小煤柱切頂卸壓沿空掘巷數值模擬研究

郭 勇

（山東科技大學，山東 青島 266590）

由于留小煤柱沿空掘巷布置方式可提高煤炭采出率，延長礦井服務年限，在國內外煤礦得到廣泛應用[1]。張科學[2]等運用極限平衡理論、數值分析和現場實踐相結合的方法，確定了窄煤柱的合理寬度；于洋等[3]采用現場觀測和數值計算的方法，研究了沿空掘巷圍巖變形規律和分控制技術；鄭西貴[4]等通過理論分析、數值模擬和現場工程實踐的方法，研究了不同寬護巷煤柱沿空掘巷掘采全過程的應力場分布規律,分析了煤柱寬度對沿空掘巷煤柱和實體幫應力演化的影響。綜上可知，目前在小煤柱沿空掘巷相關理論和技術有了大量研究，但對于不同切頂參數對小煤柱沿空巷道圍巖受力大小的研究較少。為此，采用UDEC數值模擬軟件對不同切頂參數下的巷道圍巖受力大小進行分析，研究切頂卸壓對沿空掘巷圍巖控制效果的影響規律。

1 工程概況

晉華宮礦12-2#層301擴區設計為單翼布置盤區，該盤區共設置3個大采高工作面。12-2#煤層賦存穩定，結構簡單，煤層平均厚度為6.81 m，煤層傾角為1°～7°，平均4°，煤層硬度系數為3.0，該區域無大的發水裂隙，煤層自燃傾向屬于Ⅱ類自燃煤層，無地溫、地壓危害，屬于高瓦斯礦井。頂、底板巖性見表1。

表1 頂、底板巖性特征表

8101工作面埋深331 m，工作面開切眼長度為165 m，順槽長度743.5 m，切眼至停采線長度650 m，巷道沿煤層底板掘進，采用綜合機械化單一走向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。為保證礦井采掘接替，以往采用留設30 m寬的煤柱進行沿空掘巷不僅造成采出率低，相鄰巷道也受上一工作面開采動壓影響，巷道維護困難。綜合研究國內先進技術和成功經驗[5-7]，采用最新的切頂卸壓沿空掘巷技術，經過理論計算和數值模擬，設計在2101巷進行爆破預裂切頂設計，在5103回風巷進行恒阻錨索支護設計，留設6 m小煤柱沿空掘巷。工作面布置如圖1。

圖1 留小煤柱沿空掘巷平面示意圖

2 切頂卸壓技術原理

切頂卸壓技術是由何滿潮院士提出的一種新型開采技術[8]，即超前工作面一定范圍內利用預裂爆破技術進行預裂切縫，使切縫影響范圍內的上覆巖層在自重及礦山壓力的作用下垮落。通過對頂板進行預裂切縫，切斷巷道頂板與采空區上覆巖層之間的應力傳遞路徑，使不穩定的長臂梁轉變為穩定的短臂梁結構，從而降低受采動影響下的沿空巷道圍巖變形特征。切頂巷道頂板結構示意圖如圖2。

圖2 切頂巷道頂板結構示意圖

3 數值模型建立

為了研究沿空掘巷在預裂切頂條件下煤柱幫和實體煤幫應力變化特征，分別建立不切頂及切頂角度分別為0°、8°、12°、16°、20°六種方案進行模擬分析，對比分析不同切頂角度下煤柱及巷道圍巖應力變化，采用切頂角度數值模擬的最優角作為固定角，分別建立切頂高度為10 m、12 m、14 m、16 m、18 m的數值模型進行模擬研究，通過對比選取最優的切頂高度作為固定高度。

根據煤層賦存情況及地質條件，建立相應的數值模型，如圖3。模型長300 m，高78 m，主要包括本區段工作面、實體煤幫及相鄰區段掘進巷道，模型左右兩側邊界水平位移為零，底部邊界垂直位移為零，在模型頂部施加一定的力來模擬上覆巖層重量。模型中煤層頂板由下至上依次為細砂巖、中粗砂巖、細砂巖，底板為砂質頁巖，頂底板巖石力學參數見表2。

圖3 工作面數值模型圖（m）

表2 頂底板巖石力學參數

3.1 切頂角度對巷道圍巖應力演化影響分析

切頂角度的變化使預裂結構面兩側巖體的連接狀態發生了改變，切斷了采空區頂板與巷道頂板之間的應力傳遞途徑，使沿空巷道兩側圍巖應力也呈現不同的變化規律，如圖4。

從圖4分析可知，沒有對頂板預裂切縫時，煤柱幫應力峰值（28.34 MPa）高于實體煤幫應力峰值（27.30 MPa）。

圖4 切頂角度影響下煤柱幫和實體煤幫垂直應力曲線

當切頂角度為0°時，煤柱幫和實體煤幫應力峰值分別為25.59 MPa和25.20 MPa，和不切頂時相比應力峰值降低了4.71 MPa和2.13 MPa。可以看出，對沿空巷道側向頂板采取預裂切縫后，可有效降低煤柱幫和實體煤幫所承受的載荷。當切頂角度為8°時，煤柱幫和實體煤幫的應力峰值為24.25 MPa和25.10 MPa。當切頂角度增加到12°時，煤柱幫和實體煤幫應力進一步降低，煤柱幫應力峰值為21.67 MPa，實體煤幫應力峰值為24.32 MPa，與切頂角度8°相比應力值分別降低了2.58 MPa和0.78 MPa。當切頂角度增加到16°和20°時，巷道兩幫圍巖承受的載荷較切頂角度12°時有所增大[8]。可見，隨著切頂角度的增加，煤柱幫和實體煤幫的應力峰值均有所降低。當切頂角度為12°時，煤柱幫和實體煤幫應力峰值下降明顯，切頂效果好，故最優的切頂角度為12°。當切頂角度大于12°時，煤柱上方小懸臂梁隨切頂角度的增加而增大，巷道兩幫圍巖應力值也逐漸增大，圍巖卸壓效果弱。

3.2 切頂高度對巷道圍巖應力演化影響分析

在沿空掘巷切頂卸壓圍巖穩定控制過程中，切頂高度的變化改變了巷道圍巖的連接狀態和充填程度，也影響著巷道兩幫圍巖的應力變化。不同切頂高度下，煤柱幫和實體煤幫垂直應力分布規律如圖5。

分析圖5可知，切頂高度為10 m時，煤柱內的應力峰值為26.0 MPa，應力峰值區主要集中在巷幫約1.8 m范圍內，實體煤幫垂直應力在距巷幫4.75 m范圍內達到峰值25.41 MPa，隨后降低并趨于穩定。當切頂高度增加到12 m時，煤柱幫和實體煤幫內的應力峰值呈現降低趨勢，較切頂高度10 m時，應力峰值分別降低1.35 MPa和1.23 MPa。當切頂高度增加到14 m時，煤柱和實體煤幫應力峰值大幅度下降，煤柱幫垂直應力峰值為23.32 MPa，實體煤幫垂直應力為21.89 MPa，和切頂高度12 m相比應力峰值分別降低2.03 MPa和2.49 MPa。當切頂高度增加到16 m和18 m時，與切頂高度14 m相比，巷道圍巖卸壓效果不明顯。

圖5 不同切頂高度影響下巷道圍巖應力演化規律

從數值模擬結果來看，切頂高度的變化對巷道圍巖應力有著明顯的影響，預裂切縫均可降低巷道圍巖應力。考慮到施工成本與難易程度，最終確定合理的切頂高度為14 m。

4 結論

（1）通過UDEC進行數值模擬，分別對不同切頂角度和切頂高度下的煤柱幫和實體煤幫應力變化特征進行了分析，確定了合理的切頂角度為12°，合理的切頂高度為14 m。

（2）切頂卸壓技術，能夠有效切斷采空區頂板與沿空掘巷頂板之間的應力傳遞路徑，降低了煤柱幫和實體煤幫圍巖應力，實現了對巷道圍巖的主動調控。