切顶卸压沿空留巷围岩控制效果数值模拟研究

邓晓刚，栾恒杰，刘建荣

（1.山东能源临沂矿业集团 技术中心，山东 临沂 276017；2.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；3.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016299）

煤炭地下开采中主要采用长壁开采方法，随开采深度不断增加，因留设煤柱导致的巷道灾害问题也越来越严重[1]。沿空留巷是解决这些问题的有效途径，其技术优势和经济效益显著[2-5]。何满潮等[6-9]提出了沿空切顶成巷无煤柱开采方法，简称“110工法”，总结了切顶卸压作用机理，并基于该方法开发了配套的聚能爆破、恒阻大变形锚杆等关键技术。郭志飚等[10]、高玉兵等[11]、郭鹏等[12]、宋立兵等[13]、童碧等[14]等分别在不同地质条件下成功实施了“110工法”，促进了切顶卸压技术的发展。王炯等[15]通过相似材料模拟实验，对比分析了切顶与非切顶情况下巷道围岩变形规律。孙晓明等[16]对薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数进行了研究。杨森等[17]对无巷旁充填切顶卸压沿空留巷前后矿压显现规律及关键支护技术进行了系统研究。韩昌良等[18]在阐明沿空留巷支护应力环境的基础上，建立了侧向悬臂断裂结构力学模型，得到了顶板给定变形方程。杨军等[19]分析了切顶卸压条件下的顶板结构和运动过程，建立力学模型推导了顶板在各阶段的变形量计算公式。朱珍等[20]分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机理，建立了沿空留巷围岩结构模型。综上可知，目前在切顶卸压沿空留巷围岩控制技术相关的理论和现场实践方面已有了诸多研究，但切顶卸压对巷道围岩受力特点与变形规律影响方面的研究仍有待深入。为此，采用块体离散元软件UDEC开展数值模拟，对沿空留巷侧向顶板悬顶与垮落2种情况下的巷道围岩受力变形特征进行深入分析，研究切顶卸压对沿空留巷围岩控制效果的影响规律。

1 切顶卸压沿空留巷数值模拟方案

1.1 工程背景

以某矿3203工作面为工程背景。工作面倾斜方向的长度为224 m，走向方向长度平均为420 m，可采储量14.3万t。工作面开采煤层为2#煤层，煤层平均埋深为550 m，平均厚度为1.37 m，平均倾角为3°，普氏系数为3～4。3203工作面开采时在轨道巷中进行沿空留巷，保留巷道宽度3.4 m，平均高度约2.7 m，相邻工作面开采时复用。

1.2 数值模型

模型尺寸为335 m×100 m（长x×高y），两侧分别设置50 m宽的煤柱作为边界。数值模型中煤层上方顶板岩层高度为68 m，在模型上表面施加12.05 MPa的均布补偿载荷模拟岩层自重。模型两侧边界采用水平约束，限制模型水平方向上的运动，底部采用固定边界。为了提高计算效率，在地层综合柱状图基础上对煤岩层厚度进行适当调整。模型煤岩体的本构模型选为摩尔-库伦模型，节理及煤岩体的物理力学参数见表1和表2。

表1 数值模型煤岩体节理物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock joints in numerical model

表2 数值模型煤岩体物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock in numerical model

1.3 数值模拟计算方案

数值模拟中根据顶板切落情况设置2组方案，通过对比分析2组方案下巷道围岩应力分布和变形规律，研究切顶卸压对巷道围岩控制效果的影响。其中，方案1在工作面开挖后不对直接顶进行人为干预，随工作面开挖直接顶可自然变形沉降，产生悬顶结构；而在方案2中通过人为设置切缝，使直接顶破断后垮落至采空区。

数值模拟步骤如下：首先在工作面的两侧开掘巷道，之后在巷道靠近采空区侧设置巷旁支护墙体，墙体的宽度为1.2 m，高度为3.0 m。在煤层（y=31 m）、直接顶（y=34 m）和基本顶（y=38 m）中分别设置应力监测线，监测煤岩体中的应力分布规律。在沿空巷道的顶板（x=52 m，y=33 m）、底板（x=52 m，y=30 m）、煤帮（x=50 m，y=31.5 m）和墙体帮（x=53.8 m，y=31.5 m）分别设置位移监测点，监测巷道围岩变形演化规律。

2 切顶卸压沿空留巷围岩控制效果分析

2.1 沿空巷道围岩应力特征

直接顶悬顶时巷道围岩垂直应力特征如图1和直接顶垮落时巷道围岩垂直应力特征图2。

图1 直接顶悬顶时巷道围岩垂直应力特征Fig.1 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

图2 直接顶垮落时巷道围岩垂直应力特征Fig.2 Vertical stress characteristics of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由图1、图2可以看出，无论沿空巷道外侧采空区上方的直接顶是否垮落，实体煤和墙体位置处都表现出显著的应力集中，而巷道顶、底板均呈现应力降低状态。沿空巷道的围岩应力分布特征在直接顶切落与悬顶2种状态下存在一定的差别。从图1可以看出，工作面开采后，在采空区上方直接顶悬顶状态下，煤帮侧最大垂直应力为27.52 MPa，巷旁支护墙体中的最大垂直应力为21.66 MPa，其应力集中系数分别为2.00和1.58。从图2中可以看出，在采空区上方直接顶切落状态下，煤帮侧最大垂直应力为24.88 MPa，巷旁支护墙体中的最大垂直应力为14.96 MPa，其应力集中系数分别为1.81和1.09。相对于直接顶悬顶状态，直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49。这是因为在直接顶未垮落状态下，顶板向采空区回转变形，将严重挤压巷道围岩，导致围岩应力显著增加。而人为切顶导致采空区上方直接顶有效垮落，采空区部分上覆岩层的质量不再向巷道周围的煤岩体中传递，且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用，这也有助于降低沿空巷道所承受的采动压力。

2.2 沿空巷道围岩变形特征

模拟的巷道围岩变形云图如图3和图4。

图3 直接顶悬顶时巷道围岩变形云图Fig.3 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof hanging state

图4 直接顶垮落时巷道围岩变形云图Fig.4 Deformation of roadway surrounding rock under direct roof caving state

由图3和图4可以看出，直接顶未垮落时，其向采空区回转变形时会导致沿空巷道围岩被挤压变形，围岩应力显著增加，进而造成巷道围岩严重变形，表明在直接顶未垮落状态下，工作面采动会严重影响巷道围岩控制效果。而在直接顶垮落时，其对巷道的挤压作用明显减弱，作用在巷道两帮的围岩应力显著降低，巷道围岩变形得到有效控制，表明在直接顶未垮落状态下，工作面采动对沿空巷道围岩变形的影响可显著降低。

通过监测得到的2种直接顶状态下的沿空巷道变形规律如图5和图6。

由图5和图6可知，2组模拟方案下巷道围岩变形在初始阶段都首先表现出急剧增加的趋势，之后随着工作面不断推进，巷道变形速度不断下降并趋于稳定。但在2种方案下沿空巷道围岩变形程度存在一定差别。由图5可以看出，直接顶未垮落时，沿空巷道变形中顶板下沉最为严重，其次为底板鼓起，再者为煤帮内移，墙体内移量最小，巷道围岩变形量较大；由图6可以看出，直接顶垮落时，沿空巷道变形中则是底板鼓起最为严重，其次为顶板下沉，再者为煤帮内移，墙体内移量最小，巷道围岩变形量处于可控范围。

图5 直接顶未垮落状态下巷道围岩变形规律Fig.5 Deformation law of roadway surrounding rock under direct roof hanging

直接顶未垮落状态下沿空巷道的顶板沉降、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量分别为881.3、745.5、297.5、234 mm，而在直接顶垮落状态下分别为238.9、296.9、217.8、57.8 mm，相对于直接顶未垮落状态下变形量，分别降低73%、60%、27%、75%。可见，直接顶悬顶时沿空巷道围岩的变形量远大于基本顶垮落状态下，说明直接顶悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因。因此，在人工切顶情况下，巷道采空区侧向顶板可及时垮落，减轻开采对巷道围岩扰动，巷道围岩变形量呈现显著的降低。此外，还可看出，直接顶未垮落状态下，巷道围岩变形量在长时间内持续增加，而在直接顶垮落状态下，巷道围岩变形量可以更早的趋于稳定，避免覆岩运动对巷道的长时间持续扰动。

3 结论

1）采空区上方直接顶未垮落状态下，煤帮侧最大垂直应力为27.52 MPa，巷旁支护墙体中的最大垂直应力为21.66 MPa；在采空区上方直接顶切落状态下，煤帮侧最大垂直应力为24.88 MPa，巷旁支护墙体中的最大垂直应力为14.96 MPa。相对于直接顶悬顶状态，直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49。

2）直接顶垮落状态下沿空巷道的顶板沉降、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量相对于直接顶未垮落状态下变形量，分别降低73%、60%、27%和75%。直接顶悬顶时沿空巷道围岩的变形量远大于基本顶垮落状态下，说明巷道侧向悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因。

3）直接顶未垮落状态下，沿空巷道顶板向采空区回转变形，将严重挤压巷道围岩，导致围岩应力显著增加。人为切顶会导致采空区上方直接顶有效垮落，且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用，也有助于降低巷道围岩压力。