切顶卸压沿空留巷围岩变形规律与控制研究

刘璐

山西焦煤西山煤电马兰矿 山西 太原 030200

1 前言

随着开采年限的不断增加，易开采煤层已经不能满足我国工业化的发展，难采煤层的开采已经逐步成为热门话题。坚硬顶板的存在一直困扰着矿山的生产，由于顶板极难垮落造成上覆岩层形成大面积的悬顶，而悬顶发生断裂会造成冲击地压，对矿山人员及设备造成巨大的威胁。在留煤柱开采的矿山，坚硬顶板迫使煤柱尺寸加大，造成资源浪费，降低了矿山的出煤率。在无煤柱开采的矿山，由于坚硬顶板造成巷道围岩的变形量变大，维护成本增加。所以对煤矿顶板进行切顶卸压对提升巷道稳定性有着重要的作用。此前众多学者对坚硬顶板的问题进行过一定的研究。王炯[1]为了降低巷道的变形量及加强巷道围岩的稳定性，在原支护基础上通过恒阻锚索对巷道进行补强支护。较好的解决了巷道顶板下沉量大及围岩变形大的问题。马广兴[2]针对埋深较深的顶板经过切顶卸压后的岩石碎胀理论研究较少，进行了现场的切顶后的岩石碎胀进行分析，发现随着工作面推进碎胀系数变小，对于大深度的岩石切顶作出了一定的贡献。朱珍[3]同样为解决无煤柱开采巷道顶板下沉的问题，分析了上覆岩层的运移规律，认为顶板的下沉量主要由切顶岩层离层量及基本顶的给定下沉量共同构成，通过对现场的实测的卸压的效果进行分析，为矿山坚硬顶板的治理提供参考。刘宜平[4]根据对巷道切顶卸压现场进行监测，有效的降低了巷道的变形，有效的维护了巷道的稳定。本文以马兰矿18504工作面为研究背景，利用数值模拟软件对巷道的切顶卸压效果进行研究，为煤矿的切顶卸压作出一定的参考。

2 支撑峰值点计算

马兰矿1 8 5 0 4 工作面， 煤层厚度为4.1m～5.0m，平均厚度4.5m，煤层的倾角为1°～15°，煤层的平均厚度为3°，煤层走向881m。在工作面开始回采后，巷道围岩的内部应力重新分布，护巷煤柱承载上覆岩层的压力，随着工作面进一步，煤体的应力沿着工作面的推进方向扩展。

随着工作面的推进煤体的应力呈现出先上升后下降的趋势，根据超前支撑的影响区域将其划分为4个区域，分别为I破碎区、II塑性分布区、III弹性分布区、IV原岩应力区。四个区域内分别易发生片帮、煤柱塑性变形、煤体变形和无影响。对超前支撑的峰值点进行计算。首先可得塑性区的垂直应力可表示为：

公式中：N0为煤帮的支撑力，φ为煤体的内摩擦角，m为煤层的采高；f为层面的摩擦系数。为了使工作面的煤壁达到平衡状态，需要煤壁的承载力达到：

公式中：C为煤体的内聚力。将俩式结合可以得到塑性区的垂直应力表达式：

塑性区的范围需要满足垂直应力大于原岩应力，所以将σz=KγH代入上式中，可以计算得出综放面超前支撑压力最大值与煤壁间的距离表达式为：

其中：X0为峰值点至煤壁的距离，m；K为应力集中系数；γ为上覆岩层的容重，kN·m3；H为岩层的厚度，m。将矿山资料进行代入可以得到支撑峰值点至煤壁的距离为8.9m。

3 数值模拟研究

为了研究切顶卸压参数切顶高度对切顶效果的影响进行分析，本文选定切顶高度为4m、6m及8m进行数值模拟分析，给出最佳切顶效果的切顶高度。

首先进行数值模拟模型的建立，设定模型的长宽高分别为140m、2m和100m，对模型进行网格的划分，网格划分的结果对模拟有着至关重要的影响。模型划分过于粗糙时模拟的结果的精确性就会不足，且出图的效果较为粗糙，但模型划分过细时，计算机的计算时间较长，所以应当充分考虑精确性与电脑的性能。完成模型网格划分后对模型进行物理性质的设定，根据实际地质资料对模型进行参数的设定，顶板物理参数表如表1所示。

表1 顶板岩层力学参数参照表

完成参数设定后对模型的约束进行设置，固定边界的位移，对模型的上端部加以载荷P，载荷P根据上覆岩层情况进行施加。经过计算可得上覆岩层的容重为12MPa。

通过对不同的切顶高度巷道垂直应力进行模拟发现，当巷道切顶高度设定为4m时，巷道围岩的应力主要集中于煤帮左侧区域的位置，应力峰值最大为36.3MPa，同时观察发现垂直应力呈现出对称分布特性，应力集中系数为3.2。切顶高度为4m时的巷道周边应力情况可以看现，巷道周边的应力集中只要在巷帮的正对面距离3.8m的位置，此时巷道的维护较为困难，易发生巷道的变形过大，增加了巷道的维护成本，所以切顶高度为4m时切顶效果较差。当切顶高度来到6m时，此时的围岩集中主要在煤帮的左上部位且距离较远，此时的应力的峰值35.9MPa，较切顶高度4m时的应力峰值有所下降，应力集中系数为3.04。切顶高度为6m时的巷道周边的应力集中范围主要集中在巷帮左上部约14.5m处，距离巷道较远，此时巷道的维护较为容易，维护成本较低，所以切顶的效果较好。当切顶的高度为8m时，此时的巷道垂直应力分布图的应力集中在煤帮的左上侧较远的地方，应力峰值继续有所下降为35.3，应力集中系数为3.03。巷道周边岩石的应力集中距离巷帮上端15.3m处，此时的巷道变形量较小，维护较为简单，所以切顶高度8m时巷道维护最佳。

为了更好的对煤帮侧向的支撑力的分布，我们在巷道侧煤布置4条监测线，对不同切顶高度下的煤帮侧向的支撑压力进行监测。当切顶高度为4m时，4个位置的的侧向支撑力的变化趋势几乎相似，在距离煤帮5m的位置出现应力峰值，应力峰值从大到小依次为煤帮上侧、煤帮侧中部、煤帮上侧4m和煤帮上侧9m，完全符合距离煤帮越远，应力的影响越小。应力主要集中于距煤帮30m的范围内。当切顶高度增大至6m时，此时的应力峰值在距离煤帮10m的位置出现，应力集中区域在煤帮20m的范围内，相对于切顶4m的应力峰值，切顶6m的峰值从煤帮深部向上转移。观察切顶高度8m的支撑应力曲线发现，应力的峰值部位出现在距离煤帮10m处，应力集中范围出现在距离煤帮20m以内。相较切顶高度6m时无明显的优势，且花费较大，所以选择切顶高度6m最合适，此时煤帮侧帮围岩的完整性较好。

4 结论

（1）根据理论推导得出塑性区的垂直应力计算公式，并给出支撑峰值点距离煤帮的距离公式，并代入地质资料得出支撑峰值点距离煤帮8.9m处。

（2）对不同切顶高度下的垂直应力分布进行分析，发现切顶4m时的巷道垂直应力分布较为靠近巷道不利于维护，6m和8m时巷道较容易维护。

（3）根据对不同切顶高度下的煤帮侧向的支撑压力进行监测发现，切顶高度6m时已经满足矿山的开采需求，所以选择切顶高度6m最为合适。