魏昌彪

（山西煤炭進出口集團有限公司， 山西 太原 030024）

引言

我國能源儲量豐富，但賦存不均，整體能源形式呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的格局，隨著我國不斷地深化改革，工作化進程的不斷推進，能源需求量日益增大。雖然目前我國積極發(fā)展綠色能源，但考慮到清潔能源的開發(fā)仍處于起步階段，對于我國龐大的能源需求可謂杯水車薪，所以在未來很長的發(fā)展過程中，煤炭資源的歷史地位很難發(fā)生改變。沿空留巷作為我國礦井開采的重要技術(shù)[1-2]，是指上個回采工作面經(jīng)過維護后用于服務(wù)下個工作面。其不僅可以大幅度降低掘進工作任務(wù)，同時可以提升礦井的開采效率，提升礦井經(jīng)濟。但在進行沿空留巷時，由于巷道頂板極難發(fā)生垮落，使得大量覆巖堆積，形成大面積的難垮難落巖層，此時若不及時對頂板進行斷裂處理，一旦大面積懸頂垮落極易造成工作面沖擊災(zāi)害，所以對沿空留巷切頂卸壓技術(shù)研究是十分有必要的[3-4]。本文通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬對沿空留巷切頂卸壓參數(shù)進行研究，給出最佳的切頂參數(shù)，為沿空留巷切頂卸壓技術(shù)的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬研究

井田內(nèi)有3 號、14 號、15 號等3 層可采煤層，目前主要開采對象為3 號煤層。1301 工作面布置于3號煤層中，巷道的地面標(biāo)高為+914 ～+940 m，煤層的底板標(biāo)高為+354～+432 m，3 號煤的容重為144 t/m3，煤層的厚度5.98～6.50 m，煤層平均厚度為6.24 m，煤層傾角為1°～12°，煤層平均傾角6°。煤層的頂板由粉砂巖、細粒砂巖等組成，頂板巖性較為堅硬。

隨著工作面的推進，此時沿空留巷的圍巖應(yīng)力進行重新分布，同時巖層的位移也會發(fā)生變化，頂板的應(yīng)力場的改變勢必會對沿空留巷造成一定的影響。工作面逐步推進，此時的巷道液壓支架也隨之移動，造成已采工作面的頂板會形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)自身自重結(jié)合采動影響會使得基本頂及老頂出現(xiàn)下沉旋轉(zhuǎn)。垮落的巖層會充填采空區(qū)，垮落的巖層并未一次性完全垮落，而是有規(guī)律的自下而上逐層垮落。當(dāng)頂板的巖層垮落達到一定程度時，此時的頂板區(qū)域會區(qū)域穩(wěn)定，煤體側(cè)會出現(xiàn)應(yīng)力集中。沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)示意圖

為了更好地分析切頂卸壓參數(shù)對切頂卸壓效果的影響，本文利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進行建模分析，模型的長寬高尺寸設(shè)定為150 m×50 m×67 m，根據(jù)實際地形資料可以模型埋深580 m，根據(jù)模型的埋深及巖層的容重可以計算得出模型的頂端載荷為14.5 MPa，為了保證垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力間的應(yīng)力相互相應(yīng)，設(shè)定側(cè)向應(yīng)力系數(shù)為1。對模型進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)實際地質(zhì)情況對各層巖層的物理參數(shù)進行設(shè)定，對模型的上下左右及底端進行固定約束設(shè)定，避免出現(xiàn)位移，完成模型的建立。

首先研究模型切頂卸壓前后巷道支撐應(yīng)力分布情況，對切頂前后應(yīng)力云圖進行分析，如下頁圖2 所示。

從下頁圖2 中可以看出，沿空留巷切頂前與切頂后巷道煤幫側(cè)及采空區(qū)的整體支撐應(yīng)力分布趨勢未發(fā)生較大的改變，但在切頂后，此時的巷道煤幫側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)域面積有了明顯的擴大，而采空區(qū)上部的應(yīng)力集中部位的面積則有所減小。同時切頂后巷幫充填體的上方應(yīng)力有了一定幅度的降低，支撐應(yīng)力出現(xiàn)隔斷的情況，此時巷道頂板的應(yīng)力傳遞被切斷，巷道穩(wěn)定性得到一定的提升。切頂后的應(yīng)力最大值為35.6 MPa，較切頂卸壓前的42.6 MPa，降低了7 MPa，可以切頂卸壓可以降低巷道的垂直應(yīng)力值，應(yīng)力系數(shù)也會有所降低。

圖2 巷道切頂卸壓前后應(yīng)力（Pa）分布云圖

對不同切頂卸壓高度下巷道的圍巖變形情況進行研究，選定切頂研究高度分別為10 m、12 m、14 m和16 m，不同切頂卸壓高度下的巷道圍巖變形曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，切頂高度10 m、12 m、14 m 和16 m 時巷道的變形量有著較大幅度的差異，當(dāng)切頂高度為14 m 時，此時的巷道圍巖變形量相對處于最佳狀態(tài)。隨著切頂高度的增加巷道的巷旁、煤體移近量均呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，當(dāng)切頂高度為10 m 時，此時的巷旁移近量和煤幫移近量分別為251 mm 和391 mm，當(dāng)切頂高度為16 m 時的煤幫移近量和巷旁移近量分別為211 mm 和370 mm。隨著切頂高度的增大頂板下沉量及底板的底鼓量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)切頂高度為14 m 時，此時的巷道頂板下沉量及底板底鼓量均達到最小值，最小值分別為298 mm 和266 mm，可以看出切頂卸壓的高度并不是越大越好，隨著綜合比較選定切頂卸壓高度為14 m時，巷道圍巖變形量最佳。

圖3 不同切頂卸壓高度下的巷道圍巖變形曲線

2 巷道支護及卸壓效果分析

對巷道進行支護，選定頂板錨桿為高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿尺寸規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，強度（HRB）為335。錨桿采用等間距布置，設(shè)定每排6 根，錨桿的間排距為0.9 m×0.9 m，在左、右肩角位置的錨桿設(shè)置與垂線夾角150°，距離巷幫的距離均為350 mm，剩余錨桿全部垂直頂板布設(shè)。同時采用網(wǎng)片及梯子梁進行聯(lián)合支護，具體至方案如圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面圖（單位：mm）

對切頂卸壓支護后的圍巖變形進行研究，通過在巷道布設(shè)位移監(jiān)測儀研究30 d 的巷道表面變形，巷道表面變形圖如5 所示。

從圖5 中可以看出，經(jīng)過切頂卸壓后巷道的圍巖變形量整體處于可控狀態(tài)，隨著監(jiān)測天數(shù)的增加，巷道表面位移變形量呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢。巷道兩幫及頂板的最大移近量分別為39 mm 和32 mm，可以看出切頂卸壓可以有效降低巷道的應(yīng)力，改善圍巖變形情況。同時巷道的變形大致分為三個階段，分別為0～5 d 變形加速階段，在此階段內(nèi)巷道圍巖變形速度較快，巷道的大變形主要來源此階段，5～15 d 變形速度降低階段，在此階段內(nèi)巷道圍巖變形速度較變形加速階段有所降低，15～30 d 變形穩(wěn)定階段，在此階段巷道圍巖變形量區(qū)域穩(wěn)定，無較大幅度的變化。

圖5 巷道表面變形曲線

3 結(jié)論

1）空留巷切頂前與切頂后巷道煤幫側(cè)及采空區(qū)的整體支撐應(yīng)力分布趨勢未發(fā)生較大的改變，切頂后的應(yīng)力最大值為23.9 MPa，較切頂卸壓前的25.3 MPa，降低了1.4 MPa。

2）切頂高度10 m、12 m、14 m 和16 m 時巷道的變形量有著較大幅度的差異，當(dāng)切頂高度為14 m 時巷道整體變形量處于最佳。

3）經(jīng)過切頂卸壓后巷道的圍巖變形量整體處于可控狀態(tài)，隨著監(jiān)測天數(shù)的增加，巷道表面位移變形量呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢。