厚煤硬頂巷道切頂卸壓模擬研究及效果分析

張懿

（安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232000）

隨著我國的開采強度不斷加大，巷道所受采動壓力也日益劇增，而巷道作為煤炭開采的交通要道，保證其穩定性具有重要意義。厚煤硬頂巷道因其基本頂為堅硬巖層，強度高，難垮落，易引發強礦壓，為保證井下工人的生命安全，爆破切頂技術開始普遍實施。

對于切頂巷道，白璐[1]指出切頂后巷道頂板豎直位移由采區向采空區逐漸增大，巷道圍巖變形量變；韓剛等[2]指出巷道沿空側覆巖破裂產生的動載為巷道動力顯現誘沖的主要原因；王辛豐等[3]提出巷道圍巖的破壞是由垂直應力和水平應力耦合作用而產生的，頂底板變形量是觀察圍巖破壞最有效特征；朱志潔等[4]指出厚煤大采出空間及其多層堅硬頂板，在采動應力的影響下，造成綜放工作面強烈礦壓顯現；尉瑞等[5]指出巷幫變形中煤柱幫移近量大于工作面幫；杜科科[6]通過引入ETAS 長壁式支承壓力計算模型，分析了工作面的礦壓顯現力學機制，進而設計水壓欲裂方案來弱化頂板垮落來壓；于健浩等[7]發現“雙軟”煤層礦壓顯現弱，只有局部來壓特征明顯，超前采動壓力對巷道影響范圍較大；劉乙霖等[8]揭示了切頂卸壓的原理是通過切斷煤柱側未垮落基本頂巖層使其及時垮落，以減小煤柱載荷和基本頂巖層垮落對煤柱的載荷；王高偉[9]制定水壓切頂方案及相應的支護措施，通過觀察弧形三角板水力壓裂的效果，結合對巷道礦壓的觀測，證明水壓切頂方案的可行性；張雷[10]通過理論分析揭示了切頂護巷的原理，并以此為根據提出了四種防沖擊控制方案，得出當鉆孔傾角豎直向上，鉆孔深度8m 和6m，鉆孔間距500mm 時效果最好；蘇超等[11]發現切頂可以減弱深井臨空巷道形成的雙“F”結構的懸頂疊加效應，并且可誘發頂板產生新的斷裂線，進而保持巷道的穩定性。

本文以唐家會煤礦61304 工作面輔運巷道為研究對象，根據厚煤硬頂巷道的圍巖特性和力學條件，建立數值模擬模型，通過對模擬結果進行分析，確定巷道的礦壓顯現特征。

1 工程概況

唐家會煤礦的主采煤層為平均層高16.8m 的6 煤，采用綜放開采，采高4.5m，放煤12.3m。而61304 工作面位于井田的西南方，走向長度2141m，傾向長度240m。61304 輔運巷道為沿煤層底板掘進的矩形巷道，寬×高=5.7m×3.8m。直接頂為泥巖，基本頂為較堅硬的細粒砂巖，難破斷，易引發巷道冒頂。巖層結構布置如圖1 所示。

圖1 巖層結構布置

2 厚煤硬頂巷道切頂技術分析

隨著工作面推進，巷道的直接頂隨之垮落，砂巖層基本頂懸露，形成兩邊固支的固支梁，如圖2 所示。若不及時切斷基本頂，將會造成頂板大面積懸吊，極易引發強礦壓，對工人的人身安全造成傷害。

圖2 切頂前巖層位置圖

通過切頂技術可使巷道基本頂及時垮落，即可解除巷道冒落的隱患，如圖3 所示。

圖3 切頂后巖層位置圖

3 厚煤切頂巷道數值模擬分析

3.1 數值模擬模型的建立

為了研究切頂前后61304 輔運巷道圍巖的應力分布、破壞特征及變形情況，采用FLAC3D 模擬軟件對61304 輔運巷道進行模擬，建立尺寸為652m×720m×383.9m（長×寬×高）的數值模型，采用Mohr-Coulomb 強度準則，考慮到邊界效應走向和傾向方向各留150m 的邊界煤柱。

3.2 垂直應力分析

由圖4 可知，未實施爆破切頂方案時，巷幫測出現大范圍的應力集中。距離工作面5 m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達13.94MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達27.78MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達35.33MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達13.85MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達24.56 MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達28.81MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達12.57MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達22.67MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達24.11MPa。

圖4 切頂前后工作面不同距離的垂直應力云圖

實施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達9.59MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達23.21MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達34.09MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達8.81MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達22.91 MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達27.15MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應力達8.37MPa，煤柱側巷幫最大垂直應力達21.42 MPa，實體煤側巷幫最大垂直應力達23.74MPa。由此可知，切頂后巷道圍巖內部的應力傳遞被阻斷，巷道頂板應力減小，煤柱側巷幫的應力集中減小。

3.3 垂直位移分析

由圖5 可知，未實施爆破切斷方案時，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.37m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.3m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.23m。

圖5 切頂前后工作面不同距離的垂直位移云圖

實施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.59m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.41m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.27m。由此可知，切頂后巷道頂板變形明顯，巷道頂板垂直位移逐漸增大。

4 工程實踐于現場檢測

4.1 工程實踐

由于61304 輔運巷道頂板為煤，力學性質較差，易冒頂，采用單體支柱進行被動支護可減小巷道頂底板的移近量。同時采用錨網索支護技術，以維護巷道頂板和巷幫的整體性，防止小塊煤體掉落對施工人員造成傷害。

4.2 現場監測

61304 輔運巷道采用十字布點法對巷道進行監測，巷道圍巖變形變化曲線如圖6 所示。由監測數據可知，巷道頂底板和兩幫的位移量在采動影響下逐漸增大，但整體變形量不大，尚在可控范圍內。由現場數據可知切頂效果良好，現場巷道穩定性情況。

圖6 巷道圍巖變形變化曲線

5 結論

5.1 通過數值模擬分析可知，采用切頂方案后應力傳遞被切斷，巷道頂板所受應力減小，煤柱側巷幫的應力集中現象明顯有所緩解，實體煤側巷幫受采動影響所受壓力較大，但隨著距離工作面越來越遠，采動影響減小，巷道圍巖趨于穩定。

5.2 對于厚煤硬頂巷道，切頂后頂板應力重新分布，造成巷道頂板變形變化，巷道頂板垂直位移逐漸增大，為保證巷道圍巖的穩定性，建議及時提供支護。

5.3 通過現場監測可知，巷道頂底板和兩幫變形量都呈先增大后穩定的趨勢，且巷道圍巖的整體變形量始終在可控范圍內，并不影響安全生產，證明切頂效果顯著。