切槽形式及位置对夹矸煤巷卸压效果的影响

张国华， 刘孟森， 李子波， 王 磊， 周文俊

(1.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

由于浅部煤炭资源逐年减少，大多数矿井转向深部开采。大埋深带来的高应力环境在掘进、回采等开采扰动下极易发生围岩失稳现象，因此，大埋深围岩稳定性的研究迫在眉睫[1-3]。目前，大部分煤矿采用主被动联合支护方式，通过卸压措施能降低巷道附近围岩的应力，达到更好的支护效果，进而提高巷道围岩稳定性。卸压措施包括大直径钻孔、深孔爆破、水力压裂、卸压槽等。随着开采深度的增加，垂直应力和水平应力趋于相等，此时切槽卸压效果较钻孔好，且施工难度偏低，而深孔爆破和水力压裂卸压则造成扰动过大，易引发动力灾害，同时在相同卸压效果情况下，卸压槽要比前两者工程量小得多[4-6]。

学者们对巷道布置卸压槽的卸压效果进行了研究。左建平等[7]建立了巷道开挖卸压槽的等效椭圆模型，并用数值模拟软件分析了卸压槽的参数；郭文斌[8]提出了开挖卸压槽爆破来进一步防治冲击地压的方法，并对其卸压效果进行观测；蔡成功[9]通过建立巷道内卸压槽力学模型，结合数值模拟对卸压槽参数进行了分析；梁冰等[10]通过建立卸压槽理论模型并结合数值模拟以及现场实践的方式，对在忻州窑煤矿巷道底板开挖卸压槽的防冲卸压效果进行研究；吴蒸等[11]从理论分析到数值模拟，结合具体工程背景，分析了巷道卸压槽受力情况及其卸压效果；张瑞凯等[12]通过在高应力巷道应力集中部位开挖卸压槽，并对巷道支护情况和围岩应力及位移进行了分析；任连伟等[13]通过数值模拟软件在井壁上布置一、二、三道卸压槽进而对其不同卸压效果进行了分析；张凯等[14]利用数值模拟软件对巷道卸压槽开挖时间及不同位置进行了模拟分析；娄嵩等[15]采用数值模拟及相似模拟结合的方式对大埋深高地应力的矿井开挖卸压槽的尺寸等参数进行了分析；杨战标[16]采用非线性数值模拟软件分析了在不同卸压槽深度和宽度条件下，巷道围岩的应力、位移矢量及塑性区的变化特征。

大多学者对同一岩性巷帮及底板布设卸压槽的宽度、深度等参数进行了研究，但对于夹矸煤巷巷帮切槽卸压研究较少。文中以鸡西市城子河区城子河矿二水平中部采区3B号煤层右一工作面回采巷道为背景，利用FLAC3D数值模拟软件，建立了切槽卸压数值模型，对比分析了布置不同形式与位置卸压槽的巷道围岩侧向支承压力峰值、位置、巷帮移近量，得出了最优切槽方案。此研究可为夹矸煤巷巷帮切槽卸压提供技术指导。

1 工程背景

城子河矿3B号煤层为复杂结构煤层。夹矸位于煤层中上部，厚度约为0.9 m，上下纯煤厚约为0.45 m、2.25 m。夹矸大部分为碳质泥岩，色黑，质软，含碳量高，煤岩柱状图及煤层夹矸情况如图1所示。工作面回采巷道为矩形断面，高3.9 m，宽4.2 m。巷道直接顶为0.8 m的细砂岩，岩性为灰白色，细粒厚层状，坚硬；基本顶为9.73 m的砂页岩，岩性为灰色，细粒厚层状，坚硬；底板岩性为1.8 m的砂页岩夹煤，岩性为灰黑色，致密块状，坚硬。城山矿矿井最大开采深度已接近千米，冲击危险区域较为集中，危险性显著增加。正在开采的3B号煤层右一工作面位于二水平中部采区，在高地应力、采动应力和局部支承压力的叠加作用下，矿山压力显现明显，巷道顶底板及两帮变形量较大，巷道部分支护体系失效严重，已制约矿井运输和正常生产。

图1 煤岩柱状Fig. 1 Coal rock column

2 巷道切槽数值模型与开挖方案

2.1 巷道切槽数值模型

无卸压措施时，巷道围岩在高地应力作用下会出现挤压变形、塑性流动等不稳定现象。巷帮切槽在卸压后，一方面，侧向支承压力峰值向围岩深部转移，改善巷道围岩所处应力环境，进而降低巷道发生冲击危险的可能性；另一方面，卸压槽自身具备一定空间，在巷道发生变形过程中，部分变形量由卸压槽内部消化，可降低巷帮移近量，减少巷道返修工程量。

为此，利用数值模拟软件FLAC3D，对比分析开挖卸压槽前后巷道侧向支承压力p、塑性破坏区分布及巷帮移近量s。除开挖卸压槽外其余条件均相同，数值模拟计算结果如图2所示。记各测点距巷帮距离为l。

图2 有无切槽模拟结果Fig. 2 Simulation results with and without grooves

切槽前后巷道侧向支承压力峰值对比，如图2a所示，切槽后峰值较无切槽有所增加，峰值向岩层深处转移，并由较远处岩体所承受，临近巷道围岩所受到的应力随峰值向岩层深处移动而减小，因而会降低应力集中带来的巷道破坏程度。在图2b中，无支护情况下，切槽后巷帮移近量较未切槽有较大幅度的降低，降低幅度达50.7%。一方面，卸压槽自身具备一定空间，围岩变形可向卸压槽内转移，消化部分变形量；另一方面，巷道所受应力向岩层深部移动，降低了临近巷道侧围岩受力，进而降低巷帮移近量。在图2c、d中，切槽前后巷道围岩均成蝶形破坏，无切槽时巷道围岩塑性破坏区紧邻巷帮，并在巷道四角处出现应力集中，其受力大于围岩承载能力即发生破坏；切槽后巷道四角塑性破坏区几乎消失，由塑性区纵向跨度增大所对应切槽后巷道侧向支承压力峰值增大，深部岩体破坏程度随即增大。巷道与塑性破坏区间存在部分弹性区，表明切槽卸压效果显著。此弹性区也能为锚杆等支护设备提供着力点，进一步增强巷道围岩稳定性。可见，模拟结果符合上述理论分析，故在巷帮切槽对巷道及围岩稳定性具有积极影响。

根据上述分析，可将切槽卸压效果评判指标归纳为：①巷道侧向支承压力峰值向围岩深处移动距离；②巷道侧向支承压力峰值；③巷帮移近量。

2.2 卸压槽开挖方案

根据回采巷道所处岩层地质条件，结合切槽施工难易程度，首先，探究在夹矸煤巷巷帮布置不同形式的卸压槽，如图3所示，即水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽对巷道围岩卸压效果的影响，得出最优切槽形式；然后，根据图1所示煤层夹矸情况，分别在巷帮上部煤层、夹矸及下部煤层中切槽，进一步探究不同切槽位置对该夹矸煤巷卸压效果的影响。

图3 不同形式的切槽Fig. 3 Different grooves

3 数值模拟分析

3.1 模型的建立与边界条件

为研究在夹矸煤层回采巷道巷帮布设不同形式与位置卸压槽对卸压效果的影响，根据工程地质条件，利用数值模拟软件FLAC3D建立模型，岩体力学参数如表1所示。其中，K为体积模量，G为剪切模量，φ为摩擦角，γ为容重，c为内聚力，σt为抗拉强度。为避免边界效应与观测巷道所受侧向支承压力峰值与位置影响，巷道四边距边界均取20 m，模型尺寸为44.2 m×3.0 m×44.0 m，如图4所示。在模型中部开挖巷道，在巷帮对称布置卸压槽，巷道断面为矩形，高3.9 m，宽4.2 m。将开挖巷道及卸压槽部位进行网格细化，最小单元体尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，模型共174 136个节点，203 209个单元体。首先，探究不同形式卸压槽对卸压效果的影响，即水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽，然后根据分析结果并结合巷帮煤层及夹矸分布情况在上部煤层、夹矸及下部煤层中进行切槽研究其对卸压效果的影响。

表1 岩体力学参数

模型边界条件：底面施加垂直位移约束，侧面施加水平位移约束。模型模拟埋深为900 m，平均容重取24.00 kN/m3，故在模型顶部施加21.6 MPa的垂直应力，不考虑岩体构造应力及边界效应，模型采用摩尔-库伦屈服准则，根据岩层分布情况将模型分组，如图4所示。

图4 切槽卸压数值模型Fig. 4 Numerical model of groove relief

3.2 不同形式卸压槽卸压效果分析

根据现有研究[7]，卸压槽尺寸取深2.6 m、宽0.3 m，在巷帮布置水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽，其他条件均一致。根据卸压效果评判指标进行分析。

巷道在布置不同形式卸压槽后，围岩侧向支承压力峰值及所处位置如图5所示。相较无切槽而言，水平切槽、斜式切槽和立式切槽巷道侧向支承压力峰值分别增大了10.0%、11.9%、9.7%，三者峰值向围岩深处分别移动了1.52、1.01、0.51 m。可见，切槽卸压虽然使侧向支承压力峰值向岩层深处转移，但增大了应力峰值，符合切槽卸压数值模型分析。水平切槽和立式切槽侧向支承压力峰值增大幅度相差较小，但水平切槽向围岩深处移动距离为立式切槽的近3倍，斜式切槽侧向支承压力峰值增大幅度最大，其向围岩深处移动距离居中。侧向支承压力峰值向围岩深处移动距离越大，且峰值增大幅度越小，就越有利于维持巷道稳定。由上述分析可知，不同形式切槽中水平切槽卸压效果较好。

图5 不同形式切槽巷道围岩侧向支承压力Fig. 5 Lateral abutment pressure of surrounding rock in different forms of grooved roadway

巷道在无支护情况下，不同形式切槽的巷帮移近量如图6所示。相较无切槽巷帮而言，水平切槽、斜式切槽和立式切槽的巷帮移近量分别降低了41.8%、40.8%、37.3%，降低幅度明显，能较好地维持巷道稳定。不同形式的切槽巷帮移近量降低幅度依次减少且变化较小，表明切槽形式对巷帮移近量影响不大。巷帮切槽在卸压后，原本要向巷道临空侧产生的位移部分转移到开挖的卸压槽空间内，提供围岩变形空间，并消耗围岩积聚的弹性能，降低巷帮移近量，进而维持巷帮稳定，预防发生大变形或片帮等事故。比较3种切槽形式，水平切槽巷帮移近量最小。

不同形式的切槽槽深和槽宽都是相同的，故斜式切槽的工程量和施工难度较水平切槽和立式切槽大。综合比较3种切槽形式，水平切槽对巷道卸压效果最优。

图6 不同形式切槽巷帮移近量Fig. 6 Nearness of roadway side in different forms of grooving

3.3 不同位置卸压槽卸压效果分析

由不同形式切槽模拟分析，水平切槽对巷道卸压效果最优，故在此只布设水平切槽。根据巷帮煤层及夹矸相对位置(巷帮夹矸位置如图1所示)，分别在巷帮上部煤层、夹矸和下部煤层等3处进行切槽，以此来探究当回采巷道巷帮煤体中含有夹矸时，切槽位置对巷道卸压效果的影响，并分析得出最优切槽位置。

巷道在布置不同位置卸压槽后，巷道围岩侧向支承压力峰值及所处位置如图7所示。相对无切槽而言，在巷帮上部煤层、夹矸和下部煤层处切槽巷道侧向支承压力峰值分别增大了18.7%、12.4%、13.7%，且分别向围岩深处移动了2.03、1.01、1.52 m。其中，在夹矸和下部煤层中切槽后，侧向支承压力峰值相近，但后者向围岩深处移动距离比前者多0.51 m，两者相比在下部煤层中切槽卸压效果较好；在上部煤层中切槽，围岩侧向支承压力峰值向围岩深部移动距离比下部煤层多0.51 m，但其增长幅度较大。一方面，切槽卸压会使应力峰值向围岩深部移动，但要以峰值增大为代价，在工程应用切槽卸压时要尽量降低此代价；另一方面，巷道围岩随着所受应力的增加积聚的能量也会随之增加，随着工作面的推移，巷道实体煤侧的支承压力也会逐渐增大，加上掘进、采动等动力扰动的影响，极易引发动力灾害事故。由此，在研究不同切位时，要使侧向支承压力峰值增长幅度处于较小范围。在巷帮下部煤层切槽既能使侧向支承压力峰值增大幅度偏低，又能使其向岩层深处移动较大距离，故在巷帮下部煤层中切槽卸压效果较好。

图7 不同位置切槽巷道围岩侧向支承压力Fig. 7 Lateral abutment pressure of surrounding rock of grooved roadway at different positions

在无支护情况下不同位置切槽的巷帮移近量如图8所示。

图8 不同位置切槽巷帮移近量Fig. 8 Nearness of slotted roadway side at different positions

由图8可见，相较无切槽而言，在巷帮上部煤层、夹矸和下部煤层中切槽巷帮移近量分别降低了8.2%、31.4%、62.1%。3种位置切槽后巷帮移近量降低幅度相差较大，说明切槽位置对巷帮移近量影响亦较大。其中，在下部煤层中切槽卸压巷帮移近量降低幅度最大，分别为在上部煤层、夹矸中切槽的近8倍、2倍。不同位置切槽卸压使巷帮原本向巷道临空侧产生的位移转向了卸压槽空间，既使巷道产生应有位移，发生塑性破坏，释放巷道围岩所积聚的能量，进而侧向支承压力向围岩深部移动，又能降低巷帮移近量，维持巷道稳定性，减少巷道返修工程量，增加巷道服务年限。比较3种切槽位置，在下部煤层中切槽，巷帮移近量降低幅度最大。

3种不同位置切槽，开槽的工程量和施工难度差别不大。综上所述，在巷帮下部煤层中切槽卸压对巷道卸压效果最优。

4 结 论

(1)回采巷道巷帮切槽卸压，可有效降低巷帮移近量，巷道围岩侧向支承压力峰值向围岩深部移动，巷道自身塑性破坏明显减少，蝶形塑性区向围岩深处移动，且与巷帮间存在部分弹性区，可为锚固体提供着力点。

(2)不同形式的切槽，巷道侧向支承压力峰值和巷帮移近量变化不及5%。水平切槽使应力峰值向围岩深部移动1.52 m，故水平切槽卸压效果最优。

(3)不同位置的切槽，下部煤层切槽侧向支承压力峰值与位置均居中，但其巷帮移近量降低62.1%，降幅分别为上部煤层切槽和夹矸切槽的近8倍、2倍，能更好的维持巷道稳定。故夹矸煤巷切槽卸压效果最优方案为在巷帮下部煤层布设水平切槽。