切頂條件下窄煤柱護(hù)巷圍巖穩(wěn)定性研究

陳憲偉，石媛，呂振

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西長(zhǎng)治 046102；2.山西省科技資源與大型儀器開放共享中心，山西太原 030006；3.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

0 引言

降低巷道圍巖應(yīng)力集中大小和范圍是巷道圍巖穩(wěn)定性控制的基本途徑之一。巷道切頂卸壓，即在上區(qū)段采空區(qū)邊緣沿煤體軸向預(yù)先切斷覆巖與煤層之間的聯(lián)系，使上區(qū)段采空區(qū)頂板與底板充分接觸來(lái)卸除煤柱內(nèi)承擔(dān)的部分壓力，為回采巷道圍巖控制提供較好的應(yīng)力環(huán)境。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)窄煤柱沿空掘巷切頂卸壓進(jìn)行相關(guān)研究[1-4]。張子健[5]針對(duì)堅(jiān)硬頂板窄煤柱沿空掘巷圍巖控制工程問(wèn)題，研究了切頂條件下窄煤柱沿空掘巷頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了切頂高度對(duì)窄煤柱變形和巷道圍巖穩(wěn)定性的影響；何春光等[6]采用理論分析、數(shù)值模擬及工程試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，綜合研究了定向預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)及其關(guān)鍵參數(shù)，包括切頂角度、高度、炮孔藥量及間距。

在上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響下，窄煤柱內(nèi)出現(xiàn)大范圍塑性破壞，使待掘進(jìn)工作面巷道存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，因此本文結(jié)合前人研究成果[7-10]，采用針對(duì)連續(xù)介質(zhì)模型的有限元數(shù)值計(jì)算程序FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析在窄煤柱護(hù)巷條件下進(jìn)行切頂卸壓后應(yīng)力環(huán)境分布及巷道圍巖變形規(guī)律。

1 采動(dòng)影響下工作面超前支承壓力分布

根據(jù)常村煤礦S3-7 工作面工程地質(zhì)條件進(jìn)行模型構(gòu)建，采用二維模型的方式來(lái)模擬窄煤柱沿空掘巷切頂后巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境及位移變形特征，如圖1 所示。計(jì)算模型的范圍為420 m×5 m×240 m（長(zhǎng)×寬×高），通過(guò)計(jì)算得出模型上邊緣處原巖應(yīng)力大小為8 MPa，將8 MPa 應(yīng)力添加在模型頂端，模型兩側(cè)進(jìn)行位移和速度固定，水平測(cè)壓系數(shù)取1。

圖1 S3- 7 工作面平面圖及建模模型Fig.1 Plan and modeling model of No.S3-7 Face

S3-7 工作面平均埋深458 m，所采煤層為3 號(hào)煤，其下部煤層為6 號(hào)煤，煤層間距平均為27.44 m，待回采工作面兩側(cè)均為采空狀態(tài)，北側(cè)為S3-6采空區(qū)，南側(cè)為S3-10 采空區(qū)。S3-7 工作面可采厚度為5.82～6.15 m，平均可采厚度為5.96 m，煤層傾角較低。

2 回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植?/h2>

為進(jìn)行沿空掘巷切頂卸壓工作，首先研究上區(qū)段采空區(qū)應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定后在S3-7 工作面邊緣產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力分布情況，并估算出煤體塑性區(qū)分布規(guī)律。待模型地應(yīng)力初始完成后，進(jìn)行開挖上區(qū)段S3-6 工作面，待采空區(qū)應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定后，對(duì)上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力及煤柱塑性區(qū)范圍進(jìn)行分析，采空區(qū)側(cè)向垂直應(yīng)力分布如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)側(cè)向垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布云圖Fig.2 The distribution cloud diagram of lateral vertical stress and plastic zone in goaf

從采空區(qū)側(cè)向垂直應(yīng)力云圖中可以看出，在S3-6 工作面回采結(jié)束后，在實(shí)體煤體邊緣形成了明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值大約在32.6 MPa。從應(yīng)力曲線圖中看出，側(cè)向垂直應(yīng)力先增大后減小，先后經(jīng)歷了破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，然后恢復(fù)到原巖應(yīng)力。在距采空區(qū)0～4 m 時(shí)，處于原巖應(yīng)力之下的減壓區(qū)，此時(shí)煤柱處于破碎狀態(tài)，基本失去承載能力。4～7 m 處于塑性變形范圍內(nèi)，在7 m 左右到達(dá)應(yīng)力峰值，7～10 m 應(yīng)力逐漸降低，并進(jìn)入彈性變形區(qū)域，此時(shí)承載能力較高。在70 m 逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力，原巖應(yīng)力為11.6 MPa。從塑性區(qū)分布圖中看到，煤柱采空區(qū)邊緣大約4 m 范圍內(nèi)處于塑性破壞狀態(tài)，煤體承受能力較弱，穩(wěn)定能力較差。

3 切頂卸壓后巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

待上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，進(jìn)行回采工作面沿空掘巷，待掘巷后巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境穩(wěn)定后，對(duì)回采工作面與上區(qū)段工作面接縫處進(jìn)行切頂卸壓。切頂卸壓可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖應(yīng)力的主動(dòng)調(diào)控，人為控制了基本頂?shù)臄嗔盐恢茫共煽諈^(qū)頂板充分垮落，改變了原有的應(yīng)力傳遞路線，使上區(qū)段采空區(qū)的應(yīng)力越過(guò)巷道傳遞到實(shí)體煤側(cè)更深處，更利于掘巷期間巷道的穩(wěn)定性。本文采用數(shù)值模擬共構(gòu)建5 種切頂高度模型，分別為5、10、15、20、25 m 模型，對(duì)比留設(shè)6 m 煤柱未切頂條件下，分析不同切頂高度對(duì)煤柱及巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境的影響規(guī)律，從而確定切頂合理高度。圖3 和圖4 為不同切頂高度下窄煤柱垂直應(yīng)力分布云圖和巷道圍巖應(yīng)力分布曲線。

圖3 不同切頂高度下垂直應(yīng)力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution cloud diagram under different roof cutting height

圖4 不同切頂高度下垂直應(yīng)力分布曲線Fig.4 Vertical stress distribution curves under different roof cutting heights

由圖3 和圖4 分析可知：

通過(guò)對(duì)比切頂與未切頂條件下窄煤柱及巷道圍巖應(yīng)力峰值的變化，發(fā)現(xiàn)切頂條件下與未切頂條件下，其巷道圍巖應(yīng)力分布及位移表現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)，即煤柱內(nèi)的應(yīng)力在切頂過(guò)程中出現(xiàn)急劇降低現(xiàn)象，相反巷道實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力則出現(xiàn)急劇增加現(xiàn)象，且隨著切頂高度的增加，窄煤柱內(nèi)應(yīng)力逐步減小，而巷道實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力逐步增加且應(yīng)力集中區(qū)域也逐步向上向巷道實(shí)體煤深處擴(kuò)展。對(duì)于窄煤柱留設(shè)工藝來(lái)說(shuō)，其留設(shè)原則之一就是保證其穩(wěn)定性，而采用切頂工藝時(shí)，不僅降低了巷道圍巖的應(yīng)力峰值，同時(shí)降低了其整體位移量，因此，切頂工藝對(duì)于保證窄煤柱的穩(wěn)定性至關(guān)重要。但隨著切頂高度的增加，應(yīng)力峰值降低幅度并不大，由此說(shuō)明增加切頂高度并不能無(wú)限減小應(yīng)力峰值，反而增加施工難度及施工成本。

經(jīng)過(guò)窄煤柱垂直應(yīng)力分布云圖和巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律的分析可知，從圖5 中可以看出，在應(yīng)力集中值保持在一定值不變的情況下，在未進(jìn)行切頂卸壓時(shí)，煤柱內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)域明顯多于巷道實(shí)體煤側(cè)，當(dāng)切頂高度為5 m 時(shí)開始，煤柱內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)域急劇減少，實(shí)體煤側(cè)的高應(yīng)力區(qū)域開始明顯多于煤柱內(nèi)，且隨著切頂高度的增加，煤柱內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)域不斷減小，相反實(shí)體煤側(cè)的高應(yīng)力區(qū)域逐步增加，增加幅度不明顯。切頂卸壓可以切斷上下區(qū)段基本頂橫向結(jié)構(gòu)關(guān)系，有效實(shí)現(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定性控制。

圖5 煤柱及巷道圍巖高應(yīng)力區(qū)域演化過(guò)程Fig.5 Evolution process of high stress area of coal pillar and roadway surrounding rock

4 切頂卸壓后巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

圖6 為不同切頂高度下窄煤柱和巷道圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，從整體來(lái)看，在未切頂時(shí)，塑性破壞區(qū)域主要分在煤柱以及煤柱上方，在切頂后，由于上區(qū)段采空區(qū)覆巖應(yīng)力通過(guò)巷道上方轉(zhuǎn)移至巷道實(shí)體煤側(cè)深處，巷道頂板以及實(shí)體煤側(cè)塑性破壞區(qū)域明顯增加，且隨著切頂高度的增加，上覆巖層應(yīng)力轉(zhuǎn)移的位置距離巷道越來(lái)越遠(yuǎn)，塑性破壞范圍也在逐步增加，說(shuō)明切頂后應(yīng)力在逐步向巷道深部轉(zhuǎn)移，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)劇烈，實(shí)體煤分擔(dān)了煤柱內(nèi)的高應(yīng)力。

圖6 不同切頂高度下巷道圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.6 Distribution cloud diagram of plastic zone of roadway surrounding rock under different roof cutting height

5 結(jié)語(yǔ)

切頂卸壓可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖應(yīng)力的主動(dòng)調(diào)控，人為控制了基本頂?shù)臄嗔盐恢茫ㄟ^(guò)對(duì)比切頂與未切頂條件下應(yīng)力峰值的變化，發(fā)現(xiàn)切頂條件下與未切頂條件下，其應(yīng)力分布及位移表現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)，切頂不僅降低了巷道圍巖的應(yīng)力峰值，同時(shí)降低了其整體位移量。且增大切頂高度后，應(yīng)力峰值降低程度并不大，說(shuō)明增加切頂高度并不能無(wú)限減小應(yīng)力峰值，反而增加施工難度及施工成本。