王文杰 ，李昊城，郝偉偉

(1.潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

1 工程概況

常村礦S6-1工作面位于北宋杜村東北部，張家莊東南部，南辛莊西部，東南為S6-2工作面(已采)，該工作面所采3號(hào)煤位于山西組的中、下部，為全井田可采穩(wěn)定煤層，工作面底板標(biāo)高+503.5～+560.9 m，地面標(biāo)高+861.6～+989.4 m。本工作面試驗(yàn)巷道為S6-1膠帶巷，該巷道與S6-2工作面之間的護(hù)巷煤柱寬度為50 m。

3號(hào)煤層總厚為5.6～6.5 m，平均厚度為6.05 m，含夾矸1層，局部為夾矸兩層，夾矸性質(zhì)為炭質(zhì)泥巖。本工作面老頂為3.3 m的灰色細(xì)粒砂巖，中厚層狀，含較多白云母，含不完整的植物化石；直接頂為0.87 m的黑灰色泥巖、0.80 m的淺灰色細(xì)粒砂巖與1.30 m的黑灰色泥巖；直接底為1.11 m的黑色泥巖，含炭少量，下部夾煤紋；基本底為4.24 m的灰色細(xì)粒砂巖。

2 切頂高度數(shù)值模擬分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，3號(hào)煤層上方共有4層堅(jiān)硬巖層，分別為細(xì)粒砂巖1(煤層上方第一層細(xì)粒砂巖)、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖2(煤層上方第二層細(xì)粒砂巖)、細(xì)粒砂巖3(煤層上方第三層細(xì)粒砂巖)。因此本文分別對(duì)切頂巖層為細(xì)粒砂巖1、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖2、細(xì)粒砂巖3時(shí)即切頂高度分別為26.1 m、33.6 m、44.0 m和61 m的模型進(jìn)行切頂數(shù)值模擬，以研究不同切頂高度對(duì)采空側(cè)巷道圍巖受力和變形規(guī)律的影響。

2.1 模型建立

根據(jù)工作面的具體采礦地質(zhì)條件，應(yīng)用UDEC數(shù)值模擬軟件建立尺寸為長(zhǎng)×高=580 m×61.2 m的數(shù)值模型，工作面采高5.5 m，護(hù)巷煤柱寬50 m，巷道尺寸為寬×高=5 m×3.4 m。限制模型兩側(cè)水平位移及底部垂直位移，上邊界施加9 MPa 的垂直應(yīng)力，模擬上覆巖層自重。應(yīng)力初始化時(shí)側(cè)壓系數(shù)取1。本研究通過(guò)在巖層中預(yù)設(shè)層理來(lái)模擬爆破形成的節(jié)理弱面。在上一工作面開采完成的情況下，本模型研究爆破不同切頂高度及切頂角度對(duì)本工作面巷道的影響，包括巷道受力和變形特征，即在巷道頂板下方0.65 m的位置布置水平測(cè)線一以監(jiān)測(cè)煤柱中的應(yīng)力，在巷道頂板上方0.1 m的位置布置水平測(cè)線二以監(jiān)測(cè)巷道頂板下沉量，如圖1所示。

圖1 模型示意

2.2 模擬方案

根據(jù)工作面上方堅(jiān)硬巖層分布情況，如圖2所示，在采空區(qū)靠近煤柱一側(cè)設(shè)置寬0.1 m，高度分別為26.1 m、33.6 m、44 m、61 m四個(gè)垂直弱面來(lái)模擬不同高度的爆破。具體模擬方案如表1所示。本模擬在巷道頂板根據(jù)煤柱中應(yīng)力分布特征及巷道頂板下沉量選擇最優(yōu)爆破高度。

圖2 不同高度爆破模擬方案切頂層位

表1 不同高度爆破模擬方案

2.3 保護(hù)煤柱應(yīng)力分布特征分析

不同切頂高度下保護(hù)煤柱中應(yīng)力分布特征曲線如圖3所示。由圖3可知，不同切頂高度煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律大致相同，在整個(gè)煤柱寬度內(nèi)存在兩個(gè)峰值，分別為煤柱側(cè)向支承應(yīng)力峰值和巷道右?guī)兔罕诟浇鼞?yīng)力峰值，分別用來(lái)反映煤柱整體應(yīng)力狀態(tài)及巷道圍巖附近應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 不同切頂高度煤柱支承應(yīng)力分布曲線

切頂后，煤柱上方及巷道周圍的圍巖破斷位置及結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致煤柱中側(cè)向支承應(yīng)力峰值較切頂前均發(fā)生改變。切頂高度為26.1 m、33.6 m、44.0 m、61.0 m時(shí)支承應(yīng)力峰值分別為28.5 MPa、24.8 MPa、23.1 MPa、25.0 MPa，分別為切頂前應(yīng)力峰值的105.6%、91.85%、85.55%、92.59%。切頂高度為44.0 m時(shí)，煤柱中的支承應(yīng)力峰值為最小，為23.1 MPa，此時(shí)切頂卸壓的效果最好。不僅降低了煤柱中支承應(yīng)力的峰值，同時(shí)增加了煤柱的穩(wěn)定性和巷道圍巖的穩(wěn)定性。

同時(shí)，巷道右?guī)兔罕诟浇膽?yīng)力峰值隨切頂高度增加大致呈減小趨勢(shì)，切頂高度為26.1 m、33.6 m、44.0 m、61.0 m時(shí)煤壁附近的應(yīng)力峰值分別為16.53 MPa、15.00 MPa、14.58 MPa、14.70 MPa，對(duì)比切頂前變化幅度分別為95.21%、86.40%、83.98%、84.67%。切頂高度為44.0 m時(shí)，巷道右?guī)兔罕诟浇膽?yīng)力峰值峰值最小，為14.58 MPa，此時(shí)巷道圍巖處于較低應(yīng)力狀態(tài)，增加了煤柱一側(cè)巷道圍巖的穩(wěn)定性，因此以巷道右?guī)兔罕诟浇膽?yīng)力峰值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，切頂高度為44.0 m時(shí)切頂效果最好。

2.4 頂板位移特征分析

不同切頂高度下S6-1膠帶巷頂板下沉量變化分布曲線如圖4所示。

圖4 不同切頂高度巷道頂板變形位移曲線

由圖4可知，不同切頂高度的巷道位移變形曲線均呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，采空側(cè)位移量大于實(shí)體煤一側(cè)，且頂板變形量最大值靠近采空側(cè)。這是由于靠近采空區(qū)一側(cè)的巷道頂板受采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響大，所以應(yīng)力較高，導(dǎo)致頂板下沉量變大。

同時(shí)，巷道頂板變形量同切頂高度成反比，切頂高度越高巷道頂板變形越小。切頂后巷道頂板變形量均有所降低，切頂高度為26.1 m、33.6 m、44.0 m和61.0 m時(shí)巷道頂板最大變形量分別為237 mm、189 mm、114 mm、109 mm，分別為切頂前最大變形量的70.11%、55.91%、33.7%、32.24%。說(shuō)明切頂高度為61.0 m時(shí)，巷道頂板變形量最小，為109 mm，此時(shí)切頂卸壓的效果最好。

綜上研究，切頂高度為44.0 m時(shí)，煤柱中的支承應(yīng)力峰值和巷道右?guī)兔罕诟浇膽?yīng)力峰值均為最小，比未切頂時(shí)分別減小14.45%和16.02%，巷道頂板變形量為114 mm，比未切頂時(shí)減小66.3%，且切頂高度增加至61.0 m時(shí)巷道頂板變形量與切頂高度為44.0 m的變形量變化不大。因此，綜合考慮到施工難度等問題，確定最優(yōu)的切頂高度為44.0 m，即切頂至煤層頂板細(xì)粒砂巖2層(煤層上方第二層細(xì)粒砂巖)。

3 切頂角度數(shù)值模擬分析

上文所研究不同切頂高度對(duì)采空側(cè)巷道圍巖受力和變形規(guī)律影響的數(shù)值模型是在采空區(qū)靠近保護(hù)煤柱側(cè)以0°切頂，而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，其操作難度較大，故探究最佳切頂角度時(shí)選擇在巷道靠近保護(hù)煤柱側(cè)布置弱面。由于最優(yōu)切頂高度為44 m，所以切頂區(qū)域選擇細(xì)粒砂巖2(煤層上方第二層細(xì)粒砂巖)，弱面以傾斜角度10°、20°、30°、40°貫穿整個(gè)巖層，探究上述4個(gè)不同切頂角度對(duì)采空側(cè)巷道圍巖受力和變形規(guī)律的影響。

3.1 模擬方案

在巷道靠近煤柱一側(cè)設(shè)置寬0.1 m，高度為44.0 m的爆破高度，角度分別為10°、20°、30°、40°等4個(gè)傾向采空區(qū)的弱面來(lái)模擬不同角度的爆破效果。不同角度爆破模擬方案如表2所示，根據(jù)煤柱中應(yīng)力分布特征及巷道頂板下沉量選擇最優(yōu)爆破角度。

表2 不同角度爆破模擬方案

3.2 模擬結(jié)果分析

對(duì)4個(gè)不同切頂角度模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同切頂角度采空側(cè)巷道圍巖及保護(hù)煤柱應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，在上工作面回采后，巷道附近位置和煤柱內(nèi)應(yīng)力均有所上升，應(yīng)力超過(guò)原巖應(yīng)力大小。在對(duì)細(xì)粒砂巖2整個(gè)巖層以不同角度進(jìn)行切頂時(shí)，采空側(cè)巷道圍巖及保護(hù)煤柱應(yīng)力隨切頂角度的增加先減小后增大。具體表現(xiàn)為：當(dāng)切頂角度為10～30°時(shí)應(yīng)力逐漸減小，切頂角度為40°時(shí)應(yīng)力有所增大。說(shuō)明就卸壓效果而言，切頂角度存在一個(gè)臨界值，并不是越大越好。

在以上分析基礎(chǔ)上，分別對(duì)不同切頂角度時(shí)煤柱中應(yīng)力變化和S6-1膠帶巷頂板位移變化分析，分析表明：切頂角度為10°、20°、30°、40°時(shí)煤柱支承應(yīng)力峰值分別為24.26 MPa、24.03 MPa、23.26 MPa、24.42 MPa。當(dāng)切頂角度為30°時(shí)，煤柱中的支承應(yīng)力峰值最小，此時(shí)切頂卸壓的效果最好。同時(shí)，巷道頂板下沉量受采空區(qū)影響程度隨切頂角度的變化而變化，變形量呈現(xiàn)出非對(duì)稱性，采空側(cè)變形量明顯大于實(shí)體煤一側(cè)，這是由于上工作面回采形成采空區(qū)，在側(cè)向支承壓力的影響下變形量呈現(xiàn)非對(duì)稱分布。在巷道寬度范圍內(nèi)，當(dāng)切頂角度為10～30°時(shí)巷道頂板下沉量逐漸減小，切頂角度為40°時(shí)巷道頂板下沉量有所增大。

綜上研究，當(dāng)切頂高度為44 m時(shí)，最佳切頂角度為30°。

圖5 不同切頂角度圍巖應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)常村礦S6-1工作面，合理的工作面切頂爆破高度為44.0 m，爆破角度為30°。