顶切短臂梁采矿法应力分布分析

田晓虎

摘 要：20世纪60年代以来，我国矿业科技经历了“砌体梁理论（MBT）”和“转岩梁理论（TRBT）”两项技术创新。在此基础上，建立了传统的采煤方法（称为121采煤法），即开挖两条采煤工作面隧道。然而，随着开采深度的增加，地下洞室工程地质灾害频发。此外，煤柱开采的使用导致大量煤炭资源未被开发。为了解决上述问题，何曼超在2008年提出了“顶切短臂梁理论（RCSBT），称为110采矿法”。110采煤法的特点是煤层工作面，只开挖一条巷道，不留立柱。110采矿方法的实现包括：①定向预劈裂顶板切割;②采用高恒阻大变形锚杆/锚索支护顶板;③液压支柱封堵矸石。本文综述了110采矿法的原理、技术和应用。采用数值模拟和理论推导的方法，研究了顶板切割时“短梁”上的应力分布。

关键词：顶切短臂梁;采矿

1 背景

20世纪60年代，钱明高在国内首次提出了“砌体梁理论[1]”，并对利用预留煤柱在采空区进行超压传递和平衡的方法进行了充分的探讨。在此基础上，建立了长壁采矿法（121采矿法），其中一个回采工作面在下一个开采周期前需要两个超前开挖隧道和一个预留煤柱。基于MBT的121种采矿方法为我国矿业科学的发展奠定了坚实的基础[2]。第二次采矿创新始于20世纪80年代，以宋振奇提出的“转岩梁理论”为特征。这进一步说明了采场覆岩压力在高应力区域的过渡路径及其分布规律。在此基础上，提出了先进的长壁开采121采煤法，采用较小的煤柱进行内应力场开挖设计，为提高该时期采煤率做出了重要贡献。

进入21世纪初，随着开采深度的增加，煤矿大变形破坏问题越来越具有挑战性。易发生事故的工作面巷道和深部采空区巷道事故约占工作面巷道事故总数的80%-90%[3]。基本上认为传统的121采矿方法不适用于深部开采。2008年，首次提出了“顶切短臂梁理论”。在这一理论中，可以注意到，为了推进顶板崩落，采用了地面压力，通过预切割在采空区巷道上方形成悬臂梁。本文论述了我国长壁煤开采的相关理论和121种开采方法。在110方法的应用中，采用数值模拟方法对应力分布进行了分析。

2 110采矿方法的创新

针对传统121采矿法的局限性，提出了110采矿法，以解决长壁开采中存在的问题。2008年采用先进的顶板崩落法进行了现场验证，并于2010年首次应用于四川白角煤矿2442工作面。本工程采用无柱采矿技术，对超前卸压、顶板崩落自动形成的采空区附近巷道进行了开采。RCSBT是在超前泄壓和顶板崩落过程中，应力场、支架和围岩相互作用的基础上建立的。其中关键技术之一是采空区侧顶板定向切割，它将顶板上覆岩压力传递给顶板，将部分顶板岩体压下，形成新的采空区回采巷道。此外，实现RCSBT还涉及许多其他关键技术。例如，在采空区巷道顶板支护中，采用了一种新型支护材料—恒阻大变形锚杆（CRLD），使巷道顶板在超前崩落过程中保持稳定。

沿采用121采矿法开采1块煤层，开挖了2条巷道，保留了1根煤柱。当煤炭资源被开采出来后，由于回采的机械化，这两条道路将会在周期性的压力作用下被废弃和破坏。而采用110法开采面板时，在开采第一块面板时要开挖两条巷道;在随后的回采过程中，通过在下一采场面板旁边切割一个隧道长度的狭缝形成巷道。这就抵消了开采的两个面板之间的煤柱，即只有一个巷道就足够了。

3 应力分布的数值分析

根据煤矿2号煤矿1105工作面开采设计和地质条件，数值模型包括深度为50 m的1105工作面和1103工作面，如图1绿色区域所示。通过数值模拟分析了围岩应力分布规律，为今后矿山设计和巷道支护提供了依据。

图1 面板位置数值分析的目标区域

3.1 岩石力学性质

模拟岩石力学性质如表1所示。顶板岩层按上升顺序为砂质泥岩和砂岩，底板岩层按下降顺序为泥质粉砂岩和细砂岩。在数值模拟中，从上到下考虑了黄土、砂岩、砂岩、砂泥岩、煤、泥质粉砂岩和细砂岩7种地层类型。

3.2 模型的边界条件

由于模型对入口的边界影响，模型尺寸设计为310m*5m*100m。模型为平面应变模型。采用FLAC3D构建网格，然后进行计算。重力应力作用于模型的物体上。模型中X、Y方向的位移受限于水平方向，Z方向固定为底边界。模型和内网格分别如图2a和b所示。

3.3 仿真结果分析

通过对实际开采过程的模拟，可以计算出工作面前的垂直应力。将FLAC3D计算得到的数据导入MATLAB。围岩垂直应力分布如图3所示。开挖距离30 m后，煤层垂直峰值应力在工作面前方一定范围内，应力水平逐渐降低到该范围外的初始水平。与两种开采方法在工作面末端的煤层垂直应力相比，121种开采方法产生的垂直应力峰值区宽度约为20 m，最大应力约为4MPa。

随着工作面中部区域的加深，垂直应力逐渐减小到2.5 MPa。另一方面，在110采矿法中也存在垂直应力峰值区，但只有约8 m宽，最大应力约3.2 MPa，且趋势与工作面中部向深部深化的趋势相似。

在模拟开采过程中，记录煤层垂直应力，利用三维数据处理构建图4和图5。

4 结论

本文阐述了我国矿业科技的技术变革。在理论分析和数值分析的基础上，介绍了121和110种长壁开采方法。得出的主要结论如下：对110采矿法与121采矿法的地应力分布进行了数值模拟。此外，采用数值模拟和理论推导的方法，研究了顶板切割产生的“短梁”上的应力分布。

参考文献：

[1]胡寺华.控顶切底房柱采矿法[J].昆明冶金高等专科学校学报，1999（2）：1-6.

[2]何满潮，高玉兵，杨军，等.无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（6）：1314-1325.

[3]刘正和，赵阳升，弓培林，等.回采巷道顶板大深度切缝后煤柱应力分布特征[J].煤炭学报，2011，36（1）：18-23.