胡智平

（霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

近年來(lái)，隨著老礦井淺部煤炭資源的逐步枯竭，我國(guó)多數(shù)老礦井煤炭開(kāi)采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，煤炭資源的高效、合理開(kāi)采成為焦點(diǎn)[1]。 沿空留巷是降低巷道掘進(jìn)成本，提高煤炭資源回收率的重要保障[2]。 但是，沿空留巷由于靠近采空區(qū)邊緣保留巷道，受采動(dòng)和采空區(qū)垮落的雙重影響，巷道圍巖變形嚴(yán)重，因而需要進(jìn)行加強(qiáng)控制巷道圍巖的變形，減少巷道受力。 為此，不少學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程應(yīng)用等手段進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了良好的效果[3-5]。本文基于已有研究，通過(guò)數(shù)值模擬和工程應(yīng)用，擬定切頂卸壓最佳參數(shù)，以有效控制沿空留巷巷道的變形與破壞。

1 工程背景

紫晟煤業(yè)目前正在回采3108 工作面，工作面所屬采區(qū)之地面位于溝谷地帶。 3108 工作面西面為3108 運(yùn)輸順槽，運(yùn)輸順槽與3107 工作面采空區(qū)相鄰，工作面東面為3108 回風(fēng)順槽，3108 回風(fēng)順槽的東面為3109 工作面，目前正在掘進(jìn)過(guò)程中，工作面由南向北推進(jìn)。3108 工作面走向長(zhǎng)度為1 795 m，傾斜長(zhǎng)度為280 m，工作面處于同一水平，平均埋藏深度為467.5 m，工作面附近布置的巷道均處于煤層中。 工作面頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

工作面采用綜采傾斜長(zhǎng)壁采煤法，為充分利用煤炭資源，3108 回風(fēng)順槽采用沿空留巷，并用于3109 工作面的進(jìn)風(fēng)巷道，沿空留巷巷道與區(qū)段煤柱之間澆筑2 m 厚的墻體用于進(jìn)風(fēng)。工作面回采期間，在開(kāi)采擾動(dòng)單因素影響下，沿空留巷巷道在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，圍巖變形量較小，滿足安全回采的需求，但是長(zhǎng)距離頂板未垮落造成的高應(yīng)力對(duì)于安全生產(chǎn)有一定的威脅。 因此，需要設(shè)計(jì)合理的切頂卸壓方案減少高應(yīng)力的疊加，以保證沿空留巷巷道的斷面完整性，為下一工作面回采使用。

2 切頂參數(shù)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試切頂卸壓方案的復(fù)雜性，擬采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同參數(shù)下切頂卸壓效果進(jìn)行模擬。 數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件，實(shí)現(xiàn)巖層節(jié)理面、層理面等的接觸、滑動(dòng)功能，分別模擬了不同切頂高度、不同切頂角度下卸壓效應(yīng)，數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬中，均通過(guò)三個(gè)節(jié)點(diǎn)定義一個(gè)接觸面原件，一般均附在一個(gè)單元體上，特殊情況，四面體單元體需要兩個(gè)接觸面原件。 模型的建立主要通過(guò)接觸面參數(shù)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到網(wǎng)格的劃分、連接，為了確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用高強(qiáng)度接觸面摩擦參數(shù)的接觸面，避免接觸面的滑動(dòng)；接觸面的具體參數(shù)如下：對(duì)于連接網(wǎng)格，法向剛度為340 GPa，剪切剛度為340 GPa，內(nèi)聚力為20 MPa，抗拉強(qiáng)度為10 GPa，摩擦角為35°；對(duì)于分離網(wǎng)格而言，法向剛度為75 GPa，剪切剛度為75 GPa，內(nèi)聚力為0 MPa，抗拉強(qiáng)度為0 GPa，摩擦角為15°。

數(shù)值模擬過(guò)程如下：建立數(shù)值模型，設(shè)置初始應(yīng)力狀態(tài)及邊界條件，定義巷道開(kāi)挖條件及支護(hù)平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行工作面的推進(jìn)，分別定義切頂高 度 為6 m、10 m、14 m、18 m 和 切 頂 角 度 為50°、60°、70°、80°下巷道圍巖的受力狀態(tài)及變形狀況，考慮到文章篇幅問(wèn)題，本文只展示最佳切頂高度及切頂角度下巷道圍巖特征。

圖1 為數(shù)值模擬結(jié)果，從圖1（a）中可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域較小，峰值應(yīng)力最大值為25.04 MPa，切頂高度為6 m、10 m、18 m 時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域均較大，峰值應(yīng)力分別為31.46 MPa、32.51 MPa、30.58 MPa；從圖1（b）中可以看出，70°切頂角度下，應(yīng)力集中范圍較小，且最大垂直應(yīng)力值為30.32 MPa，其他角度下進(jìn)行切頂卸壓，煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域均較大，且最大垂直應(yīng)力值均大于30.32 MPa，因此70°是最佳的切頂角度。

圖1 數(shù)值模擬結(jié)果

確定最佳切頂參數(shù)后，再進(jìn)行綜合模擬，得到工作面推進(jìn)期間巷道受到的最大垂直應(yīng)力26.45 MPa，與工作面距離7 m。

3 工程應(yīng)用

工程實(shí)際應(yīng)用中，切頂卸壓方案的實(shí)施地點(diǎn)選擇在3108 工作面前方的超前支護(hù)段，切頂高度為14 m，切頂角度為70°，鉆孔的斜長(zhǎng)為21 m，間距為0.9 m。 鉆孔作業(yè)時(shí)，為了確保工作面瓦斯抽放正常工作，在工作面錨索之間進(jìn)行開(kāi)口作業(yè)；鉆孔結(jié)束后，進(jìn)行裝藥工作，確保裝藥段長(zhǎng)度達(dá)到14 m，封孔長(zhǎng)度為6 m；完成封孔作業(yè)后，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)作業(yè)。

為驗(yàn)證切頂卸壓工藝的可行性，對(duì)施工后沿空留巷巷道圍巖受力變形特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 共在巷道內(nèi)布置3 個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站的距離分別為100 m，每個(gè)測(cè)站均對(duì)巷道兩幫移近量、底板鼓起量、頂板離層量及圍巖應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇有代表性的測(cè)點(diǎn)1 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體如圖2 所示。

從圖2 可以看出，距工作面距離不同，巷道圍巖變形及受力均有差異，當(dāng)與工作面距離100 m 時(shí)，巷道兩幫移近量、底板鼓起量、頂板離層量、最大垂直應(yīng)力值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)據(jù)）分別為8 mm、4.1 mm、6.3 mm、12.1 MPa；當(dāng)與工作面距離80 m 時(shí)，數(shù)據(jù)分別為15.2 mm、10.5 mm、13.1 mm、18.1 MPa；當(dāng)與工作面距離60 m 時(shí)，數(shù)據(jù)分別為27.2 mm、時(shí)，數(shù)據(jù)分別為15.2 mm、10.5 mm、13.1 mm、18.1 MPa；當(dāng)與工作面距離60 m 時(shí)，數(shù)據(jù)分別為27.2 mm、16.3 mm、19.4 mm、24.5 MPa；當(dāng)與工作面距離40 m 時(shí)，數(shù)據(jù)分別為38.5 mm、21.1 mm、32.3 mm、26.7 MPa；當(dāng)與工作面距離20 m 時(shí)，數(shù)據(jù)分別為59.4 mm、29.2 mm、36.3 mm、28.1 MPa?？梢?jiàn)，隨著巷道與工作面距離的減少，巷道圍巖因?yàn)槭芰Φ脑龃螅瑖鷰r變形也逐漸增大，但是整體變形量均較小，巷道最大垂直應(yīng)力為28.1 MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果相似，證明方案可行。

圖2 巷道圍巖受力變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

4 結(jié)論

1）基于數(shù)值模擬方法，分析了不同切頂高度和切頂角度下巷道的受力變形特征，確定了最佳切頂參數(shù)為切頂高度為14 m、切頂角度為70°。

2）對(duì)切頂高度和切頂角度進(jìn)行耦合模擬，得到距離工作面7 m處，巷道受到的最大垂直應(yīng)力為26.45 MPa。

3）工程應(yīng)用表明，采用切頂卸壓技術(shù)后，巷道圍巖變形量較小，最大垂直應(yīng)力為28.1 MPa，與數(shù)值模擬結(jié)果類(lèi)似。