切頂卸壓沿空留巷圍巖變形規(guī)律與控制研究

劉璐

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

隨著開采年限的不斷增加，易開采煤層已經(jīng)不能滿足我國工業(yè)化的發(fā)展，難采煤層的開采已經(jīng)逐步成為熱門話題。堅硬頂板的存在一直困擾著礦山的生產(chǎn)，由于頂板極難垮落造成上覆巖層形成大面積的懸頂，而懸頂發(fā)生斷裂會造成沖擊地壓，對礦山人員及設(shè)備造成巨大的威脅。在留煤柱開采的礦山，堅硬頂板迫使煤柱尺寸加大，造成資源浪費，降低了礦山的出煤率。在無煤柱開采的礦山，由于堅硬頂板造成巷道圍巖的變形量變大，維護成本增加。所以對煤礦頂板進行切頂卸壓對提升巷道穩(wěn)定性有著重要的作用。此前眾多學者對堅硬頂板的問題進行過一定的研究。王炯[1]為了降低巷道的變形量及加強巷道圍巖的穩(wěn)定性，在原支護基礎(chǔ)上通過恒阻錨索對巷道進行補強支護。較好的解決了巷道頂板下沉量大及圍巖變形大的問題。馬廣興[2]針對埋深較深的頂板經(jīng)過切頂卸壓后的巖石碎脹理論研究較少，進行了現(xiàn)場的切頂后的巖石碎脹進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進碎脹系數(shù)變小，對于大深度的巖石切頂作出了一定的貢獻。朱珍[3]同樣為解決無煤柱開采巷道頂板下沉的問題，分析了上覆巖層的運移規(guī)律，認為頂板的下沉量主要由切頂巖層離層量及基本頂?shù)慕o定下沉量共同構(gòu)成，通過對現(xiàn)場的實測的卸壓的效果進行分析，為礦山堅硬頂板的治理提供參考。劉宜平[4]根據(jù)對巷道切頂卸壓現(xiàn)場進行監(jiān)測，有效的降低了巷道的變形，有效的維護了巷道的穩(wěn)定。本文以馬蘭礦18504工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對巷道的切頂卸壓效果進行研究，為煤礦的切頂卸壓作出一定的參考。

2 支撐峰值點計算

馬蘭礦1 8 5 0 4 工作面， 煤層厚度為4.1m～5.0m，平均厚度4.5m，煤層的傾角為1°～15°，煤層的平均厚度為3°，煤層走向881m。在工作面開始回采后，巷道圍巖的內(nèi)部應(yīng)力重新分布，護巷煤柱承載上覆巖層的壓力，隨著工作面進一步，煤體的應(yīng)力沿著工作面的推進方向擴展。

隨著工作面的推進煤體的應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，根據(jù)超前支撐的影響區(qū)域?qū)⑵鋭澐譃?個區(qū)域，分別為I破碎區(qū)、II塑性分布區(qū)、III彈性分布區(qū)、IV原巖應(yīng)力區(qū)。四個區(qū)域內(nèi)分別易發(fā)生片幫、煤柱塑性變形、煤體變形和無影響。對超前支撐的峰值點進行計算。首先可得塑性區(qū)的垂直應(yīng)力可表示為：

公式中：N0為煤幫的支撐力，φ為煤體的內(nèi)摩擦角，m為煤層的采高；f為層面的摩擦系數(shù)。為了使工作面的煤壁達到平衡狀態(tài)，需要煤壁的承載力達到：

公式中：C為煤體的內(nèi)聚力。將倆式結(jié)合可以得到塑性區(qū)的垂直應(yīng)力表達式：

塑性區(qū)的范圍需要滿足垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，所以將σz=KγH代入上式中，可以計算得出綜放面超前支撐壓力最大值與煤壁間的距離表達式為：

其中：X0為峰值點至煤壁的距離，m；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的容重，kN·m3；H為巖層的厚度，m。將礦山資料進行代入可以得到支撐峰值點至煤壁的距離為8.9m。

3 數(shù)值模擬研究

為了研究切頂卸壓參數(shù)切頂高度對切頂效果的影響進行分析，本文選定切頂高度為4m、6m及8m進行數(shù)值模擬分析，給出最佳切頂效果的切頂高度。

首先進行數(shù)值模擬模型的建立，設(shè)定模型的長寬高分別為140m、2m和100m，對模型進行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分的結(jié)果對模擬有著至關(guān)重要的影響。模型劃分過于粗糙時模擬的結(jié)果的精確性就會不足，且出圖的效果較為粗糙，但模型劃分過細時，計算機的計算時間較長，所以應(yīng)當充分考慮精確性與電腦的性能。完成模型網(wǎng)格劃分后對模型進行物理性質(zhì)的設(shè)定，根據(jù)實際地質(zhì)資料對模型進行參數(shù)的設(shè)定，頂板物理參數(shù)表如表1所示。

表1 頂板巖層力學參數(shù)參照表

完成參數(shù)設(shè)定后對模型的約束進行設(shè)置，固定邊界的位移，對模型的上端部加以載荷P，載荷P根據(jù)上覆巖層情況進行施加。經(jīng)過計算可得上覆巖層的容重為12MPa。

通過對不同的切頂高度巷道垂直應(yīng)力進行模擬發(fā)現(xiàn)，當巷道切頂高度設(shè)定為4m時，巷道圍巖的應(yīng)力主要集中于煤幫左側(cè)區(qū)域的位置，應(yīng)力峰值最大為36.3MPa，同時觀察發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出對稱分布特性，應(yīng)力集中系數(shù)為3.2。切頂高度為4m時的巷道周邊應(yīng)力情況可以看現(xiàn)，巷道周邊的應(yīng)力集中只要在巷幫的正對面距離3.8m的位置，此時巷道的維護較為困難，易發(fā)生巷道的變形過大，增加了巷道的維護成本，所以切頂高度為4m時切頂效果較差。當切頂高度來到6m時，此時的圍巖集中主要在煤幫的左上部位且距離較遠，此時的應(yīng)力的峰值35.9MPa，較切頂高度4m時的應(yīng)力峰值有所下降，應(yīng)力集中系數(shù)為3.04。切頂高度為6m時的巷道周邊的應(yīng)力集中范圍主要集中在巷幫左上部約14.5m處，距離巷道較遠，此時巷道的維護較為容易，維護成本較低，所以切頂?shù)男Ч^好。當切頂?shù)母叨葹?m時，此時的巷道垂直應(yīng)力分布圖的應(yīng)力集中在煤幫的左上側(cè)較遠的地方，應(yīng)力峰值繼續(xù)有所下降為35.3，應(yīng)力集中系數(shù)為3.03。巷道周邊巖石的應(yīng)力集中距離巷幫上端15.3m處，此時的巷道變形量較小，維護較為簡單，所以切頂高度8m時巷道維護最佳。

為了更好的對煤幫側(cè)向的支撐力的分布，我們在巷道側(cè)煤布置4條監(jiān)測線，對不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力進行監(jiān)測。當切頂高度為4m時，4個位置的的側(cè)向支撐力的變化趨勢幾乎相似，在距離煤幫5m的位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值，應(yīng)力峰值從大到小依次為煤幫上側(cè)、煤幫側(cè)中部、煤幫上側(cè)4m和煤幫上側(cè)9m，完全符合距離煤幫越遠，應(yīng)力的影響越小。應(yīng)力主要集中于距煤幫30m的范圍內(nèi)。當切頂高度增大至6m時，此時的應(yīng)力峰值在距離煤幫10m的位置出現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)域在煤幫20m的范圍內(nèi)，相對于切頂4m的應(yīng)力峰值，切頂6m的峰值從煤幫深部向上轉(zhuǎn)移。觀察切頂高度8m的支撐應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的峰值部位出現(xiàn)在距離煤幫10m處，應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)在距離煤幫20m以內(nèi)。相較切頂高度6m時無明顯的優(yōu)勢，且花費較大，所以選擇切頂高度6m最合適，此時煤幫側(cè)幫圍巖的完整性較好。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)理論推導(dǎo)得出塑性區(qū)的垂直應(yīng)力計算公式，并給出支撐峰值點距離煤幫的距離公式，并代入地質(zhì)資料得出支撐峰值點距離煤幫8.9m處。

（2）對不同切頂高度下的垂直應(yīng)力分布進行分析，發(fā)現(xiàn)切頂4m時的巷道垂直應(yīng)力分布較為靠近巷道不利于維護，6m和8m時巷道較容易維護。

（3）根據(jù)對不同切頂高度下的煤幫側(cè)向的支撐壓力進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，切頂高度6m時已經(jīng)滿足礦山的開采需求，所以選擇切頂高度6m最為合適。