巷道顶板的切顶卸压参数分析

杨瑞峰

（山西临汾西山能源有限责任公司生产指挥部，山西 临汾041000）

我国是一个煤炭资源储存丰富，且煤炭开采量也是逐年增加，我国每年的煤炭资源占据了我国能源消耗的70%左右，随着煤炭资源的不断开采，煤炭资源的存储量不断减少。高效绿色开采已经成为了我国现阶段煤炭开采的主要目标[1]。沿空留巷技术是一种可以提升煤炭开采率，降低巷道的掘进时间[2,3]，有效地提升了矿井的开采成本，同时沿空留巷技术在一定程度上可以提升瓦斯抽采率，降低瓦斯对工作面开采的危害。沿空留巷技术在我国许多煤矿已经开始施行，一般来说沿空留巷处在采空区的附近，采空区的上赋岩层顶板由于工程扰动较大会发生变形和下沉，且巷道的围岩会产生应力集中，随着工作面的推进，巷道的围岩变形量不断增大，对工作面造成巨大的危害。许多学者对此作出过研究，通过研究上覆岩层顶板的活动规律和围岩的变形机理来解决沿空留巷的顶板下沉和围岩变形的问题。此外很多的学者对上覆岩层的顶板进行切顶卸压研究，切顶卸压的方式大致分为钻孔爆破卸压和水力压裂卸压[4]。由于水力压裂卸压技术在煤矿的使用条件较为苛刻，目前矿山顶板的切顶卸压方式一般多选择钻孔爆破泄压方式。本文通过FLAC-3D数值模拟软件对沿空留巷的巷道切顶高度和切顶的角度对巷道顶板的垂直应力分布情况进行分析，为解决巷道顶板下沉和巷道围岩变形量较大等问题提供了一定的指导。

1 建模及边界条件设定

沿空留巷技术可以有效地减少巷道的掘进时间，提升矿山的采出率。但沿空留巷技术会对采空区的边缘采动影响较大，使巷道的变形量增大。为了更加合理地提升沿空留巷的施工效率。本文通过FLAC-3D数值模拟软件对切顶卸压参数，如切顶的高度和切顶的角度进行了研究和分析。

利用数值模拟建模软件对巷道变形和破坏机理进行分析，根据现场实测地质条件对建模进行赋值，建立如图1所示的模型示意图。

图1 模型建立示意图

如图1所示，建立的模型尺寸为长度为179 m，宽度设置为160 m，高度设置为40 m，设定完成后，共有33万网格单元和35万个节点。模拟埋深470 m的煤层，按照上覆岩层的岩体容重为25 kN/m3，经过计算后可得出施加上覆边界应力为12 MPa，俩侧围岩应力设置相同，都为垂直应力的0.8倍，设置为9.6 MPa，对上部的岩体进行固定，剩余方向为自由方向，煤层的厚度设置为2.8 m。

建立岩体材料的本构模型，呈现岩体应力应变的关系，当选择本构模型符合材料力学特性时，模拟可靠性才会得到有效提升，本文选择摩尔模型。强度准则表示为：

式中：б1和б3分别为最大主应力和最小主应力；φ为岩石的内摩擦角；C为岩石的内聚力；当最大与最小主应力差小于0时，岩石发生破坏。

模型中各层力学参数设定依次为：第一层为泥质砂岩，厚度设定为2.7 m，体积模量设置为3.1 GPa，剪切模量为1.8 GPa，内摩擦角设定为34°，内聚力设定为1.1 MPa，抗拉强度为2.2 MPa；第二层为砂质泥岩互层，厚度设定为5 m，体积模量设置为2.45 GPa，剪切模量为1.4 GPa，内摩擦角设定为24°，内聚力设定为1.0 MPa，抗拉强度为1.6 MPa；第三层为泥质砂岩，厚度为4.97 m；第四层为细砂岩，厚度设定为2.0 m，体积模量设置为7.5 GPa，剪切模量为4.4 GPa，内摩擦角设定为40°，内聚力设定为2.8 MPa，抗拉强度为3.1 MPa；第五层为泥质砂岩，厚度为11.3 m；第六层为3号煤层，厚度设定为2.86 m，体积模量设置为1.9 GPa，剪切模量为0.8 GPa，内摩擦角设定为20°，内聚力设定为0.8 MPa，抗拉强度为1.2 MPa；第七层为泥质砂岩，厚度为0.8 m；第八层为细砂岩，厚度为4.5 m；第九层为4号煤层，厚度设定为0.42 m，体积模量设置为1.9 GPa，剪切模量为0.8 GPa，内摩擦角设定为20°，内聚力设定为0.8 MPa，抗拉强度为1.2 MPa；第十层为细砂岩，厚度为1.87 m；最后一层为砂质泥岩厚度为2.5 m。模拟的切顶高度6 m和14 m的应力场，同时模拟切顶角为50°和60°的应力场分布。

图2 不同切顶高度的应力（Pa）分布图

2 模拟结果对比分析

如图2所示为不同切顶高度下的垂直应力分布图，从不同的切顶高度图可以看出，不同的切顶高度有着不同的垂直应力分布。随着采掘工作的不断推进，在切顶的左侧呈现了应力的降低区，这可以说明静态的切顶卸压可以很好的降低采空区的应力分布情况。在切顶线的右侧出现了应力的集中现象，并在煤柱的内部的4～16 m的区域内，垂直应力的分布明显增高，并在5～8 m的范围内应力达到峰值状态。最大的垂直应力为31.5 MPa；从切顶的高度从6 m增加到14 m的时候，煤柱的应力集中区域明显减小，应力峰值分布的区域也明显减小，煤柱的内部4～10 m的范围内为应力的增加区域，峰值应力最大值33 MPa。可以看出随着静态切顶的高度不断增加，煤柱中应力的峰值区域明显减小，切顶高度的增加可以有效地降低应力的分布区域，减小巷道的变形量。不同的切顶高度都可以有效地切断留巷的顶板和采空区的顶板间的应力传导。切顶的高度越高，顶板的垮落越完全，有效地降低了煤柱的应力分布情况。

为了研究不同的切顶角度下沿空留巷的上赋岩层与采动影响下的围岩受力分析，对切顶角度为50°和70°的围岩进行受力分析，如图3所示。

图3 不同的切顶角度下的应力（Pa）分布情况图

如图3所示，不同切顶角度下的垂直应力分布情况，可以看出沿空留巷的围岩应力集中随着切顶的角度而不同，随着掘进工作的推进，沿空留巷周边处于应力降低范围。当顶板切顶角度为50°时，煤柱内部的应力集中分布范围较大；当顶板的切顶为70°时，煤柱的内部应力集中的范围较小，且随着切顶角度的增加，垂直应力的最大值也有所增大，从切顶的角度为50°的30.3 MPa增大到了切顶角度为70°时的31.3 MPa。

从数值模拟结果可以看出，顶板切顶角度不同对沿空留巷巷道围岩的变形和应力都会有所影响，一般来说当切顶角度较小时，并不能较好地切断采空区和沿空留巷顶板之间的联系，且煤柱应力集中情况也比较突出。当顶板切顶角度提升到70°时能较好地切断采空区和沿空留巷顶板之间的联系，且沿空留巷顶板垮落效果较好，巷道顶板处在应力的降低区，顶板的下沉量较小，切顶效果较为优越。

3 结论

1）根据模拟埋深为470 m的煤层，监测的上覆岩层的岩体容重为25 kN/m3，经过计算后得出上覆岩层的施加应力为12 MPa，围岩水平应力设置相同，都为垂直应力的0.8倍，设置为9.6 MPa。

2）模拟不同切顶高度后发现，随着切顶高度的增加，巷道顶板的垮落越充分，且切顶高度越高煤柱内的应力集中的范围越小。

3）经过模拟不同的切顶角度后发现，随着切顶角度的不断增加，巷道顶板的垮落越完全，且下沉量较小。