綜放工作面回風順槽切頂卸壓護巷數(shù)值模擬研究

宋旭光

（陽泉市上社二景煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

通過切頂卸壓將煤柱上的側(cè)向支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，使應力降低區(qū)范圍擴大，為鄰近工作面小煤柱沿空掘巷提供安全保障，現(xiàn)階段這項技術已是各位專家學者研究的熱點和難點。程健新登運用數(shù)值模擬軟件得出切頂卸壓能夠改善巷道圍巖應力分布[1]；孫夏斐等通過多參數(shù)、多因素分析提出更優(yōu)化的技術方案[2]；龍鳳魁等通過分析巷道圍巖的移動變形規(guī)律，提出了分區(qū)噴漿控制方案[3]；郭李剛、李旭濤、張欣等通過現(xiàn)場實測得出切頂留巷技術能夠降低巷道圍巖變形量[4-6]；李世強等提出雙巷自成巷支護與大變形錨索聯(lián)合使用能夠控制巷道變形移進量[7-8]；楊晉等提出水力壓裂技術能夠有效降低巷道圍巖的變形量，改善巷道圍巖應力環(huán)境[9-11]。上述研究針對不同地質(zhì)條件進行了有針對性的方案設計，沒有針對性的對切頂與不切頂對比分析，為此，通過基于頂板破斷力學特征和礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，采用數(shù)值模擬方法，對比切頂與不切頂?shù)V壓顯現(xiàn)特征，確定合理的切頂高度，構(gòu)建切頂卸壓成套技術工藝體系，能夠?qū)︵徑ぷ髅嫘∶褐乜站蛳锾峁┝税踩Ｕ稀?/p>

1 工程背景

上社二景煤礦以往工作面之間煤柱留設寬度在25～30 m，受礦井地質(zhì)構(gòu)造等特殊條件的影響，導致煤炭采出率低，還可能會出現(xiàn)巷道維護困難等現(xiàn)象。按照上級公司關于小（無）煤柱開采的理念，該礦計劃在15203 工作面實施小煤柱沿空掘巷，為了使15205 工作面回采結(jié)束后，在15205 回風順槽上方的懸臂結(jié)構(gòu)縮短，現(xiàn)決定采用切頂卸壓護巷技術在15205 回風順槽實施爆破切頂卸壓，以期達到對15203 工作面進風順槽起到保護作用。上社二景煤礦15205 工作面位于15 號煤Ⅱ采區(qū)東翼，北為15203 進風順槽（未掘）、南為實體煤、西為采區(qū)大巷、東為井田邊界。15205 進風順槽由西向東沿煤層頂板掘進，煤層走向71°，傾向161°，傾角2°～3°，煤層厚度平均5.2 m。煤巖體綜合柱狀圖如圖1 所示。15205 回風順槽設計長度為682 m；15205 回風順槽為矩形斷面，凈寬5.2 m，凈高5.4 m，凈斷面為28.08 m2。

圖1 15205 回風順槽綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of No.15205 return air roadway

2 切頂卸壓工作原理

2.1 預裂爆破成縫原理

預裂爆破成縫的原理就是在進行爆破作業(yè)時，爆炸產(chǎn)生的應力波和氣流沿設計的預裂孔爆破出一個既有一定寬度，又沒對周圍巖體形成較大破壞的貫通裂縫。

頂板巖石預裂爆破的研究發(fā)展經(jīng)歷了3 個歷程，分別為運用彈性力學解釋分析階段、運用斷裂力學解釋分析階段、以及運用損傷力學和斷裂力學結(jié)合的解釋分析階段。

運用彈性力學解釋分析階段主要是將巖石作為一種層間距離相同、性質(zhì)相同、均勻厚度等理想化條件的連續(xù)介質(zhì)進行研究分析，依據(jù)經(jīng)典理論的各項準則去判別在爆破作用下生成氣壓，產(chǎn)生沖擊波，造成巖石破裂、裂隙擴展增大的情況。運用斷裂力學解釋分析階段主要是巖石在爆破作用下的宏觀缺陷分析，爆破作用下產(chǎn)生的沖擊波致使裂隙擴展，形成三維的裂隙擴展應力和位移強度的分析結(jié)果，最終確定裂隙的擴散范圍。運用損傷力學和斷裂力學結(jié)合的解釋分析階段主要是巖石在爆破作用下的微觀缺陷分析，爆破作用下產(chǎn)生的沖擊波引起周圍巖石裂隙擴散損傷，細化整個裂隙擴展的演化過程，直至裂隙擴展到一定程度后產(chǎn)生裂紋的過程。

爆破成縫主要依靠爆破產(chǎn)生的沖擊波，形成一種形狀如楔子的沖擊力，施加與周圍巖體，這種沖擊力致使爆破孔周圍的巖體產(chǎn)生一條沿橫向方向的裂紋（也稱“氣刃效應”），使得周圍巖體沿此方向繼續(xù)擴散，同時，因為沖擊波產(chǎn)生的應力推動作用會使得周圍巖體的裂紋受到巖體原巖應力的作用，擠壓變形，裂紋經(jīng)歷第二次擴展形成裂縫，增加巖體的透氣性。

2.2 切頂卸壓護巷技術原理及工藝

基于工作面頂板垮落及破斷特征，提出以切斷基本頂為保障的切頂卸壓護巷技術原理。

工作面回采前，在兩側(cè)巷道前方一段距離，利用預裂爆破將前方巷道上方的基本頂和煤柱幫上方的基本頂進行切縫處理，避免煤柱幫上方頂板出現(xiàn)“O-X”破斷情況，阻斷基本頂之間的聯(lián)系，消除或減弱采空區(qū)側(cè)基本頂回轉(zhuǎn)、斷裂、垮落對煤柱側(cè)的影響，使側(cè)向支承壓力峰值降低并向深部移動。其工藝流程如圖2 所示。

圖2 切頂爆破卸壓護巷技術原理Fig.2 Technical principle of roof cutting blasting pressure relief roadway protection

超前預裂切頂卸壓護巷的技術工藝流程。在本工作面開始回采時，在前方兩側(cè)巷道煤柱幫側(cè)布置切頂鉆孔，進行超前預裂爆破，形成定向切頂線，如圖2（a）和圖2（b）所示；當工作面繼續(xù)推進，上覆頂板在重力載荷作用下，工作面頂板會沿著切頂線冒落，降低了沿空巷道受到工作面頂板壓力的影響，如圖2（c）所示；另外，工作面頂板冒落，充滿采空區(qū)后，受上覆巖層頂板彎曲下沉擠壓后，沿著采空區(qū)進行巷道掘進，掘出的工作面巷道，在后續(xù)的回采過程中巷道變形量將減小。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本次數(shù)值模擬主要對在不切頂情況下與切頂情況下的對比進行研究，進一步研究在切頂?shù)臈l件下工作面前方采動應力影響狀態(tài)的變化規(guī)律。

根據(jù)圖1 煤層綜合柱狀圖，利用模擬軟件進行二維建模。尺寸為500 m×170 m。根據(jù)煤層上覆巖層的容重和層高，計算等到上覆巖層的垂直應力為8.9 MPa，施加于模型上覆進行計算。

觀測方面是在不切頂以及不同切頂高度情況下分別監(jiān)測工作面在采空后的側(cè)向支承壓力情況并進行對比分析。模擬過程方面，第一部分首先使模型運算至初始平衡，之后在不切頂?shù)臈l件下對15205工作面進行回采，待采空區(qū)穩(wěn)定后監(jiān)測工作面的側(cè)向支承壓力；第二部分是恢復之前的初始平衡狀態(tài)，并針對切頂后留設預裂切縫，待工作面回采至穩(wěn)定后監(jiān)測切頂后的工作面?zhèn)认蛑С袎毫Α?/p>

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 不切頂條件下模擬結(jié)果分析

當不切頂時回采15205 工作面的頂板垂直應力和垂直位移云圖如圖3 所示。從圖中可以看出，在工作面回采結(jié)束至穩(wěn)定后，由于工作面回采打破初始平衡狀態(tài)，使得在采空區(qū)側(cè)一定距離內(nèi)出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。如果此時進行沿空掘巷，將打破原有的工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布，在掘巷時將會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。此時掘進的巷道位于采空區(qū)邊緣的塑性破壞區(qū)范圍內(nèi)，同時由于沒有將頂部巖層切斷，掘巷頂板將受頂部巖層大結(jié)構(gòu)的影響而難以維持穩(wěn)定。此時掘巷巷道支護不僅困難，而且也將難以維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 工作面回采后垂直應力和垂直位移云圖（不切頂）Fig.3 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining(without roof cutting)

從圖3 中可以看出，不切頂時工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢贸霈F(xiàn)在距離工作面采空區(qū)14 m 的位置，峰值大小為24.36 MPa，其中原巖應力為9.28 MPa，故其應力集中系數(shù)為2.63。

將上述的應力峰值繪制曲線如圖4 所示。由圖4 可知，應力降低區(qū)范圍為5 m。側(cè)向支承壓力在短距離內(nèi)出現(xiàn)了急速增大，達到峰值，隨后又出現(xiàn)迅速降低的現(xiàn)象，隨著工作面的繼續(xù)回采，在工作面推進至距采空區(qū)14 m 左右位置時垂直應力的變化才趨于平緩狀態(tài)。所計算出的側(cè)向支承壓力峰值位置出現(xiàn)在距離工作面采空區(qū)邊緣14 m 左右的位置，峰值大小為24.36 MPa，應力集中系數(shù)達到2.63。

圖4 側(cè)向支承壓力曲線（不切頂）Fig.4 Lateral abutment pressure curve（without roof cutting）

3.2.2 切頂條件下模擬結(jié)果分析

根據(jù)15205 工作面煤層綜合柱狀圖，其基本頂位置K2上石灰?guī)r，其高度為18 m。由于數(shù)值模擬建立模型時基本頂厚度為18 m，因此模擬時切頂高度為18 m。如果在切頂?shù)那闆r下，基本頂將恰好被完整切掉，阻斷了其應力的傳遞作用，而后再進行沿空掘巷將改善巷道所處的應力環(huán)境，其工作面在回采結(jié)束至穩(wěn)定后的垂直應力分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出，在預裂切縫的影響下，工作面右側(cè)的頂板已經(jīng)被整體切下，切頂效果明顯。在切頂卸壓的情況下，15205 工作面回采完畢后在切頂一側(cè)采空區(qū)邊緣垂直應力雖有所上升，但幅度不大。

圖5 工作面回采后垂直應力和垂直位移云圖（切頂）Fig.5 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining（roof cutting）

將應力值提取處理繪制曲線如圖6 所示。

圖6 側(cè)向支承壓力曲線（切頂）Fig.6 Lateral abutment pressure curve（roof cutting）

通過曲線可以看出，側(cè)向支承壓力峰值位置出現(xiàn)在距離工作面采空區(qū)19 m 的位置，峰值為18 MPa（原巖應力為9.28 MPa），經(jīng)計算可得此時得工作面的應力集中系數(shù)為1.94，應力降低區(qū)范圍為9 m。相比不切頂情況下，切頂卸壓后側(cè)向支承壓力峰值位置向?qū)嶓w煤一側(cè)偏移了5 m，且峰值減小約了6.363 MPa，應力集中系數(shù)減小0.69。同時，應力降低區(qū)范圍較不切頂情況下增加了5 m。

4 結(jié)論

（1）基于工作面頂板垮落及破斷特征，提出以切斷基本頂為保障的切頂卸壓護巷技術原理。

（2）應力降低區(qū)范圍為9 m。相比不切頂情況下，切頂卸壓后側(cè)向支承壓力峰值位置向?qū)嶓w煤一側(cè)偏移了5 m，且峰值減小約了6.363 MPa，應力集中系數(shù)減小0.69。同時，應力降低區(qū)范圍較不切頂情況下增加了5 m。