董 波

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 030600 ）

0 引言

煤炭是我國(guó)基礎(chǔ)能源，占我國(guó)能源消費(fèi)比例70%，在我國(guó)能源體系中占據(jù)的主體地位不可動(dòng)搖。沿空留巷是指采用一定的技術(shù)將上一區(qū)段的順槽重新支護(hù)從而用于下個(gè)工作面開(kāi)采的技術(shù)，但在沿空留巷過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)由于巷覆巖自重等原因造成的巷道大變形現(xiàn)象，所以對(duì)沿空留巷穩(wěn)定性研究是十分重要的。目前針對(duì)頂板問(wèn)題常見(jiàn)的方法為爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓、靜力切頂卸壓，但在切頂卸壓過(guò)程中，由于切頂參數(shù)設(shè)定不合理導(dǎo)致未達(dá)到理想切頂效果的情況屢有發(fā)生。本文以斜溝礦18505 工作面為背景，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同切頂參數(shù)下巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，計(jì)算出科學(xué)的切頂參數(shù)，給出巷道支護(hù)優(yōu)化提供參考。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處，礦井面積約88.6 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0 Mt/a，現(xiàn)主要開(kāi)采2#、8#煤層。18505 工作面位于該礦15 采區(qū)，主要開(kāi)采山西組8#煤層，工作面標(biāo)高+832～+987 m，開(kāi)采煤層厚度2.60～5.90 m，平均厚度3.9 m，煤層平均傾角9.6°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～2 層泥巖夾矸，其中煤層上層夾矸較穩(wěn)定，厚0.10～0.30 m，下層夾矸不穩(wěn)定，局部尖滅。

2 切頂穩(wěn)定性分析

在煤層開(kāi)采結(jié)束后，頂板巖層會(huì)經(jīng)歷壓實(shí)、分離等運(yùn)動(dòng)，此時(shí)基本頂?shù)年P(guān)鍵塊會(huì)形成梁拱結(jié)構(gòu)[1]。在巖塊運(yùn)動(dòng)中，此時(shí)關(guān)鍵塊失去側(cè)向約束，由于水平方向無(wú)約束使得巖塊的自重施加于覆巖上，此時(shí)懸臂梁長(zhǎng)度越大，煤體及巖層受到的載荷就越大，能量聚集也就越大，根據(jù)平衡方程式（1）可知：

式中：γi為基本頂及上方軟弱巖層體積力，kN；hi為基本頂及上方軟弱巖層第i 層厚度，m；B 為煤柱的寬度，m；L 為基本頂懸臂梁的長(zhǎng)度，m；w 為沿空巷道的寬度，m；xo為基本頂斷裂線(xiàn)距離沿空留巷的距離，m。依據(jù)關(guān)鍵層理論，由于軟弱巖層的承載能力較弱且自身強(qiáng)度較小，無(wú)法有效形成鉸接結(jié)構(gòu)，下方覆巖復(fù)雜、承載上方自重，老頂懸臂長(zhǎng)度越大，懸臂結(jié)構(gòu)的下沉量也就越大。根據(jù)變形的相關(guān)特征，沿空留巷的頂板下沉最大量可以根據(jù)公式（2）求得：

式中：c 為頂板下沉最大量；m、s 為基本頂和軟弱層的厚度。根據(jù)公式（2）可以看出，隨著懸臂長(zhǎng)度的增大，頂板對(duì)巷道圍巖的載荷也就越大，此時(shí)由于巷道支撐能力不足使得頂板下沉也就越大，所以為了保證巷道頂板下沉及巷道圍巖的變形，需要對(duì)巷道的頂板懸臂長(zhǎng)度進(jìn)行減短，以此來(lái)保證巷道的穩(wěn)定性。同時(shí)當(dāng)預(yù)裂懸臂長(zhǎng)度較小時(shí)，此時(shí)需求的工程成本會(huì)有所上升，當(dāng)預(yù)裂懸臂長(zhǎng)度較大時(shí)，巖塊間會(huì)形成梁拱結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接垮落，所以合理的切頂高度對(duì)巷道穩(wěn)定性的保證十分重要[2]。

3 數(shù)值模擬研究

利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同切頂高度下巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，選用UDEC 軟件進(jìn)行模型建立，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)在模型巷道位置進(jìn)行細(xì)劃分，在模型邊界進(jìn)行粗劃分，確保計(jì)算精度的同時(shí)保證計(jì)算速度，完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)物理參數(shù)設(shè)定，對(duì)切頂高度4、8、15、16 m 下巷道圍巖變形進(jìn)行模擬研究，匯總不同切頂高度下巷道圍巖變形曲線(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 不同切頂高度下巷道圍巖變形分析

由圖1 可以看出，不同切頂高度下巷道左幫變形量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，當(dāng)切頂高度為4 m 時(shí)，此時(shí)左幫移近量為0.234 m；當(dāng)切頂高度為16 m 時(shí)，此時(shí)巷道左幫移近量為0.182 m。巷道右?guī)碗S著切頂高度的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)切頂高度為15 m 時(shí)，巷道右?guī)妥冃瘟孔钚?.268 m。觀(guān)察不同切頂高度下巷道頂板及底板變形曲線(xiàn)可以看出，隨著切頂高度的增大，巷道頂板及底板位移量均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，當(dāng)切頂高度為4 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板及底板變形量分別為0.4 m、0.265 m；而當(dāng)切頂高度為16 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板及底板變形量分別為0.255 m、0.2 m；但當(dāng)切頂高度大于8 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板及底板變形量變化趨勢(shì)有所下降。綜合分析不同切頂高度下巷道圍巖變形情況后，確定最佳切頂高度為15 m。對(duì)不同切頂角度下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，選定切頂角度分別為0°、3°、6°、9°、15°進(jìn)行模擬研究，本文僅展示切頂角度為9°下巷道圍巖應(yīng)力、變形云圖，如圖2 所示。

圖2 切頂角度9°下巷道圍巖應(yīng)力變形云圖

由圖2 可知，當(dāng)切頂角度為9°時(shí)，此時(shí)模型的應(yīng)力集中區(qū)域距沿空留巷巷幫十分遠(yuǎn)，此時(shí)對(duì)巷幫支護(hù)影響較小，模型應(yīng)力集中距離巷幫的距離約為7 m，巷道的垂直應(yīng)力最大值為11 MPa，模型內(nèi)部存在明顯的卸壓區(qū)，卸壓區(qū)的最大應(yīng)力值為8 MPa。同時(shí)根據(jù)垂直位移云圖可以看出，巷道垂直位移量為300 mm，在此切頂卸壓角度下巷道圍巖變形量控制量最佳，所以最佳切頂角度為9°。

4 切頂卸壓實(shí)踐

在確定最佳切頂角度9°、最佳切頂高度15 m后，進(jìn)行切頂卸壓實(shí)踐，巷道支護(hù)方案如下：錨索采用“二二”布置方式，錨索尺寸椎15.2 mm×7 200 mm，錨索托盤(pán)采用弧形托盤(pán)，尺寸為300 mm×300 mm×16mm。錨索采用一支MSCK2350 和兩支MSK2350 進(jìn)行錨固，設(shè)定錨索預(yù)緊力為150 kN。錨桿采用椎18mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm、800 mm，每排4 根。每支錨桿采用一支MSCK2350 樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固。錨固力不得小于80 kN，錨索的扭矩設(shè)定為150 N·m。錨桿采用方形拱托盤(pán)，方形托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm，同時(shí)巷道采用菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm，相鄰網(wǎng)孔用雙股14 號(hào)鐵絲綁扎，巷道支護(hù)斷面，如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）

對(duì)切頂卸壓后的巷道圍巖變形進(jìn)行分析，巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

由圖4 可知，隨著監(jiān)測(cè)天數(shù)的增加，巷道圍巖變形量呈現(xiàn)先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)天數(shù)為0～5 d時(shí)，此時(shí)圍巖變形量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，巷道圍巖變形量大多來(lái)源于此階段；當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)為5～15 d 時(shí)，此時(shí)巷道圍巖變形量緩慢增加，增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩[3]；當(dāng)監(jiān)測(cè)天數(shù)為15 d 后，在此階段巷道圍巖變形量幾乎達(dá)到平穩(wěn)，只存在微小的增長(zhǎng)，對(duì)于整體變形來(lái)說(shuō)幾乎可以忽略不計(jì)。綜合分析可以看出，巷道頂板下沉量為32 mm，巷道底鼓量為26 mm，巷道兩幫的移近量為35 mm。由此可以看出，經(jīng)過(guò)切頂卸壓后巷道圍巖變形量明顯較小，巷道圍巖變形整體處于可控狀態(tài)，切頂卸壓沿空留巷方案成功。

5 結(jié)論

1）斜溝礦采用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同切頂高度下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切頂高度為15 m時(shí)，此時(shí)巷道圍巖變形量綜合比較最佳。

2）利用數(shù)值模擬對(duì)不同切頂卸壓角度下巷道垂直應(yīng)力變形云圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切頂卸壓角度為9°時(shí)，此時(shí)巷道圍巖變形控制量最佳。