張懿

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

隨著我國的開采強度不斷加大，巷道所受采動壓力也日益劇增，而巷道作為煤炭開采的交通要道，保證其穩(wěn)定性具有重要意義。厚煤硬頂巷道因其基本頂為堅硬巖層，強度高，難垮落，易引發(fā)強礦壓，為保證井下工人的生命安全，爆破切頂技術(shù)開始普遍實施。

對于切頂巷道，白璐[1]指出切頂后巷道頂板豎直位移由采區(qū)向采空區(qū)逐漸增大，巷道圍巖變形量變；韓剛等[2]指出巷道沿空側(cè)覆巖破裂產(chǎn)生的動載為巷道動力顯現(xiàn)誘沖的主要原因；王辛豐等[3]提出巷道圍巖的破壞是由垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力耦合作用而產(chǎn)生的，頂?shù)装遄冃瘟渴怯^察圍巖破壞最有效特征；朱志潔等[4]指出厚煤大采出空間及其多層堅硬頂板，在采動應(yīng)力的影響下，造成綜放工作面強烈礦壓顯現(xiàn)；尉瑞等[5]指出巷幫變形中煤柱幫移近量大于工作面幫；杜科科[6]通過引入ETAS 長壁式支承壓力計算模型，分析了工作面的礦壓顯現(xiàn)力學(xué)機制，進而設(shè)計水壓欲裂方案來弱化頂板垮落來壓；于健浩等[7]發(fā)現(xiàn)“雙軟”煤層礦壓顯現(xiàn)弱，只有局部來壓特征明顯，超前采動壓力對巷道影響范圍較大；劉乙霖等[8]揭示了切頂卸壓的原理是通過切斷煤柱側(cè)未垮落基本頂巖層使其及時垮落，以減小煤柱載荷和基本頂巖層垮落對煤柱的載荷；王高偉[9]制定水壓切頂方案及相應(yīng)的支護措施，通過觀察弧形三角板水力壓裂的效果，結(jié)合對巷道礦壓的觀測，證明水壓切頂方案的可行性；張雷[10]通過理論分析揭示了切頂護巷的原理，并以此為根據(jù)提出了四種防沖擊控制方案，得出當(dāng)鉆孔傾角豎直向上，鉆孔深度8m 和6m，鉆孔間距500mm 時效果最好；蘇超等[11]發(fā)現(xiàn)切頂可以減弱深井臨空巷道形成的雙“F”結(jié)構(gòu)的懸頂疊加效應(yīng)，并且可誘發(fā)頂板產(chǎn)生新的斷裂線，進而保持巷道的穩(wěn)定性。

本文以唐家會煤礦61304 工作面輔運巷道為研究對象，根據(jù)厚煤硬頂巷道的圍巖特性和力學(xué)條件，建立數(shù)值模擬模型，通過對模擬結(jié)果進行分析，確定巷道的礦壓顯現(xiàn)特征。

1 工程概況

唐家會煤礦的主采煤層為平均層高16.8m 的6 煤，采用綜放開采，采高4.5m，放煤12.3m。而61304 工作面位于井田的西南方，走向長度2141m，傾向長度240m。61304 輔運巷道為沿煤層底板掘進的矩形巷道，寬×高=5.7m×3.8m。直接頂為泥巖，基本頂為較堅硬的細(xì)粒砂巖，難破斷，易引發(fā)巷道冒頂。巖層結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 巖層結(jié)構(gòu)布置

2 厚煤硬頂巷道切頂技術(shù)分析

隨著工作面推進，巷道的直接頂隨之垮落，砂巖層基本頂懸露，形成兩邊固支的固支梁，如圖2 所示。若不及時切斷基本頂，將會造成頂板大面積懸吊，極易引發(fā)強礦壓，對工人的人身安全造成傷害。

圖2 切頂前巖層位置圖

通過切頂技術(shù)可使巷道基本頂及時垮落，即可解除巷道冒落的隱患，如圖3 所示。

圖3 切頂后巖層位置圖

3 厚煤切頂巷道數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

為了研究切頂前后61304 輔運巷道圍巖的應(yīng)力分布、破壞特征及變形情況，采用FLAC3D 模擬軟件對61304 輔運巷道進行模擬，建立尺寸為652m×720m×383.9m（長×寬×高）的數(shù)值模型，采用Mohr-Coulomb 強度準(zhǔn)則，考慮到邊界效應(yīng)走向和傾向方向各留150m 的邊界煤柱。

3.2 垂直應(yīng)力分析

由圖4 可知，未實施爆破切頂方案時，巷幫測出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力集中。距離工作面5 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達13.94MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達27.78MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達35.33MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達13.85MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達24.56 MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達28.81MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達12.57MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達22.67MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達24.11MPa。

圖4 切頂前后工作面不同距離的垂直應(yīng)力云圖

實施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達9.59MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達23.21MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達34.09MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達8.81MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達22.91 MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達27.15MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達8.37MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達21.42 MPa，實體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達23.74MPa。由此可知，切頂后巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力傳遞被阻斷，巷道頂板應(yīng)力減小，煤柱側(cè)巷幫的應(yīng)力集中減小。

3.3 垂直位移分析

由圖5 可知，未實施爆破切斷方案時，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.37m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.3m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.23m。

圖5 切頂前后工作面不同距離的垂直位移云圖

實施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.59m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.41m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.27m。由此可知，切頂后巷道頂板變形明顯，巷道頂板垂直位移逐漸增大。

4 工程實踐于現(xiàn)場檢測

4.1 工程實踐

由于61304 輔運巷道頂板為煤，力學(xué)性質(zhì)較差，易冒頂，采用單體支柱進行被動支護可減小巷道頂?shù)装宓囊平俊Ｍ瑫r采用錨網(wǎng)索支護技術(shù)，以維護巷道頂板和巷幫的整體性，防止小塊煤體掉落對施工人員造成傷害。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

61304 輔運巷道采用十字布點法對巷道進行監(jiān)測，巷道圍巖變形變化曲線如圖6 所示。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏吭诓蓜佑绊懴轮饾u增大，但整體變形量不大，尚在可控范圍內(nèi)。由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知切頂效果良好，現(xiàn)場巷道穩(wěn)定性情況。

圖6 巷道圍巖變形變化曲線

5 結(jié)論

5.1 通過數(shù)值模擬分析可知，采用切頂方案后應(yīng)力傳遞被切斷，巷道頂板所受應(yīng)力減小，煤柱側(cè)巷幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯有所緩解，實體煤側(cè)巷幫受采動影響所受壓力較大，但隨著距離工作面越來越遠(yuǎn)，采動影響減小，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。

5.2 對于厚煤硬頂巷道，切頂后頂板應(yīng)力重新分布，造成巷道頂板變形變化，巷道頂板垂直位移逐漸增大，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，建議及時提供支護。

5.3 通過現(xiàn)場監(jiān)測可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟慷汲氏仍龃蠛蠓€(wěn)定的趨勢，且巷道圍巖的整體變形量始終在可控范圍內(nèi)，并不影響安全生產(chǎn)，證明切頂效果顯著。