近距离煤层群切顶留巷覆岩应力及变形响应研究

杨红运，刘延保，李 勇，潘瑞凯，王 辉，曹树刚

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

通过顶板定向预裂切缝，切断部分顶板的矿山传递压力，同时加强支护回采巷道顶板。在采空区侧顶板岩层矿山压力作用下，顶板部分岩体被切落，实现自动成巷和无煤柱开采，该技术变被动“支”为主动“切”与“支”，使矿山压力变害为利[1-2]。2010年，该技术在白皎煤矿2422保护层开采工作面机巷成功应用以来，得到了大力推广，相关研究也更加深入[3-8]。

对于巷道围岩应力及变形演化特征，迟宝锁等[9]将留巷期间巷道变形及结构受力的演化过程分为4个阶段，将留巷复用期间巷道变形及结构受力的演化过程分为3个阶段；陈上元等[10]研究认为合理的切顶参数能够切断巷道顶板与采空区岩层间的力学关系，使采空区顶板沿切缝顺利垮落，碎胀的矸石可有效支撑上覆顶板，限制其回转下沉，减弱覆岩运动对留巷的扰动作用，沿空巷道围岩变形量明显减小；高玉兵等[11]认为切顶高度和切顶角度等参数对巷道围岩的整体变形及矿压分布有重要影响，切顶高度影响采空区矸石的碎胀体积及其对切顶短臂结构的作用力，切顶角度主要影响采空区顶板在垮落中对切顶短臂结构的动态下坠力及稳定后对切顶短臂结构的稳态支撑力；何满潮等[12-13]对无煤柱自成巷切缝前后工作面及巷道的矿压分布规律、演变机制进行系统研究，认为切缝引起的充填结构的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因，来压控制关键层上的有效荷载减小是导致来压步距增大的根本原因。充分利用采空区碎胀矸石的自承载特性和巷道围岩的协同支撑作用，可有效减小支护强度，增强巷道稳定性。

已有研究对切顶留巷围岩应力及变形特征开展了深入分析，但相关研究成果依托工程的煤层赋存条件相对单一，地质条件简单。为了更加深入了解复杂赋存地质条件下切顶成巷围岩应力及变形响应规律，笔者在已有研究基础上开展近距离煤层群切顶成巷相似模拟试验，分析多巷道切顶成巷过程大范围覆岩应力及变形演化特征，以及对切顶成巷效果的影响。

1 工程地质条件

白皎煤矿开采24采区二煤层(B4)、三煤层(B3)及四煤层(B2)。二煤层(B4)厚度为0.8～1.4 m，平均厚度1.1 m；三煤层(B3)厚度为0.5～1.8 m，平均厚度1.3 m；四煤层(B2)厚度为0.8～2.4 m，平均厚度1.9 m。二、三煤层间距为2.8～6.2 m，平均间距为4.5 m；三、四煤层间距为1.2～3.7 m，平均间距为 2.5 m。研究区域内煤层开采时相互有较大影响，为近距离煤层群。煤层走向330°～340°，倾向240°～250°，倾角9°～15°，平均倾角10°。研究区域内含煤岩系地层见参考文献[14]。

B4煤层、B3煤层及B2煤层预切顶成巷巷道分别为2442、2443及2444运输平巷，层间巷道内错水平布置，其平面、剖面见图1[15]。煤层间及区段均为下行式开采。

图1 回采巷道布置平面、剖面图

2 相似材料模型试验设计

2.1 相似材料参数选择

相似材料模型试验台尺寸为2.0 m×2.0 m×0.3 m[15]。由于试验过程中横向采动范围较大，选择的几何相似比应尽量减小试验台端部效应影响，同时便于相似材料的铺设和岩层变形分析，最后根据巷道几何尺寸和埋深情况确定模型几何相似比[16-17]CL=LM/LH=1/50(LM为模型尺寸，LH为实际尺寸)，容重相似比Cγ=0.667，强度相似比Cσ=CLCγ=0.013 34。

相似材料参数选取一般以岩石单轴抗压强度为主要相似物理量。实际及模型煤岩石单轴抗压强度及密度见表1。其中，2442顶板岩体强度较大。模型采用细河沙为骨料，碳酸钙、石膏为胶结材料[18]。

表1 实际与相似模型岩石物理力学参数

2.2 试验模型装配

模型设计方案如图2所示。煤层倾角为10°，先将试验台旋转10°，实现模型水平铺设。在模型铺装完成后，再将试验台旋转回到水平状态，待模型材料自然干燥后，进行平面应力状态模型试验。

图2 模型装配设计及过程

3 模型加载测试及开挖过程

2442运输平巷埋深518 m，模型巷道上方只能模拟52 m厚上覆岩层重力。上覆岩层平均密度取 2 500 kg/m3，按照相似比计算得到其余岩层载荷为0.155 MPa，采用千斤顶加载补偿。在煤层及其顶板中部布置16个水平间距70 mm并已标定的压力盒，其直径为28 mm、厚度为7 mm。模型布置方式见图3。

图3 相似模拟模型布置图

在模型加载应力平衡后对压力盒数据清零，以便分析开挖前后围岩应力变化规律。模型开挖顺序见图4。

图4 相似模拟模型开挖顺序框图

其中，煤层顶板切顶面偏移垂直面的夹角(切顶偏移角)为10°；厚层顶板切顶高度h′按照采空区垮落矸石能充满采空区要求施工。切顶高度设计示意图见图5。

图5 切顶高度设计示意图

开挖过程采用Sigmar ASMD3-16应变仪及相关配套装置采集压力盒数据。同时，在模型表面用墨盒标定出边长10 cm的正方形，并通过照相机不断获取开挖过程模型表面图像，以捕获模型表面裂纹扩展信息。

4 煤层顶板切顶成巷岩层应力及变形破坏演化特征

试验开始后将压力盒压力数据按照相似比转化，定义压缩应力为正值，膨胀应力为负值。

4.1 B4煤层切顶成巷岩层应力及变形破坏演化特征

2442巷道顶板切顶并开挖完B4煤层后，采场巷道区域内压力盒应力变化数据见图6。开挖过程中，11#与12#压力盒无监测数据，未对其进行处理。

A—开挖巷道时间点；B—开始切顶时间点；C—开挖煤层时间点；D—切顶垮落时间点。

1)2442巷道围岩应力响应

开挖2442运输平巷后，煤帮侧13#压力盒压力有所增加，说明压力向煤帮转移；而顶板14#、15#及16#压力盒压力稍有降低，出现负值，表明巷道顶板岩体开始卸压；随着切顶垮落，2442运输平巷顶板压力盒压力急剧下降，如图6中圆圈所示，说明顶板岩体卸压明显。

随着顶板岩体进一步垮落及向倾斜方向滑动并挤压采空区下部垮落岩体，形成对巷道顶板岩体支撑作用，B4煤层开采后上覆岩层裂纹及压力分布特征见图7。加上侧向支承压力不断转移及逐渐增大，高位顶板15#及16#压力盒压力恢复，最高接近30 MPa，呈现高压力状态；但是从图7看出，16#压力盒位置水平岩层产生裂纹，整体向右旋转，岩层错动变形，16#压力盒数据增加较少，而15#压力盒位置处岩层未产生裂纹，整体向右旋转，岩层完整未破坏，压力增加明显；低位顶板14#压力盒压力虽有所恢复，但仍然为负值。

图7 B4煤层开采后上覆岩层裂纹及压力分布特征

煤层开挖完后，支承压力向侧向深部岩体转移，压力盒压力又开始下降，最后趋于阶段稳定状态；由于巷道上方14#压力盒位置靠近所切顶板，其压力几乎未恢复，处于卸压状态。切顶垮落后巷道顶板岩体压力变化趋势可简化为如图8所示，顶板岩体依次经历卸压段、增压段及卸压段，可以发现本煤层开挖完后，应力环境有利于2442切顶巷道顶板岩体稳定。

图8 巷道顶板岩体压力变化趋势

2)2443、2444巷道围岩应力响应

当煤层开挖接近2443、2444巷道区域时，受前方支承压力作用，1#～5#、6#～10#压力盒压力逐渐增大，一旦煤层开挖过压力盒上方，压力瞬间下降，并出现负值，说明B4煤层底板卸压。B4煤层开挖完平衡稳定后，2443、2444运输平巷区域卸压后压力未得到恢复，周边煤岩体处于低应力环境中，首先有利于2443平巷掘进支护及切顶成巷的维护。

3)一次切顶采动采场围岩变形响应

①随着B4煤层顶板垮落及上覆岩层下沉后，采场周边顶板岩体沿层理面出现错动变形破坏，同时出现少量拉伸剪切裂纹，但未出现大量宏观裂纹，见图7椭圆区域。

②由于开挖煤层厚度不大，岩层离层不明显，整个采场围岩变形量较小；特别地，2442切顶巷顶板岩体在煤帮侧上方出现少量细微的纵向断裂裂纹，部分裂纹已在模型表面交叉贯通，说明顶板岩体已在煤壁内部断裂。

4.2 B3煤层切顶成巷岩层应力及变形破坏演化特征

2443巷道顶板切顶并开挖完B3煤层后，采场巷道区域内压力盒应力变化数据见图9。

A—开挖巷道时间点；B—开始切顶时间点；C—开挖煤层时间点；D—切顶垮落时间点。

1)二次切顶采动采场围岩应力响应

B4煤层采空区压实，岩层应力最终调整稳定后，2442运输平巷卸压区的煤帮及顶板压力又开始增加；同样，B4煤层底板压力也有所增大，巷道周边岩体应力得到一定恢复，2443运输平巷区域内的7#压力盒压力为14.6 MPa，恢复到原岩应力；6#、8#、10#压力盒压力分别为1.7、1.9、5.1 MPa，仍然处于卸压状态；9#压力盒位于2443运输平巷顶板内，在压力平衡过程中，顶板岩体破坏严重，受外力作用较小，压力未恢复。同样，2444区域内压力恢复，压力增加幅度较大，2#、3#压力盒压力接近原岩应力，1#、4#及5#压力盒压力远远高于原岩应力。

2443运输平巷开挖并切顶后，1#～5#、6#、7#及10#压力盒压力开始增加，并随着煤层开采的推进，压力盒压力进一步增加；当所切顶板垮落后，靠近2443运输平巷煤帮侧的6#压力盒压力瞬间下降，煤帮上方顶板10#压力盒压力增速放缓，并在一段时间内基本保持不变，见图9中圆圈及箭头所示，说明顶板及煤帮浅部出现卸压现象。

切顶垮落后巷道煤帮侧浅部压力变化趋势可简化为如图10所示。

图10 煤帮浅部压力变化趋势

随着顶板岩体进一步垮落，压力盒压力开始回升，6#、7#及10#压力盒压力超过原岩应力，说明此区域为压力增高区，见图11。其中，7#压力盒处于集中压力核心区，增加幅度最大；同时，所切顶板垮落后，上煤层2442运输平巷区域煤帮及顶板岩体压力也逐渐增大，说明B3煤层开采过程中，上覆岩层压力同时向2442及2443切顶巷周边煤岩体转移。另外发现，切顶垮落后，8#压力盒压力虽有所增加，但增加趋势不明显，说明远离2443巷道的8#压力盒区域未压实，处于B4煤层采空区的下部卸压区，8#压力盒上部存在压力拱效应。

图11 B3煤层开采后上覆岩层裂纹及压力分布特征

当煤层开挖过下煤层顶板压力盒后，压力盒压力瞬间下降至0 MPa左右，未出现压力盒膨胀现象。

2)二次切顶采动采场围岩变形响应

B3煤层开挖完及上覆岩层垮落阶段稳定后，岩层出现数量更大的层面错动裂纹，岩体进一步变形破坏；同时，之前出现的拉伸剪切裂纹进一步扩展延伸，张开后形成宏观裂纹；另外，在采空区低位岩层中出现离层现象。特别地，在2443切顶巷煤帮侧顶板出现了2条纵向宏观拉伸裂纹，几乎贯穿整个顶板，说明顶板已经在煤帮侧断裂(见图11)。

4.3 B2煤层切顶成巷岩层应力及变形破坏演化特征

2444巷道顶板切顶并开挖完B2煤层后，采场巷道区域内压力盒应力变化数据见图12。

A—开挖巷道时间点；B—开始切顶时间点。

1)三次切顶采动采场围岩应力响应

巷道、煤层开挖前，2444运输平巷区域(1#～5#压力盒)进一步卸压，最大应力不足4 MPa，说明此处已处于完全卸压状态；巷道开挖、切顶及煤层开挖后，所切顶板垮落，岩体进一步破坏，2444区域压力盒压力几乎无变化；然而，2443运输平巷区域6#、7#及10#压力盒压力逐渐增加，说明B2煤层顶板垮落后，上覆岩层压力向2443运输平巷区域转移，2444区域处于卸压范围，有利于沿空留巷围岩维护。

13#～16#压力盒压力变化范围不大，说明B2煤层开挖几乎不会影响2442运输平巷区域围岩应力环境；但是其压力大小也反映出2442顶板岩体压力也几乎处于原岩应力状态。

2)三次切顶采动采场围岩变形响应

B2煤层开采完及上覆岩层垮落稳定后，B2煤层上覆岩层层面错动裂纹数量更多，拉伸剪切裂纹进一步扩展延伸，宏观裂纹张开度更大，采空区低位岩层出现明显离层现象，岩层变形破坏程度更进一步增大。特别地，在2444切顶巷煤帮侧煤壁正上方顶板出现了1条纵向宏观拉伸裂纹，贯穿整个顶板，说明顶板已经在煤帮侧断裂，见图13。

图13 B2煤层开采后上覆岩层裂纹及压力分布特征

5 结论

1)白皎煤矿2442巷道切顶成巷过程中，上覆岩层压力发生转移及调整，顶板应力依次经历卸压段、增压段及卸压段，其中，高位顶板应力增幅较大，低位顶板应力增幅较小。

2)2443煤层巷道切顶及煤层开挖后，上覆岩层压力同时向2442及2443切顶巷周边煤岩体转移，2443巷道煤帮及上覆2442巷道围岩压力增大，部分压力恢复至原岩应力，并在两巷道间形成集中应力。

3)受前两次巷道及煤层开挖卸压破坏影响，2444巷道及煤层开挖后，巷道围岩无集中应力；上覆岩层压力向邻近的2443巷道围岩转移，几乎未转移至较远的2442巷道围岩。

4)巷道及煤层开挖后，采场周边顶板岩层沿层理面出现错动变形，同时在岩层内部出现拉伸剪切裂纹，采动影响越大，裂纹扩展程度越大。