馬蘭礦堅硬頂板切頂充填留巷圍巖變形研究

任增浩

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 太原 030053）

礦井在采掘過程中，堅硬頂板工作面易形成懸頂，而大面積的懸頂嚴重威脅著礦井的正常生產(chǎn)，同時由于堅硬頂板的存在，使得留煤柱開采的礦井需要加大煤柱的寬度來保證礦井的安全開采，這無疑會出現(xiàn)煤炭資源浪費的情況，因此，解決礦井頂板堅硬問題是保證礦井安全生產(chǎn)的重要任務[1]。本文以馬蘭礦18509 工作面為工程背景，對堅硬頂板沿空留巷充填體的變形進行研究，以保證礦井的安全開采。

1 礦井概況及模型建立

1.1 礦井概況

馬蘭礦位于山西古交西南15 km，井田面積104.4 km2，設計生產(chǎn)能力400 萬t/年，18502 工作面現(xiàn)主要開采2 號、3 號煤層，井田結構相對簡單，主要構造形式為單斜延伸構造，井田的地層傾角平均值在5°左右，18509 工作面現(xiàn)主要開采太原組8 號煤層，煤層厚度3.2～6.0 m，煤層的平均厚度為5.6 m。

1.2 切頂充填留巷理論分析

沿空留巷頂板活動主要分為三個階段，其中過渡期階段內(nèi)頂板活動最為劇烈，巷道內(nèi)部圍巖變形幅度明顯，所以對過渡階段內(nèi)巷道覆巖斷裂變形情況進行分析。根據(jù)斷裂線位置的不同可將斷裂變形情況分為三種，一為頂板斷裂位置在實體煤側，二為斷裂位置位于巷道的上方，三為斷裂位置位于采空區(qū)側。其中，基本頂斷裂位置位于實體煤柱側，此時工作面沒有得到有效的支護，充填體無法支撐基本頂?shù)南鲁粒涮铙w變形最大；基本頂?shù)臄嗔盐恢梦挥谙锏赖纳戏剑藭r覆巖發(fā)生較大的離層，充填體的變形介于其他兩種斷裂形式之間；斷裂位置位于采空區(qū)側時，由于充填體支護強度較大且支護較為及時，此時覆巖不發(fā)生較大的變形，基本頂?shù)臄嗔蜒刂煽諈^(qū)進行有順序的斷裂。從以上分析可以得出，在進行沿空留巷充填時，將基本頂斷裂位置控制在采空區(qū)側對留巷最為有利，所以對基本頂斷裂在采空區(qū)側進行模擬研究[2]。

1.3 數(shù)值模型的構建

結合馬蘭礦18509 工作面地質(zhì)條件，對切頂卸壓沿空留巷進行數(shù)值模擬，首先進行模型建立，選定UDEC 數(shù)值模擬軟件進行模擬計算，根據(jù)實際地質(zhì)情況進行模型建立。模型的尺寸為100 m×53 m，斷面尺寸設定為4.5 m×3 m，充填體的高度設定為與煤層開采高度相同，即3 m；對模型進行物理參數(shù)設定，完成模型的物理參數(shù)設定后，對應力條件進行設定，在模型的上端施加垂直的均布載荷，根據(jù)覆巖高度及容重得出均布載荷數(shù)值為5.5 MPa；模型選定為庫倫摩爾模型，此為本次模擬的本構模型，限制模型上下左右的位移，并設定為固定約束，完成模型的初步設定后，對模型進行模擬計算[3]。

2 模擬分析

首先對18509 工作面切頂卸壓的可行性進行研究，對未進行切頂卸壓與切頂卸壓后的沿空留巷情況進行模擬，切頂卸壓的切頂角度設定為35°，切頂卸壓前后垂直應力分布云圖如圖1 所示。

圖1 切頂卸壓前后圍巖應力（Pa）分布云圖

從圖1 中可以看出，當未進行切頂卸壓時，此時頂板未發(fā)生充分垮落，頂板面積較大，此時充填體最大的垂直應力為15 MPa; 當對頂板進行切頂卸壓后，此時的巷道頂板發(fā)生充分垮落，應力集中現(xiàn)象明顯減小，巷幫充填體的垂直應力峰值為9 MPa。由此可以看出，經(jīng)過切頂卸壓后，充填體的垂直應力峰值有了明顯下降，下降了6 MPa，這是由于在經(jīng)過切頂卸壓后，巷道頂板的應力有了明顯的降低，而采空區(qū)完成垮落后，垮落的矸石充分填充采空區(qū)，使得采空區(qū)進一步得到支護，頂板下沉現(xiàn)象得到較好限制，同時充填體的支撐壓力也有了較大幅度的降低。

2.1 切頂角度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響

對切頂角度對沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性的影響進行研究，合理的切頂卸壓角度能夠使得頂板按照指定方向發(fā)生垮落。當切頂角度較小時，此時由于切頂需要的能量較大，頂板發(fā)生垮落的難度增加，而當切頂角度較大時，此時選定角度增加，頂板的下沉較難控制。因此，本文對切頂角度15°、20°、25°、30°、35°、40°共6 個角度下的巷道圍巖應力、應變情況進行分析[4]。巷道圍巖應力、應變隨切頂卸壓角度變化趨勢如圖2 所示。

圖2 不同切頂角度下充填體應力/應變圖

從圖2-1 可以看出，巷幫充填體的垂直應力隨著距充填體巷旁側距離的增加大致呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。分析可知，由于受到應力作用，充填體的兩側出現(xiàn)一定程度的破壞，使得應力傳遞至充填體的中部。同時隨著切頂角度的增加，垂直應力值大致呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。切頂卸壓角度為30°時，充填體的垂直應力峰值最小，隨著切頂卸壓角度的增加，巷旁充填體內(nèi)部的垂直應力峰值依次為13 MPa、11 MPa、10 MPa、8 MPa、9 MPa、11 MPa，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于切頂卸壓角度在30°以下時，此時隨著切頂卸壓角度的增大，采空區(qū)充實效果最佳，而切頂卸壓角度在30°以上時，此時由于切頂角度較大，懸頂較長，使得覆巖壓力增大，巷旁充填體的應力也有所增大。

觀察圖2-2 可以看出，當切頂卸壓角度小于30°時，此時隨著切頂卸壓角度的增大充填體變形量逐步減小，巷道的底鼓量及頂板下沉量也相對減小，而當切頂角度大于30°時，此時由于充填體內(nèi)部應力較大的原因，使得巷道圍巖變形量有所增大，當切頂角度為30°時，此時的頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值，且最小值分別為202 mm、272 mm、254 mm、228 mm。由此可以得出，當切頂卸壓角度為30°時，切頂卸壓效果最佳[5]。

2.2 切頂高度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響

對切頂高度對沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性的影響進行研究，合理的切頂卸壓高度能夠使得巷道穩(wěn)定性得到較好的提升，因此本文選定切頂卸壓高度分別為6 m、8 m、10 m 和12 m 進行研究，對比不同切頂卸壓高度下圍巖的穩(wěn)定性。巷道圍巖應力及應變隨切頂卸壓高度變化趨勢如圖3 所示。

圖3 不同切頂高度下充填體應力/應變圖

從圖3-1 可以看出，在相同切頂卸壓高度下,隨著距充填體距離的增加，充填體垂直應力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象仍是由于充填體兩側發(fā)生了一定的破壞，使得載荷壓力施加于充填體中部，造成中部應力值偏大。同時對比不同切頂卸壓高度下充填體垂直應力值發(fā)現(xiàn)，隨著切頂卸壓高度的增大，充填體垂直應力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在切頂卸壓高度為10 m 時取到巷旁充填體峰值的最小值，為8 MPa。

根據(jù)圖3-2，對比不同切頂高度下圍巖的變形情況發(fā)現(xiàn)，隨著切頂高度的增大，巷道圍巖的變形情況呈現(xiàn)出先增大后平穩(wěn)的趨勢，所以一味的增大切頂高度并不會無限制降低巷道圍巖變形，所以切頂卸壓最佳的高度為10 m，此時頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值，最小值分別為206 mm、276 mm、252 mm、226 mm。

3 結論

1）通過對比切頂前后沿空留巷充填體垂直應力云圖發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過切頂卸壓后的充填體垂直應力有了較大幅度降低。

2）通過對不同切頂角度下巷道圍巖應力、應變進行分析，發(fā)現(xiàn)當切頂角度為30°時，此時的頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值。

3）通過對不同切頂高度下巷道圍巖應力、應變進行分析，發(fā)現(xiàn)當切頂高度為10 m時的巷道穩(wěn)定性最佳。