沿空留巷不同切顶参数卸压效果的数值模拟

朱 永，殷帅峰，李 昊

(1.安徽省皖北煤电集团有限责任公司，山西 临汾 042100;2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

传统的长壁工作面采用的是“121”工法，即开采一个工作面，首先要掘进两条回采巷道以及留设一个护巷煤柱，但留设的煤柱造成了巨大的资源浪费。同时深部开采带来的高应力环境等问题使巷道变形难以控制，严重制约深部煤炭资源的开发。而沿空留巷技术[1-6]不仅可以合理开发煤炭资源，避免使用煤柱从而提高煤炭资源采出率，还由于少掘进一条巷道减少了工作面综合机械化设备的搬运和安装时间，对于更好地推动恒源煤矿Ⅱ632综采工作面回采作业的安全、高效开展意义重大。

关于沿空留巷技术，国内外专家都进行了大量研究。蔚保宁[7]得出了浅埋煤层复合顶板条件下切顶卸压末采贯通回撤新技术的相关工艺参数。研究成果在现场实践工程中得到了验证，实现了工作面的安全顺利贯通。张树林[8]提出相应的浅埋煤层切顶卸压控制方式，最后得出该技术合理可行，效果显著，值得大范围推广应用的结论。杨晓杰、孙跃等[9]提出了切顶卸压自成巷技术在浅埋中厚煤层开采中的应用，并取得了良好的效果。魏锦周[10]实验结果表明切顶成巷新技术在巷道围岩控制方面得到了有效控制，切顶成巷碎石帮得到良好控制。以上专家学者丰富了煤层切顶卸压技术的研究成果，本文则以恒源煤矿Ⅱ632综采工作面为背景，利用数值模拟分析切顶卸压对沿空留巷周围围岩的应力影响，并研究不同切顶高度与角度下的应力变化，从不同卸压效果中得出最优的切顶卸压方案，为恒源煤矿Ⅱ632综采工作面的切顶留巷工程提供理论支撑及技术指导。

1 工程背景

Ⅱ632工作面东部(收作线外侧)为Ⅱ63采区的三条主要下山(轨道、运输、回风)，南部为-600水平南北轨道、运输大巷；西部切眼外距矿井边界线300 m；北部为正在掘进的Ⅱ633工作面。

Ⅱ632工作面设计为综采工作面，总体上属近走向长壁式布置，工作面走向长1725.3 m(至收作线处)，倾斜宽185 m；Ⅱ632工作面煤厚1.7～3.5 m，平均2.9 m，煤层倾角2°～26°，平均9.1°，无夹矸，属结构简单、稳定的中厚煤层。

Ⅱ632机巷为沿空留巷巷道，巷道布置在6号煤层中，选择机巷最后500 m进行留巷试验。机巷设计断面为异矩形，断面净宽4200 mm，净高2800 mm，因留巷施工需要，对Ⅱ632机巷进行刷帮，刷帮后Ⅱ632机巷净宽变为5200 mm。工作面巷道布置及断面如图1所示。

图1 Ⅱ632工作面巷道布置图

2 切顶卸压效果的数值模拟

2.1 数值模拟模型的建立

在考虑实际工程条件及简化计算的基础上，针对恒源煤矿Ⅱ632机巷生产地质条件，根据相关文献[11-12]的实例，应用FLAC3D数值模拟软件建立计算模型是可行的。本构模型选用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸长宽高为：200 m×350 m×85 m。模拟巷道开挖尺寸为5 m×300 m×3 m，工作面开挖尺寸为100 m×200 m×3 m；巷道埋深为700 m，沿煤层顶板掘进；煤层底板为厚1.0 m的泥岩，厚3.0 m的粉砂岩，厚9.0 m的细粒砂岩；煤层顶板由下往上依次为厚2.0 m的泥岩，厚1.6 m的细粒砂岩，厚4.3 m的泥岩，厚1.5 m的细粒砂岩等，具体模型岩层力学参数见表1，计算模型如图2所示。

表1 模型岩层力学参数

2.2 切缝对卸压效果的影响

为了分析切缝对卸压效果的影响，根据工程实际需要，在距离工作面80 m位置使用FLAC3D建立计算模型，分别对无切缝和有切缝模型进行数值计算，得出计算结果如图3、图4所示。

图3 距工作面80 m时无切缝时垂直应力和垂直位移分布图

图4 距工作面80 m时有切缝时垂直应力和垂直位移分布图

由图3中的垂直应力分布图可知，在无切缝条件下，沿空留巷顶板范围内受到的垂直应力在10～25 MPa之间，其较大的应力容易导致顶板变形且不利于支护；巷道实体煤帮5～6 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为47.1 MPa，易导致片帮。同时根据图3的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约2000 mm，在实体煤侧位移约1000 mm，此时较大的位移不利于巷道顶板的稳定。

由图4中的垂直应力分布图可知，在有切缝条件下，沿空留巷顶板范围内受到的垂直应力在0.37～10 MPa之间，可以看出相对无切缝条件其垂直应力显著降低，出现的卸压区有利于支护；巷道实体煤帮10 m处才出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为40.2 MPa，相对无切缝条件应力减小。同时根据图4的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧与实体煤侧位移均约250 mm，此时较小的位移有利于巷道顶板的稳定。

通过对比图3和图4可以得出如下结论：切顶卸压沿空留巷技术可以有效的卸载巷道围岩应力。存在切缝时，巷道围岩应力传递的连续性被切断，出现卸压区。顶板位移减小，垂直应力明显降低。同时实体煤帮内集中的应力不仅远离煤帮而且下降。存在切缝时卸压效果明显。

2.3 切顶高度对卸压效果的影响

切顶高度是指通过定向聚能爆破技术对煤层顶板实施定向切缝后，从巷道顶板平面到切缝向上发育的最大垂直距离。根据理论分析，切顶高度对于沿空留巷矿压显现具有较显著的影响。为了研究切顶高度对卸压效果的影响，根据工程实际需要，在距离工作面80 m位置运用FLAC3D建立计算模型，分别模拟切顶高度为6 m、8 m、10 m时围岩的应力、位移分布特征，得出计算结果如图5～7所示。

由图5中的垂直应力分布图可知，在6 m切缝条件下，沿空留巷顶板范围内存在卸压区，受到的垂直应力在4.83～15 MPa之间；巷道实体煤帮10 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为43.7 MPa。同时根据图5的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约750 mm，在实体煤侧位移约500 mm。

由图6中的垂直应力分布图可知，在8 m切缝条件下，沿空留巷顶板范围内存在卸压区且相对切缝为6 m时范围更大，受到的垂直应力在0.37～10 MPa之间，相对切缝为6 m时下降明显；巷道实体煤帮13 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为40.3 MPa，相对切缝为6 m时距煤帮更远且应力减小。同时根据图5的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约250 mm，在实体煤侧位移约250 mm，相对切缝为6 m时顶板位移显著减小。

图5 距工作面80 m时6 m切缝垂直应力和垂直位移分布图

图6 距工作面80 m时8 m切缝垂直应力和垂直位移分布图

由图7中的垂直应力分布图可知，在10 m切缝条件下，沿空留巷顶板范围内卸压区相对切缝为8 m时进一步扩大，受到的垂直应力在0～10 MPa之间，相对切缝为8 m时无明显变化；巷道实体煤帮12 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为39.5 MPa，相对切缝为8 m时应力位置与大小均无明显变化。同时根据图7的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约250 mm，在实体煤侧位移约250 mm，相对切缝为8 m时无明显变化。

图7 距工作面80 m时10 m切缝垂直应力和垂直位移分布图

通过对比图5～7可知：切顶高度对卸压效果具有较显著的影响。8 m时的切顶高度相对6 m时的巷道顶板垂直应力与位移有明显的下降，应力最大值从15 MPa降低至10 MPa，位移值从750 mm降低至250 mm；同时8 m时的切顶高度相对6 m时煤柱实体帮侧的应力集中区应力最大值大小从43.7 MPa降低至40.3 MPa，距离也从10 m增加至13 m。但8 m时的切顶高度相对10 m时的巷道围岩垂直应力与位移则没有明显变化，应力最大值、位移值均在10 MPa、250 mm左右；同时8 m时的切顶高度相对10 m时煤柱实体帮侧的应力集中区应力大小与距离也无明显变化。即切顶高度与卸压区范围成正相关；巷道围岩垂直应力大小与垂直位移随切顶高度的增加而降低，同时实体煤帮内集中的应力大小随切顶高度增加而降低，距离随切顶高度增加而增加，切顶高度增加有利于巷道的维护与稳定。

但切顶高度增加到一定程度时，垂直应力大小与位移、集中应力大小与距离则不再明显变化。并且切顶高度越大，施工难度越大，进行方案设计时应综合考虑现场实际情况选择最优参数。综合对比可知，切顶高度为8 m时卸压效果明显，集中应力较小，应力集中区距巷道较远，有利于巷道围岩稳定，巷道垂直位移在合理范围内，因此切顶高度为8 m是比较合理的。

2.4 切顶角度对卸压效果的影响

根据理论分析，巷道顶板进行切顶后，采空区上方岩体在上覆岩层自重应力的作用下产生下沉，下沉过程中会与巷道顶板发生不同程度的相互作用，从而导致巷道顶板变形较大。为了研究切顶角度对卸压效果的影响，下面根据工程实际需要，在距离工作面80 m位置运用FLAC3D建立计算模型，分别模拟切顶角度为0°、15°、25°时围岩的应力、位移分布特征，得出计算结果如图8～10所示。

图8 距工作面80 m时0°切缝垂直应力和垂直位移分布图

由图8中的垂直应力分布图可知，在0°切缝条件下，沿空留巷顶板范围内存在卸压区，受到的垂直应力在0.37～10 MPa之间；巷道实体煤帮10 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为40.2 MPa。同时根据图5的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约250 mm，在实体煤侧位移约250 mm。

由图9中的垂直应力分布图可知，在15°切缝条件下，沿空留巷顶板范围内存在卸压区且相对切缝为0°时范围变化不大，受到的垂直应力在0.24～10 MPa之间，相对切缝为0°时应力变化不大；巷道实体煤帮10 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为41.0 MPa，相对切缝为0°时应力增大。同时根据图9的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约300 mm，在实体煤侧位移约300 mm，相对切缝为0°时顶板位移增大。

图9 距工作面80 m时15°切缝垂直应力和垂直位移分布图

由图10中的垂直应力分布图可知，在25°切缝条件下，沿空留巷顶板范围内存在卸压区且相对切缝为15°时范围变化不大，受到的垂直应力在5～15 MPa之间，相对切缝为15°时应力明显增大；巷道实体煤帮7 m处出现明显的应力集中区，此时垂直应力的最大值为44.3 MPa，相对切缝为0°时应力增大。同时根据图10的垂直位移分布图可知，巷道顶板位移在采空区侧位移约600 mm，在实体煤侧位移约400 mm，相对切缝为15°时顶板位移明显增大。

图10 距工作面80 m时 25°切缝垂直应力和垂直位移分布图

通过对比图8～10可知：切顶角度对卸压效果具有较显著的影响。15°时的切顶角度相对0°时的巷道顶板垂直应力变化不大，而顶板位移有所上升，应力最大值均为10 MPa左右，位移值从250 mm增加至300 mm；同时15°时的切顶角度相对0°时煤柱实体帮侧的应力集中区应力最大值大小从40.2 MPa降低至41.0 MPa，距离无太大变化，为10 m。但15°时的切顶角度相对25°时的巷道顶板垂直应力与位移变化明显，应力最大值从10 MPa增加至15 MPa，位移最大值值从300 mm增加至600 mm；同时15°时的切顶角度相对25°时煤柱实体帮侧的应力集中区应力最大值大小从41.0 MPa明显增加至，距离从10 m减少至7 m。即巷道顶板垂直应力大小与垂直位移随切顶角度的增加而增加，同时实体煤帮内集中的应力大小随切顶角度增加而增加，距离随切顶角度增加而减小，合适的切顶角度才有利于巷道的维护与稳定。

但切顶角度从0°开始增加至15°时，垂直应力大小与位移、集中应力大小与距离变化并不明显。同时考虑到切顶角度为0°时，采空区顶板垂直位移较小，0°切缝时若采空区顶板垮落不彻底，采空区范围内垂直应力仍然较高；切顶角度为15°、25°时，采空区顶板垂直位移较大，采空区存在较大范围的低应力区，表明一定的切缝角度有利于采空区顶板垮落，从而达到利用垮落岩体充填采空区、支撑上部岩层的目的。综合对比可知，切顶角度为15°时卸压效果明显，利于采空区矸石的垮落，集中应力较小，应力集中区距巷道较远，有利于巷道围岩稳定，巷道垂直位移在合理范围内，因此切顶角度为15°是比较合理的。

3 结论

(1) 根据数值模拟结果可知，合适的切顶参数对卸压效果影响明显，能够有效降低巷道顶板一定范围内的应力，减弱实体煤帮内部应力集中现象，形成卸压区，有利于巷道顶板稳定。

(2) 当切顶高度为8 m时，集中应力较小，增大了应力集中区向实体煤深处转移的距离，巷道垂直位移在合理范围内，因此切顶高度为8 m是比较合理的。

(3) 当切顶角度为15°时，集中应力较小，应力集中区距巷道较远，有利于巷道围岩稳定，巷道垂直位移在合理范围内，有利于采空区矸石的垮落与巷道围岩的稳定，因此切顶角度为15°是比较合理的。