李昊城，宋選民，朱德福，曹健潔

(太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

隨著淺部煤炭資源的不斷減少，我國煤礦開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的留煤柱開采造成的資源浪費以及巷道圍巖變形較大的問題日益凸顯[1]。沿空留巷技術(shù)可以有效的解決該問題，根據(jù)護巷方式的不同，可分為巷旁充填留巷及切頂卸壓留巷[2]。巷旁充填留巷上覆巖層的結(jié)構(gòu)并未改變，在兩次采動的影響下依舊會產(chǎn)生應(yīng)力集中，且剛性巷旁充填體無法達到與頂板的協(xié)同變形，導(dǎo)致沿空巷道的穩(wěn)定性較難控制[3，4]。而切頂卸壓留巷指利用定向切縫技術(shù)切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的應(yīng)力傳遞，減弱了工作面回采時巷道的應(yīng)力集中，待工作面回采后，利用垮落巖石的碎脹性形成巷道碎石幫，實現(xiàn)了無煤柱，無充填的高效留巷[5，6]。切頂成巷的切縫參數(shù)及巷旁、巷內(nèi)支護設(shè)計是該技術(shù)的關(guān)鍵，選擇合理的切頂參數(shù)及支護設(shè)計對于切頂成巷的效果及圍巖穩(wěn)定性影響重大[7-9]。為此眾多學(xué)者對其進行了大量的研究，孫曉明等[10]針對薄煤層切頂卸壓開采，通過理論分析及數(shù)值模擬確定出合理的切頂高度、角度及炮孔間距；朱珍等[11]通過分析回采過程中頂板巖層的運動特征，建立了切頂自成巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)出了切頂留巷頂板支護阻力的表達式并分析了影響支護阻力的關(guān)鍵因素；遲寶鎖等[12]以檸條塔煤礦大采高S1201工作面為背景，通過現(xiàn)場不同支護方案的對比試驗，得出了有效的切頂留巷支護參數(shù)，有效控制圍巖變形。

上述研究成果為切頂留巷卸壓開采技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，但相關(guān)研究多將切頂參數(shù)及切頂阻力對于頂板切落的影響分開研究，對于二者耦合作用下頂板切落的研究還較少，為此，本文以黑龍煤業(yè)1103工作面薄直接頂、厚基本頂為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，通過建立切頂留巷頂板斷裂力學(xué)模型，分析了基本頂斷裂與切縫參數(shù)、切頂阻力間的關(guān)系，模擬確定出合理的切頂留巷參數(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場實踐。

1 工程概況

黑龍煤業(yè)1103工作面主采2號煤層，平均埋深210m，煤層厚度0.9～1.45m，平均1.35m，不含夾矸；煤層平均傾角4.27°，屬近水平中厚煤層。工作面走向長度530m，傾向長度150m。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔可知：工作面直接頂為泥巖，平均厚度1.0m；基本頂為平均厚度5.0m的細砂巖；直接底為泥巖，平均厚度2.8m；基本底為粉砂巖，平均厚度14.0m。

1105工作面位于1103工作面的南面，緊鄰1103工作面，考慮到采掘關(guān)系緊張以及資源的最大化利用，黑龍煤業(yè)決定采用切頂留巷技術(shù)將1103運輸巷作為1105工作面回風(fēng)巷使用。為保證留巷的穩(wěn)定以及利于施工，1103切頂留巷起始位置位于1105工作面開切眼后方20m處。由于原切頂參數(shù)、留巷支護設(shè)計不合理，在工作面推進過程中，厚基本頂未能沿切縫面有效斷裂滑落，導(dǎo)致巷道頂板傾斜下沉，部分區(qū)域的巷旁側(cè)頂板變形嚴重甚至發(fā)生了局部冒頂現(xiàn)象，嚴重影響了巷道的穩(wěn)定性及人員安全，因此有必要對該地質(zhì)條件下的切頂參數(shù)、巷旁切頂阻力及巷內(nèi)支護進行研究改進，保證切頂留巷的穩(wěn)定性滿足生產(chǎn)要求。

2 切縫參數(shù)計算

根據(jù)切頂卸壓留巷技術(shù)原理及本工程背景，厚基本頂切頂卸壓留巷工藝如圖1所示，由圖1可知，隨著工作面的推進，較弱的薄直接頂泥巖以及部分下位基本頂細砂巖快速垮落，而上位厚基本頂在采空區(qū)側(cè)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，由于垮落矸石不能及時支撐住懸臂結(jié)構(gòu)，且煤層厚度僅為1.35m，受采空區(qū)高度限制，受載基本頂在彎曲下沉的過程中可能未破斷便與采空區(qū)接觸，使得覆巖壓力向留巷頂板傳遞，影響留巷的穩(wěn)定性。綜上所述，為使得厚基本頂沿切縫面斷裂，有效切斷上位頂板間的應(yīng)力聯(lián)系，需從切縫參數(shù)及巷旁支護阻力入手對切頂留巷設(shè)計進行優(yōu)化研究，保證留巷圍巖的穩(wěn)定性達到要求。

圖1 切頂留巷布置

2.1 切頂高度與切頂阻力

根據(jù)工程條件，可將側(cè)向基本頂視為下位含有切裂縫的單邊裂縫懸臂梁，采用斷裂力學(xué)理論分析含切縫巖梁的切斷條件，其計算力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 切頂巖層斷裂力學(xué)計算模型

由圖2可知，側(cè)向上位基本頂斷裂前被看做(視為)單邊裂縫有限板模型，切裂縫為由Ⅰ型張開型和Ⅱ型滑開型組成的復(fù)合型裂縫。由于側(cè)向基本頂所受荷載為復(fù)合荷載，因此應(yīng)力強度因子可分解成若干簡單荷載的組合，不同荷載下的應(yīng)力強度因子計算公式[13，14]如下：

覆巖荷載q及巷旁切頂阻力Q的剪切合力，引起的Ⅱ型裂紋應(yīng)力強度因子KⅡq：

式中，M為梁彎矩，N·m。

FM(a/b)=1.122-1.40a/b+7.33(a/b)2-

13.08(a/b)3+1.40(a/b)4

由于彎矩主要是由上覆巖層引起，M=ql2/2，故式(4)應(yīng)為：

巖梁單邊裂縫尖端應(yīng)力強度因子等于各簡單荷載應(yīng)力強度因子的疊加，即：

根據(jù)大量的(巖石壓剪斷裂判據(jù)及其應(yīng)用)實驗室研究及現(xiàn)場實測，巖石的壓剪斷裂判據(jù)為：

λ∑KI+|∑KII|=Kc

(5)

式中，λ為壓剪比；Kc巖石的斷裂韌性。

將式(4)代入式(5)得：

當上位基本頂切縫高度a和巷旁切頂阻力Q滿足式(8)時，上位基本頂可沿裂縫結(jié)構(gòu)面有效斷裂。其中a=HF-1，a≠0，代入式(6)可得巷旁切頂阻力Q的計算式：

為量化切頂高度與切頂阻力間的關(guān)系，根據(jù)1103工作面的工程條件，取b=5.0m，λ=1，基本頂粉砂巖斷裂韌性Kc=1MN/m3/2，q=0.21MPa，結(jié)合文獻[14]的研究，確定L=12m；將這些參數(shù)代入式(7)分析切頂高度對切頂阻力的影響，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 切頂高度對切頂阻力的影響

由圖3可知，巷旁切頂支護阻力先近似呈線性增加，此時巷旁切頂阻力的主要作用為切頂；而當切頂高度達到3m時，切頂阻力隨著切頂高度的增加而降低，由于基本頂裂縫貫通率逐漸增大，因此基本頂更易斷裂，巷旁切頂支護阻力的主要作用開始由切頂逐漸轉(zhuǎn)為支護；當切頂高度增加到4.5m時，切頂阻力開始出現(xiàn)負值，此時，基本頂在裂縫及覆巖載荷的作用下即可自行斷裂，但由于無法對基本頂?shù)臄嗔堰M行控制，厚硬基本頂可能在工作面剛推過后就切落，影響留巷的穩(wěn)定性。

2.2 切頂角度

當側(cè)向基本頂在巷旁外側(cè)沿切縫結(jié)構(gòu)面發(fā)生斷裂后，切縫結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的斷裂巖塊及巖梁形成鉸接結(jié)構(gòu)，并依靠二者之間的摩擦力保持平衡，而只有當斷裂巖塊沿切縫面滑落失穩(wěn)時，才能實現(xiàn)頂板應(yīng)力聯(lián)系的有效切斷和順利垮落。此時，合理的切頂角度是實現(xiàn)斷裂巖塊滑落失穩(wěn)的關(guān)鍵，根據(jù)文獻的研究，巖塊滑落失穩(wěn)的條件為[15]：

Tsin(φ-θ)≥qLcos(φ-θ)

(8)

其中：

式中，T為巖塊所受的水平擠壓力，kN；φ為頂板巖石內(nèi)摩擦角，(°)；θ為切頂角度，(°)；Hm為基本頂巖層厚度，m；△S為斷裂巖塊的下沉量，m。

將式(9)代入式(8)并化簡得：

既當切頂角度滿足式(10)時，斷裂巖塊可順利沿切縫面滑落失穩(wěn)。由某礦1103工作面工程地質(zhì)條件取φ=42°，Hm=5m，L=12m，△S=1.05m代入式(12)得θ≥8.7°，考慮到施工的便利性并利于留巷的維護，預(yù)裂切頂角度取10°。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)黑龍礦業(yè)1103工作面的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立三維數(shù)值計算模型，對比分析不同切頂參數(shù)下切頂留巷附近圍巖垂直應(yīng)力及位移分布情況，確定出合理的切頂參數(shù)，并驗證理論分析的正確性。

模型尺寸為230m×100m×73m，底部固定，四周限制水平位移，上表面為應(yīng)力邊界，施加4.02MPa的荷載，模擬上覆巖層重量。工作面分次開挖，每次推進5m，為使得模擬效果更真實，采空區(qū)采用雙屈服本構(gòu)模型進行充填模擬，其參數(shù)根據(jù)文獻[16]確定。材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，各巖層物理力學(xué)參數(shù)及采空區(qū)參數(shù)見表 1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 切頂高度的確定

為了進一步分析切頂高度對沿空留巷穩(wěn)定性的影響，模擬采用三種切頂高度，分別為3m、4m、5m，切頂角度為0°，計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同切頂高度的垂直應(yīng)力分布情況

圖5 不同切頂高度巷道頂板移近變形特征

由圖4可以看出，預(yù)裂切頂高度為3m時，工作面推進后，留巷左側(cè)的實體煤內(nèi)產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，且范圍較大，應(yīng)力峰值為50.5MPa，距離留巷左幫2m；切頂高度為4m時，側(cè)向應(yīng)力集中峰值為44.1MPa，應(yīng)力峰值留巷煤幫3.5m；切頂高度為5m時，側(cè)向應(yīng)力集中峰值為43.8MPa，應(yīng)力峰值留巷煤幫3m。從上述分析可知，3m切頂時側(cè)向應(yīng)力集中范圍及應(yīng)力峰值較大，且距巷幫較近，4m切頂時的應(yīng)力峰值相比3m切頂時明顯降低，且逐漸遠離巷幫，而5m切頂與4m切頂?shù)膽?yīng)力集中范圍、應(yīng)力峰值大小及位置相差不大。另外，隨著切頂高度的增加，作用在切縫線頂端的應(yīng)力越來越大，應(yīng)力集中也越來越明顯，這也使得基本頂未貫穿面在覆巖荷載的作用下更容易斷裂。

不同切頂高度下監(jiān)測的巷道頂板變形情況如圖5所示。由圖5可知，不同切頂高度下的巷道頂板變形規(guī)律相近，均呈現(xiàn)出非對稱性，采空區(qū)側(cè)頂板變形量明顯大于實體煤一側(cè)。當切頂高度為3m時，頂板最大下沉量為270mm；切頂高度為4m時，頂板最大下沉量為230mm，較切頂高度為3m時減小了15%；切頂高度為5m時，頂板最大下沉量為210mm，頂板整體的下沉量與切頂高度為4m時相差不大。

綜上分析可知：頂板預(yù)裂切頂高度為3m時，留巷基本頂與采空區(qū)頂板仍有較好的應(yīng)力聯(lián)系，使得基本頂回轉(zhuǎn)下沉?xí)r造成留巷附近圍巖應(yīng)力及垂直位移都較大，不利于留巷的形成；而當切頂高度為4m時，側(cè)向支承壓力峰值與留巷位移均明顯降低，巷道的卸壓效果也較好，且垮落后的矸石充滿了采空區(qū)，較好的支撐了上覆巖層；切頂高度為5m時的留巷的應(yīng)力場及位移場與4m切頂高度相差不大，說明二者基本頂?shù)那袛喑潭燃安煽諈^(qū)充填程度均較好，且效果相近，再增加切頂高度的意義不大，但考慮到5m切頂高度時，厚硬基本頂可能會在工作面推進時便切落，影響留巷的穩(wěn)定性，因此選擇4m切頂高度較為合適。另外，由于受采空區(qū)高度的限制，基本頂回轉(zhuǎn)下沉空間較小，垂直預(yù)裂的基本頂斷裂效果不理想，還另需調(diào)整切頂角度及增加巷旁切頂阻力，才能保證基本頂?shù)捻樌新洹?/p>

3.3 切頂角度的確定

基于對切頂高度的模擬結(jié)果，為得出合理的切頂角度，建立了5°、10°、15°和20°的切頂角度計算模型，切頂高度均設(shè)置為4m，并與0°切頂角度時的留巷應(yīng)力及位移分布情況做對比。模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同切頂角度的垂直應(yīng)力分布情況

不同切頂角度留巷附近的垂直應(yīng)力分布情況如圖6所示，由圖6可知，切縫向采空區(qū)偏移一定角度時，待工作面回采后，留巷頂板上方的卸壓范圍均較0°切頂時要明顯增加；且留巷側(cè)向應(yīng)力集中范圍及集中程度均小于0°切頂，表明切縫面向采空區(qū)轉(zhuǎn)動一定角度后，基本頂?shù)那新湫Ч?，留巷附近的圍巖壓力有所減小。另外，由圖6(c)(d)可知，從切縫偏轉(zhuǎn)15°開始，巷道頂板中部開始出現(xiàn)正應(yīng)力，且到20°時正應(yīng)力集中范圍變大，這是由于隨著切頂角度的增大，頂板側(cè)向懸露長度增大，進而導(dǎo)致頂板上方圍巖向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)，側(cè)向應(yīng)力升高。此時頂板中部區(qū)域垂直應(yīng)力向上，而兩邊垂直應(yīng)力向下，處于易破壞的受拉狀態(tài)，不利于巷道維護。

由圖7可知，切縫偏轉(zhuǎn)一定角度后，沿空留巷頂板的整體下沉量較0°切頂時均有所減小，這是由于當頂板預(yù)裂切頂角度為 0°時，采空區(qū)側(cè)基本頂巖塊無法沿切縫面順利垮落，仍然能向留巷頂板傳遞力的作用，且采空區(qū)基本頂巖塊的回轉(zhuǎn)下沉帶動留巷頂板的運動，使得0°時的頂板下沉量較大。其中5°切頂?shù)捻敯遄畲笙鲁亮?73mm，較0°切頂時的頂板最大下沉量減小了約25%；而10°切頂時的頂板整體下沉量要低于5°切頂，其最大下沉量為168mm，表明切頂角度為10°時，基本頂可沿切縫順利斷裂并滑落；當切頂角度大于10°，即切頂角度為15°和20°時，頂板下沉量劇增，最大下沉量分別為182mm和192mm，這是由于切頂角度的增加間接增大了留巷頂板側(cè)向懸臂梁的重量，不利于留巷圍巖的控制。

綜合上述分析可知：切頂角度為10°時，沿空留巷附近的應(yīng)力場及位移場要優(yōu)于其他角度的切頂方案，因此針對1103工作面的開采條件，確定合理的切頂角度為10°。

4 工程應(yīng)用效果分析

將理論分析及數(shù)值模擬得出的切頂高度4m及切頂角度10°代入式(7)得出每米的切頂阻力Q=3350kN，根據(jù)得出的參數(shù)對留巷切頂方案進行設(shè)計。超前工作面20m開始實施雙向聚能爆破預(yù)裂切縫，炮孔孔徑?38mm，設(shè)計孔深4000mm，炮孔向工作面?zhèn)绕D(zhuǎn)10°，孔間距設(shè)置為800mm，采用二級煤礦水膠炸藥；在巷道原有支護的基礎(chǔ)上，巷旁布置切頂墩柱，墩柱間距0.4m，初撐力不小于90kN，墩柱間布置密集單體，在工作面后方150m范圍內(nèi)采用單體液壓支柱配頂梁，一梁三柱輔助切頂，并對巷道進行補強支護。根據(jù)上述參數(shù)及支護方案在1103工作面進行了現(xiàn)場試驗，成巷效果如圖8所示。

圖8 成巷效果

從圖8可以看出，按所設(shè)計的切縫參數(shù)及支護阻力在1103工作面運輸巷進行現(xiàn)場試驗后的切頂效果較明顯，順利切斷了運輸巷與采空區(qū)側(cè)之間的頂板應(yīng)力聯(lián)系，巷道頂板的傾斜下沉明顯得到控制，且頂板下沉量比原方案下的下沉量要小，巷道整體的穩(wěn)定性較好，順利保留了巷道作為下一個工作面的回風(fēng)巷。

5 結(jié) 論

1)建立了下位含切縫基本頂懸臂梁斷裂力學(xué)模型，推導(dǎo)出了基本頂沿切縫斷裂的切頂阻力，并分析了切頂阻力與切頂高度間的關(guān)系?；卷旐樌麛嗔褧r，切頂阻力隨切頂高度的增大先近似呈線性增加后快速減小，而當切頂高度達到一定值時，切頂阻力出現(xiàn)負值，表明此時基本頂在切縫及覆巖壓力的作用下便可斷裂。

2)結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬得出：切頂高度為4m、切頂角度為10°時，留巷頂板的卸壓效果最好，留巷附近圍巖的垂直應(yīng)力場及位移場均較小，且未貫穿面處的應(yīng)力較大，更有利于工作面推進后，厚硬基本頂沿著切縫面順利斷裂。

3)切頂高度為4m時，側(cè)向厚硬基本頂沿切縫面順利斷裂所需的支護阻力至少為3350kN。研究結(jié)果在現(xiàn)場成功實施后有效控制了留巷頂板的傾斜下沉，留巷效果良好，可為類似條件下的切頂自成巷技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。