巖應力分布特征在直接頂切落與懸頂2種狀態下存在一定的差別。從圖1可以看出，工作面開采后，在采空區上方直接頂懸頂狀態下，煤幫側最大垂直應力為27.52 MPa，巷旁支護墻體中的最大垂直應力為21.66 MPa，其應力集中系數分別為2.00和1.58。從圖2中可以看出，在采空區上方直接頂切落狀態下，煤幫側最大垂直應力為24.88 MPa，巷旁支護墻體中的最大垂直應力為14.96 MPa，其應力集中系數分別為1.81和1.09。相對于直接頂懸頂狀態，直接頂垮落時煤幫側煤層和巷旁支護墻體上的垂直應力集中系數分別降低0.19和0.49。這是因為在直接頂未垮落狀態下，頂板向采空區回轉變形，將嚴重擠壓巷道圍巖，導致圍巖應力顯著增加。而人為切頂導致采空區上方直接頂有效垮落，采空區部分上覆巖層的質量不再向巷道周圍的煤巖體中傳遞，且垮落的巖層會對頂板起到一定的支撐作用，這也有助于降低沿空巷道所承受的采動壓力。

2.2 沿空巷道圍巖變形特征

模擬的巷道圍巖變形云圖如圖3和圖4。

圖3 直接頂懸頂時巷道圍巖變形云圖Fig.3 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

圖4 直接頂垮落時巷道圍巖變形云圖Fig.4 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由圖3和圖4可以看出，直接頂未垮落時，其向采空區回轉變形時會導致沿空巷道圍巖被擠壓變形，圍巖應力顯著增加，進而造成巷道圍巖嚴重變形，表明在直接頂未垮落狀態下，工作面采動會嚴重影響巷道圍巖控制效果。而在直接頂垮落時，其對巷道的擠壓作用明顯減弱，作用在巷道兩幫的圍巖應力顯著降低，巷道圍巖變形得到有效控制，表明在直接頂未垮落狀態下，工作面采動對沿空巷道圍巖變形的影響可顯著降低。

通過監測得到的2種直接頂狀態下的沿空巷道變形規律如圖5和圖6。

由圖5和圖6可知，2組模擬方案下巷道圍巖變形在初始階段都首先表現出急劇增加的趨勢，之后隨著工作面不斷推進，巷道變形速度不斷下降并趨于穩定。但在2種方案下沿空巷道圍巖變形程度存在一定差別。由圖5可以看出，直接頂未垮落時，沿空巷道變形中頂板下沉最為嚴重，其次為底板鼓起，再者為煤幫內移，墻體內移量最小，巷道圍巖變形量較大；由圖6可以看出，直接頂垮落時，沿空巷道變形中則是底板鼓起最為嚴重，其次為頂板下沉，再者為煤幫內移，墻體內移量最小，巷道圍巖變形量處于可控范圍。

圖5 直接頂未垮落狀態下巷道圍巖變形規律Fig.5 Deformation law of roadway surrounding rock under direct roof hanging

直接頂未垮落狀態下沿空巷道的頂板沉降、底板鼓起、煤幫內移和墻體內移量分別為881.3、745.5、297.5、234 mm，而在直接頂垮落狀態下分別為238.9、296.9、217.8、57.8 mm，相對于直接頂未垮落狀態下變形量，分別降低73%、60%、27%、75%。可見，直接頂懸頂時沿空巷道圍巖的變形量遠大于基本頂垮落狀態下，說明直接頂懸頂是造成沿空巷道圍巖大變形的重要原因。因此，在人工切頂情況下，巷道采空區側向頂板可及時垮落，減輕開采對巷道圍巖擾動，巷道圍巖變形量呈現顯著的降低。此外，還可看出，直接頂未垮落狀態下，巷道圍巖變形量在長時間內持續增加，而在直接頂垮落狀態下，巷道圍巖變形量可以更早的趨于穩定，避免覆巖運動對巷道的長時間持續擾動。

3 結論

1）采空區上方直接頂未垮落狀態下，煤幫側最大垂直應力為27.52 MPa，巷旁支護墻體中的最大垂直應力為21.66 MPa；在采空區上方直接頂切落狀態下，煤幫側最大垂直應力為24.88 MPa，巷旁支護墻體中的最大垂直應力為14.96 MPa。相對于直接頂懸頂狀態，直接頂垮落時煤幫側煤層和巷旁支護墻體上的垂直應力集中系數分別降低0.19和0.49。

2）直接頂垮落狀態下沿空巷道的頂板沉降、底板鼓起、煤幫內移和墻體內移量相對于直接頂未垮落狀態下變形量，分別降低73%、60%、27%和75%。直接頂懸頂時沿空巷道圍巖的變形量遠大于基本頂垮落狀態下，說明巷道側向懸頂是造成沿空巷道圍巖大變形的重要原因。

3）直接頂未垮落狀態下，沿空巷道頂板向采空區回轉變形，將嚴重擠壓巷道圍巖，導致圍巖應力顯著增加。人為切頂會導致采空區上方直接頂有效垮落，且垮落的巖層會對頂板起到一定的支撐作用，也有助于降低巷道圍巖壓力。