切頂卸壓沿空留巷圍巖變形規律研究

呂維赟，路 凱，任卓鑫，連 強

（1.潞安化工集團，山西 長治 046000；2.山西潞安環保能源開發股份有限公司 常村煤礦，山西 長治 046000；3.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；4.潞安化工集團 安全管理部，山西 長治 046000）

切頂卸壓圍巖控制是改善圍巖應力、煤礦實現可持續發展的重要技術之一。切頂卸壓圍巖控制技術被廣泛應用于各個礦井中，該技術改善了煤礦的圍巖應力環境，效果良好。近年來，許多專家學者針對該技術進行了大量研究工作。何滿潮院士及其團隊[1-3]提出以切頂短臂梁理論為基礎的切頂卸壓沿空留巷技術，在國內深部沿空留巷切頂卸壓圍巖控制中應用的效果較好，受到普遍認可；王炯等[4]通過相似材料模擬試驗，對比分析了切頂與非切頂情況下巷道圍巖變形規律; 鄭立軍[5]等人在古漢山礦1604綜放工作面沿空留巷中采用定向預裂爆破技術后，爆破效果較好，圍巖控制效果頗佳。王莊煤礦91 采區具有強度較低的泥巖直接頂和厚度較大的底板，給巷道的掘進和圍巖控制帶來了巨大的困難；此外，當開采的深度越來越大，其中的瓦斯含量也越來越多，增大了煤與瓦斯突出的風險。針對91-101 工作面的實際開采情況，現有的頂板處理技術還有許多不足：成本高、施工難度大、切頂裝備復雜，難以適應礦井復雜多變的工作環境，且切頂質量難以達到留巷要求。為此，以王莊煤礦91-101 工作面風巷為工程背景，通過力學分析、數值模擬，研究新型切頂卸壓沿空留巷圍巖豎向位移變化規律、應力及塑性區的分布特征，揭示切頂高度對圍巖變形影響規律[6-20]。

1 工程概況

91-101 工作面位于91 采區，東接540 運輸大巷，南為91-201 掘進工作面，北西為未采區域。地面標高為930～932 m，工作面標高為339～408 m，可采長度2 465 m。工作面回采可能會引起地面塌陷，對北康線與北栗至古城礦支線、693 縣道造成不同程度的破壞。工作面布置圖如圖1。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Working face layout

91-101 工作面運巷長2 686 m，風巷長2 680 m，91-101 工作面風運巷可采長度均為2 465 m；工作面切眼長260 m，煤層總厚2.12 m，密度為1.42 t/m3，一次采全高，在91-101 工作面回風巷進行沿空留巷。

2 沿空留巷切頂卸壓力學分析

2.1 切頂卸壓結構力學分析

預裂爆破斷頂沿空留巷即采用定向預裂爆破技術切斷巷道頂板懸梁結構，減小懸臂長度，達到卸壓和留巷的目的。根據斷頂沿空留巷上覆巖體的結構特點，可以將模型進行簡化，簡化后的力學模型如圖2。l1段是預留巷道實體煤側，取l1長度為應力峰值區寬度的2 倍；b 段為預留巷道段，巷旁支撐載荷等效為集中力F1，左邊界固定約束等效為彎矩M1和力F2作用。

圖2 斷頂沿空留巷頂板懸梁力學計算模型Fig.2 Mechanical calculation model of roof suspension beam in goaf retaining with broken roof

由計算模型進行力學分析并計算，結合邊界和連續條件可以求得斷頂后預留巷道采空側巷旁位移量ω（x）為：

式中：E 為巖石彈性模型，GPa；I 為截面慣性矩，m4；q1為上覆巖體載荷；q2為實體煤支撐載荷邊值；q3為實體煤支撐荷載峰值。

比較斷頂和未斷頂的頂板懸梁力學模型，可得出未斷頂與斷頂的巷道采空側位移量之差△ω 為：

式中：l2為巷道寬度，m。

代入現場具體數值，可得出切頂后巷道采空側巷旁位移量比未斷頂時減小了46.7%。

2.2 預裂切頂爆破高度分析

工作面后方上覆巖層達到強度極限，在受到壓力后，巖層會垮落并在采空區形成堆積。針對91-101 工作面，上部巖層垮落是不規則的，經重新壓實后松散系數較小，針對巖石殘余破碎，殘余破碎膨脹系數Kp取1.1。

針對直接頂，取巖層的垮落厚度為Σh，則KpΣh便是堆積高度。△為其與基本頂之間空隙，其值為：

式中：M 為回采高度，取1.6；Kp為巖石的殘余碎膨脹系數，取1.1。

當M=Σh（Kp-1）時，△=0，采空區內填充滿垮落的直接頂巖層，支撐覆巖載荷。因此，若需要承載覆巖荷載，垮落的直接頂高度為：

將參數代入式（3）可得為19.2 m，即91-101 工作面風巷沿空留巷理論上需要斷頂垮落高度。

3 沿空留巷切頂卸壓機理

合理的切頂爆破應在考慮經濟適用性的情況下減小留巷圍巖應力水平，從而大幅減小巷旁支護阻力，減小頂板回轉變形，因此用數值模擬對切頂爆破過程中的切頂高度、切縫寬度、切頂角度等參數進行研究，揭示切頂沿空留巷圍巖變形規律。

3.1 模擬模型

為研究91-101 綜放工作面沿空留巷超前預裂爆破技術及參數優化，利用FLAC3D模擬軟件建立數值計算模型。模型計算遵循莫爾-庫倫屈服準則，變形模式為大變形，上覆施加載荷為10 MPa，數值模型如圖3。此模型采用如下的邊界條件：周圍是滑動的邊界條件，模型的下面是固定的邊界條件，模型的上部施加相似模擬的巖層質量。工作面回采過后，在巷內支護和鋼管混凝土作用下共同維護巷道穩定。

圖3 切頂爆破數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model of roof cutting blasting

將切頂高度作為研究因素分析，研究切頂留巷后巷道的位移、應力以及塑性區的變化規律，針對91-101 工作面采區，得出切頂高度的最優解。

3.2 預裂切頂高度對圍巖變形的影響

針對不同情況討論切頂爆破高度對留巷后巷道的影響，對這幾種情況下的模型進行圍巖應力、位移以及塑性區的分析，研究預裂切頂高度對圍巖變形的影響，并確定最佳預裂切頂高度。建立的幾種模型唯一變量為切頂爆破高度，分別取為17、18、19、20 m，其他因素不變，暫將切頂爆破角度定為0°，切頂爆破寬度為1 m。工作面處切頂后豎直位移圖如圖4，頂底板位移量如圖5。

圖4 工作面處切頂后豎直位移圖Fig.4 Vertical displacement diagrams of working face after roof cutting

圖5 頂底板位移量Fig.5 Displacement of roof and floor

結合4 個工況的位移云圖可知，切頂爆破高度分別為17、18、19、20 m 時，工作面巷道頂底板移近量分別為0.052、0.048、0.040、0.038 m。結合圖4、圖5 分析發現，切頂爆破高度從17 m 增加至19 m 的時候，頂底板移近量逐漸減小；在切頂爆破高度由19 m 增加至20 m 的時候，巷道頂底板移近量相差不大，說明在19 m 處，切頂爆破卸壓效果最佳，再增加切頂爆破高度不再增加卸壓效果。綜合分析對比4 種情況的位移云圖并結合經濟適用性，發現切頂爆破高度為19 m 時，卸壓效果最佳。

3.3 預裂切頂高度對圍巖應力的影響

工作面處切頂后應力圖如圖6。

圖6 工作面處切頂后應力圖Fig.6 Stress diagrams after roof cutting at working face

結合4 種情況的應力云圖可知，經過切頂爆破卸載壓力后，回采工作面處應力重新分布，相較于周圍應力較小。切頂爆破高度為17、18、19 m 時，巷道圍巖應力以及墩柱的垂直應力隨著切頂高度的增加而減小，說明從17 m 到18 m 再到19 m，切頂爆破卸壓效果越來越好；切頂爆破高度為19 m 和20 m時，巷道圍巖應力以及墩柱的垂直應力相近，說明切頂爆破高度從19 m 往后卸壓效果不再大幅增加。綜合分析對比4 個情況的應力云圖并結合經濟適用性，發現切頂爆破高度為19 m 時，卸壓效果最佳。

3.4 預裂切頂高度對圍巖塑性區影響

工作面處切頂后塑性區圖如圖7。

圖7 工作面處切頂后塑性區圖Fig.7 Plastic zone diagrams after roof cutting at working face

結合4 個情況的塑性區云圖可知，切頂爆破高度分別為17、18、19、20 m 時，巷道周圍頂板及兩幫均受到大小不同的剪切和拉伸破壞。當切頂爆破高度從17 m 增加至19 m，巷道周圍的破壞程度逐漸減小；切頂爆破高度為19 m 和20 m 的時候，巷道周圍的破壞程度相近，說明切頂爆破高度為19 m時卸壓效果趨于最佳值，繼續增加切頂爆破高度，卸壓效果已不會大幅增加。綜合分析對比4 個工況的塑性區云圖并結合經濟適用性，發現切頂爆破高度為19 m 時，卸壓效果最佳。

4 工業試驗效果

針對工作面頂板下沉量大、巷道斷面收斂大等問題，需進行預裂切頂卸壓，考慮技術和經濟因素，對各項參數進行確定，切頂參數見表1。

表1 切頂參數表Table 1 Parameters of top cutting

現場設置3 個測量站點，每個站點用深基點位移計對圍巖的頂底板位移以及兩幫位移進行觀測測量。留巷期間巷道圍巖表面位移變化圖如圖8。

圖8 留巷期間巷道圍巖表面位移變化圖Fig.8 Surface displacement variation of roadway surrounding rock during roadway retention

由圖8 可知，在3#站點測量的頂底板位移量以及兩幫位移量均最大。40 d 之后移近量基本不再變化。整體來看，3 個測站巷道頂底板位移、兩幫位移變化量趨勢基本相同，變形量相差很小，圍巖控制效果好。

5 結 語

1）通過建立力學模型，代入現場數據計算，對比未斷頂和斷頂時頂板的懸梁結構，得到沿空留巷采空側位移量表達式，切頂后巷道采空側位移比未斷頂時減小了46.7%。

2）采用數值模擬的方法計算得出，針對91-101工作面開采情況切頂高度為19 m 時效果最佳。

3）確定切頂的各項參數，根據各項參數進行現場試驗，從分析出的數據可知圍巖控制效果好、可行。