小煤柱切顶卸压沿空掘巷数值模拟研究

时间：2024-07-28

郭勇

（山东科技大学，山东青岛 266590）

由于留小煤柱沿空掘巷布置方式可提高煤炭采出率，延长矿井服务年限，在国内外煤矿得到广泛应用[1]。张科学[2]等运用极限平衡理论、数值分析和现场实践相结合的方法，确定了窄煤柱的合理宽度；于洋等[3]采用现场观测和数值计算的方法，研究了沿空掘巷围岩变形规律和分控制技术；郑西贵[4]等通过理论分析、数值模拟和现场工程实践的方法，研究了不同宽护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律,分析了煤柱宽度对沿空掘巷煤柱和实体帮应力演化的影响。综上可知，目前在小煤柱沿空掘巷相关理论和技术有了大量研究，但对于不同切顶参数对小煤柱沿空巷道围岩受力大小的研究较少。为此，采用UDEC数值模拟软件对不同切顶参数下的巷道围岩受力大小进行分析，研究切顶卸压对沿空掘巷围岩控制效果的影响规律。

1 工程概况

晋华宫矿12-2#层301扩区设计为单翼布置盘区，该盘区共设置3个大采高工作面。12-2#煤层赋存稳定，结构简单，煤层平均厚度为6.81 m，煤层倾角为1°～7°，平均4°，煤层硬度系数为3.0，该区域无大的发水裂隙，煤层自燃倾向属于Ⅱ类自燃煤层，无地温、地压危害，属于高瓦斯矿井。顶、底板岩性见表1。

表1 顶、底板岩性特征表

8101工作面埋深331 m，工作面开切眼长度为165 m，顺槽长度743.5 m，切眼至停采线长度650 m，巷道沿煤层底板掘进，采用综合机械化单一走向长壁后退式采煤方法，全部垮落法管理顶板。为保证矿井采掘接替，以往采用留设30 m宽的煤柱进行沿空掘巷不仅造成采出率低，相邻巷道也受上一工作面开采动压影响，巷道维护困难。综合研究国内先进技术和成功经验[5-7]，采用最新的切顶卸压沿空掘巷技术，经过理论计算和数值模拟，设计在2101巷进行爆破预裂切顶设计，在5103回风巷进行恒阻锚索支护设计，留设6 m小煤柱沿空掘巷。工作面布置如图1。

图1 留小煤柱沿空掘巷平面示意图

2 切顶卸压技术原理

切顶卸压技术是由何满潮院士提出的一种新型开采技术[8]，即超前工作面一定范围内利用预裂爆破技术进行预裂切缝，使切缝影响范围内的上覆岩层在自重及矿山压力的作用下垮落。通过对顶板进行预裂切缝，切断巷道顶板与采空区上覆岩层之间的应力传递路径，使不稳定的长臂梁转变为稳定的短臂梁结构，从而降低受采动影响下的沿空巷道围岩变形特征。切顶巷道顶板结构示意图如图2。

图2 切顶巷道顶板结构示意图

3 数值模型建立

为了研究沿空掘巷在预裂切顶条件下煤柱帮和实体煤帮应力变化特征，分别建立不切顶及切顶角度分别为0°、8°、12°、16°、20°六种方案进行模拟分析，对比分析不同切顶角度下煤柱及巷道围岩应力变化，采用切顶角度数值模拟的最优角作为固定角，分别建立切顶高度为10 m、12 m、14 m、16 m、18 m的数值模型进行模拟研究，通过对比选取最优的切顶高度作为固定高度。

根据煤层赋存情况及地质条件，建立相应的数值模型，如图3。模型长300 m，高78 m，主要包括本区段工作面、实体煤帮及相邻区段掘进巷道，模型左右两侧边界水平位移为零，底部边界垂直位移为零，在模型顶部施加一定的力来模拟上覆岩层重量。模型中煤层顶板由下至上依次为细砂岩、中粗砂岩、细砂岩，底板为砂质页岩，顶底板岩石力学参数见表2。

图3 工作面数值模型图（m）

表2 顶底板岩石力学参数

3.1 切顶角度对巷道围岩应力演化影响分析

切顶角度的变化使预裂结构面两侧岩体的连接状态发生了改变，切断了采空区顶板与巷道顶板之间的应力传递途径，使沿空巷道两侧围岩应力也呈现不同的变化规律，如图4。

从图4分析可知，没有对顶板预裂切缝时，煤柱帮应力峰值（28.34 MPa）高于实体煤帮应力峰值（27.30 MPa）。

图4 切顶角度影响下煤柱帮和实体煤帮垂直应力曲线

当切顶角度为0°时，煤柱帮和实体煤帮应力峰值分别为25.59 MPa和25.20 MPa，和不切顶时相比应力峰值降低了4.71 MPa和2.13 MPa。可以看出，对沿空巷道侧向顶板采取预裂切缝后，可有效降低煤柱帮和实体煤帮所承受的载荷。当切顶角度为8°时，煤柱帮和实体煤帮的应力峰值为24.25 MPa和25.10 MPa。当切顶角度增加到12°时，煤柱帮和实体煤帮应力进一步降低，煤柱帮应力峰值为21.67 MPa，实体煤帮应力峰值为24.32 MPa，与切顶角度8°相比应力值分别降低了2.58 MPa和0.78 MPa。当切顶角度增加到16°和20°时，巷道两帮围岩承受的载荷较切顶角度12°时有所增大[8]。可见，随着切顶角度的增加，煤柱帮和实体煤帮的应力峰值均有所降低。当切顶角度为12°时，煤柱帮和实体煤帮应力峰值下降明显，切顶效果好，故最优的切顶角度为12°。当切顶角度大于12°时，煤柱上方小悬臂梁随切顶角度的增加而增大，巷道两帮围岩应力值也逐渐增大，围岩卸压效果弱。

3.2 切顶高度对巷道围岩应力演化影响分析

在沿空掘巷切顶卸压围岩稳定控制过程中，切顶高度的变化改变了巷道围岩的连接状态和充填程度，也影响着巷道两帮围岩的应力变化。不同切顶高度下，煤柱帮和实体煤帮垂直应力分布规律如图5。

分析图5可知，切顶高度为10 m时，煤柱内的应力峰值为26.0 MPa，应力峰值区主要集中在巷帮约1.8 m范围内，实体煤帮垂直应力在距巷帮4.75 m范围内达到峰值25.41 MPa，随后降低并趋于稳定。当切顶高度增加到12 m时，煤柱帮和实体煤帮内的应力峰值呈现降低趋势，较切顶高度10 m时，应力峰值分别降低1.35 MPa和1.23 MPa。当切顶高度增加到14 m时，煤柱和实体煤帮应力峰值大幅度下降，煤柱帮垂直应力峰值为23.32 MPa，实体煤帮垂直应力为21.89 MPa，和切顶高度12 m相比应力峰值分别降低2.03 MPa和2.49 MPa。当切顶高度增加到16 m和18 m时，与切顶高度14 m相比，巷道围岩卸压效果不明显。

图5 不同切顶高度影响下巷道围岩应力演化规律

从数值模拟结果来看，切顶高度的变化对巷道围岩应力有着明显的影响，预裂切缝均可降低巷道围岩应力。考虑到施工成本与难易程度，最终确定合理的切顶高度为14 m。