董东矿沿空留巷切顶卸压对底板受力影响分析

席小平，樊 刚，乔懿麟，边海清

（1.陕西澄城董东煤业有限责任公司，陕西 渭南 715200；2.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065）

沿空留巷作为无矿柱巷道，不存在矿柱及矿柱下方集中应力状况，传统沿空留巷由于存在巷旁充填体，其通过应力传递依旧存在充填体下方矿体应力集中现象。切顶沿空留巷是通过对采空区侧巷道上方顶板进行切断，让采空区顶板自行垮落，整体下沉，并起到卸压作用。本文通过数值模拟的方法，对比分析宽矿柱、窄矿柱、切顶沿空留巷的受力情况，确定切顶沿空留巷的卸压作用。

1 试验工作面概况

以董东矿矿50107工作面为研究对象，该工作面总体位于DD2号簸萁向斜构造区，工作面北高南低，西高东低，矿层倾向变化较大，倾角在3°～6°。

50107工作面倾斜长度为117m，走向长度为224m。回采层是5号矿层，矿层厚2.6m～5.0m，平均厚3.4m，属较稳定矿层，一般含夹矸一至二层，下矸较稳定，厚0.2m～0.6m，夹矸多为炭质泥岩及砂质泥岩，在5号矿层与K4之间，厚0.1m～0.3m。

2 模型建立

模拟采用FLAC3D软件，建立模型如图1所示，由Generate命令生成，尺寸为长（X）×宽（Y）×高（Z）=350m×20m×52m。

图1 数值模拟模型

3 不同开采条件下围岩受力分析

根据现有工作面矿柱的调研，工作面之间宽矿柱留设25m，由图2、图3可知，矿柱所受垂直应力呈现“双峰”状态，距离采空区侧矿柱的集中应力明显大于巷道侧的集中应力。

左侧最大集中应力为38.3MPa，集中系数为3.83。右侧最大集中应力为21.5MPa，集中系数为2.15。左侧集中应力系数为右侧的1.78倍。

造成此种现象的原因是由于工作面回采和巷道开挖的应力扰动，造成应力叠加。

图2 宽矿柱垂直应力云图

图3 宽矿柱下垂直应力曲线图

研究窄矿柱的受力情况，工作面之间窄矿柱留设5m，由图4、图5可知，矿柱所受垂直应力由宽矿柱的“双峰”状态转化为“单峰”状态，集中应力出现在矿柱的中部，最大集中应力为52.53MPa，集中系数为5.25，为宽矿柱集中系数的1.37倍。由此可知，窄矿柱的集中应力明显大于宽矿柱的集中应力。

图4 窄矿柱垂直应力云图

图5 窄矿柱垂直应力曲线图

研究沿空留巷切顶前后围岩受力情况，垂直应力最大值出现在巷道右侧4m范围内，最大集中应力分别为28.4MPa、21.3MPa，集中系数分别为2.84、2.13。对比分析窄矿柱、宽矿柱受力情况，沿空留巷整体表现为应力减小，且切顶沿空留巷的卸压效果更明显，更有利于维护围岩稳定。

图6 窄矿柱二次采动塑性区

图7 宽矿柱二次采动塑性区

图8 切顶沿空留巷一次采动塑性区

4 不同开采方式下塑性区分析

通过数值模拟计算，图6为窄矿柱二次采动塑性区，窄矿柱二次采动底板塑性区最大深度为14m，由于计算过程中窄矿柱失稳破坏，未将顶板压力完全传递到底板，因此在此类情况下，高强度窄矿柱所导致底板破坏深度远大于14m。

图7为宽矿柱二次采动塑性区，宽矿柱二次采动底板塑性区最大深度为16.5m，由于矿柱底下产生集中应力，因此其底板破坏深度大于工作面下方底板破坏深度。

图8为切顶沿空留巷一次采动塑性区，切顶沿空留巷一次采动塑性区最大深度为10.5m。由图可知，由于切顶效应，底板整体破坏深度比较均匀。

对比分析图6、图7、图8可知，切顶沿空留巷整体卸压效果比较明显，最大破坏深度相对较小。

5 结语

（1）对比分析窄矿柱、宽矿柱、沿空留巷围岩受力情况，表明切顶沿空留巷卸压效果比较明显，有利于围岩控制。

（2）对比分析窄矿柱、宽矿柱、沿空留巷围岩塑性区，通过底板破坏深度比较，表明切顶沿空留巷卸压效果明显，有利于减小底板破坏深度。

（3）切顶沿空留巷有很好的卸压效果，有利于巷道围岩控制。