雷美榮

(山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西省大同市，037003)

深部煤巖體處于“三高一低”的環(huán)境中，并且巷道圍巖受到原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力的疊加作用，沿空巷道易出現(xiàn)大變形。目前國內(nèi)學(xué)者針對切頂卸壓沿空留巷做出了諸多研究，一些專家從支護(hù)方面提出了利用高預(yù)緊力、負(fù)泊松比效應(yīng)的恒阻大變形錨桿錨索控制深部沿空巷道圍巖大變形的方法，并對恒阻大變形錨桿錨索的拉伸力學(xué)性能、沖擊拉伸性能、動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了分析；一些學(xué)者在理論計(jì)算和數(shù)值模擬方面對切頂高度、切頂角度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究；也有從聚能爆破機(jī)理、聚能裝置的創(chuàng)新、爆破鉆孔間距的優(yōu)化方面探究了聚能爆破這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程地質(zhì)條件

2 切頂卸壓沿空留巷卸壓機(jī)制

采用切頂卸壓的方式進(jìn)行沿空留巷，首先需要在巷道內(nèi)施加橫阻大變形錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，加固巷道頂板。按照設(shè)計(jì)方案在工作面前方的巷道實(shí)施爆破預(yù)裂，使巷道在軸向方向上形成切縫面，如圖1所示。同時(shí)，在巷道內(nèi)要強(qiáng)化頂板和側(cè)向矸石的支護(hù)。爆破預(yù)裂后，巷道內(nèi)靠近采空區(qū)一側(cè)的直接頂會在周期來壓的影響下發(fā)生斷裂，減小懸臂結(jié)構(gòu)，從根本上防止了基本頂回轉(zhuǎn)擠壓直接頂造成巷道圍巖出現(xiàn)大變形，如圖2所示。

圖1 切頂卸壓平面技術(shù)原理圖

圖2 切頂卸壓頂板破斷示意圖

3 爆破預(yù)裂對支承壓力分布的影響

3.1 爆破預(yù)裂對巷道支承壓力分布的影響

表1 各巖層的主要力學(xué)參數(shù)

模擬分別選取了工作面推進(jìn)30 m、50 m、80 m、100 m、120 m和150 m來研究爆破預(yù)裂對巷道支承壓力的影響，并收集了巷道和工作面的垂直方向應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。工作面不同推近步距時(shí)巷道和工作面的垂直方向應(yīng)力等值線圖如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，切縫側(cè)主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為5 MPa，而未切縫側(cè)輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為15 MPa，切縫后應(yīng)力下降了67%，工作面后方主運(yùn)輸巷最大垂直應(yīng)力為15 MPa，如圖3(a)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時(shí)，主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為4 MPa，輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為22 MPa，切縫后應(yīng)力下降了82%，工作面后方主運(yùn)巷最大垂直應(yīng)力為16 MPa，如圖3(b)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)80 m時(shí)，主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為8 MPa，輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為18 MPa，切縫后應(yīng)力下降了56%，工作面后方主運(yùn)輸巷最大垂直應(yīng)力為14 MPa，如圖3(c)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為6 MPa，輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為12 MPa，切縫后應(yīng)力下降了50%，工作面后方主運(yùn)輸巷最大垂直應(yīng)力為12 MPa，如圖3(d)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)120 m時(shí)，主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為8 MPa，輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為18 MPa，切縫后應(yīng)力下降了56%，工作面后方主運(yùn)輸巷最大垂直應(yīng)力為12 MPa，如圖3(e)所示；當(dāng)工作面推進(jìn)150 m時(shí)，主運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為8 MPa，輔運(yùn)輸巷的垂直應(yīng)力為22 MPa，切縫后應(yīng)力下降了63.6%，工作面后方主運(yùn)輸巷最大垂直應(yīng)力為12 MPa，如圖3(f)所示。隨工作面推進(jìn)切縫側(cè)和未切縫側(cè)巷道垂直應(yīng)力變化情況見表2。

圖3 工作面不同推進(jìn)距離垂直應(yīng)力等值線圖

表2 隨工作面推進(jìn)切縫側(cè)和未切縫側(cè)巷道垂直應(yīng)力變化

綜合對比分析可知，運(yùn)用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，沿空巷道頂板垂直應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的降低，但在距離巷道約8 m的工作面內(nèi)部應(yīng)力開始出現(xiàn)增加，爆破預(yù)裂能夠切斷采空區(qū)頂板和巷道頂板力的聯(lián)系，卸壓效果明顯。

3.2 爆破預(yù)裂對工作面支承壓力分布的影響

由圖4可知，爆破預(yù)裂后，工作面傾向壓力分布發(fā)生了明顯的變化。3#支架處的平均壓力為20 MPa，支架壓力在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的最大值為33 MPa；73#支架處的平均壓力為27 MPa，支架壓力在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的最大值為39 MPa，來壓強(qiáng)度最高；133#支架處的平均壓力為23 MPa，工作面幾乎不受切縫的影響，支架壓力在監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的最大值為41 MPa。由此可見，靠近切縫位置的工作面來壓受影響非常明顯，遠(yuǎn)離切縫側(cè)的工作面來壓幾乎不受切縫的影響。

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬和液壓支架壓力實(shí)測表明，主運(yùn)輸巷采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，其頂板壓力要明顯低于未切頂?shù)妮o運(yùn)輸巷。采用技術(shù)能夠起到明顯的卸壓效果，同時(shí)主運(yùn)輸巷的圍巖穩(wěn)定性也要優(yōu)于輔運(yùn)輸巷。

(2)采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)之后，工作面傾向方向的應(yīng)力狀態(tài)也會發(fā)生改變?？拷锌p側(cè)的液壓支架壓力下降明顯，工作面中部和遠(yuǎn)離切縫側(cè)的支架壓力變化較小，切縫只在一定的范圍內(nèi)對工作面壓力有影響。

(3)切頂卸壓沿空留巷技術(shù)能夠顯著降低巷道垂直方向的應(yīng)力。與未切頂?shù)南锏老啾?，切頂?shù)南锏涝诠ぷ髅婧蠓讲粫纬纱怪睉?yīng)力的集中，巷道圍巖出現(xiàn)大變形的概率較低。