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，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，設計生產能力400 萬t/年，18502 工作面現主要開采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，其中過渡期階段內頂板活動最為劇烈，巷道內部圍巖變形幅度明顯，所以對過渡階段內巷道覆巖斷裂變形情況進行分析。根據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的下沉，充填體變形最大；基本頂的斷裂位置位于巷道的上方，此時覆巖發生較大的離層，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，此時覆巖不發生較大的變形，基本頂的斷裂沿著采空區進行有順序的斷裂。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側對留巷最為有利，所以對基本頂斷裂在采空區側進行模擬研究[2]。

1.3 數值模型的構建

結合馬蘭礦18509 工作面地質條件，對切頂卸壓沿空留巷進行數值模擬，首先進行模型建立，選定UDEC 數值模擬軟件進行模擬計算，根據實際地質情況進行模型建立。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設定，完成模型的物理參數設定后，對應力條件進行設定，在模型的上端施加垂直的均布載荷，根據覆巖高度及容重得出均布載荷數值為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，此時的巷道頂板發生充分垮落，應力集中現象明顯減小，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，這是由于在經過切頂卸壓后，巷道頂板的應力有了明顯的降低，而采空區完成垮落后，垮落的矸石充分填充采空區，使得采空區進一步得到支護，頂板下沉現象得到較好限制，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定性的影響

對切頂角度對沿空留巷圍巖的穩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，出現這一現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定性的影響

對切頂高度對沿空留巷圍巖的穩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先增大后減小的趨勢，出現這一現象仍是由于充填體兩側發生了一定的破壞，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現，隨著切頂卸壓高度的增大，充填體垂直應力呈現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。

根據圖3-2，對比不同切頂高度下圍巖的變形情況發現，隨著切頂高度的增大，巷道圍巖的變形情況呈現出先增大后平穩的趨勢，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現，經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，發現當切頂角度為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，發現當切頂高度為10 m時的巷道穩定性最佳。