综采工作面沿空留巷切顶卸压支护技术研究

阎旭耀

摘 要：本文针对马兰矿18507工作面受相邻工作面采动影响较大，所以在18507工作面实施沿空留巷的方式并采用切顶卸压技术减小顶板及巷帮压力，通过3DEC数值模拟对不同切顶高度条件下巷道的位移变化进行模拟，并在现场进行监测，结果表明方案实施效果良好。

关键词：沿空留巷;切顶卸压;数值模拟;载荷压力

1 引言

沿空留巷有助于提高资源的回收效率，减少煤体损失，该项无煤柱护巷技术在采煤工作中有着十分重要的作用，从掘进开始到完成二次采动，在这个阶段由于服务时间较长同时受到两次采动应力的影响，导致围岩会出现较大的变形，特别是虽然围岩在留巷期间位于工作面侧向压力降低区，不过受到裂隙发育的影响，导致围岩的承载性能被削弱，而导致较大的支护难度通过切顶卸压手段能够将应力转移到巷道岩层的深部地区，降低巷旁所承担的集中应力，能够增强巷道的稳定性。利用炸药爆破对顶板进行预裂，运用顶板周期来压沿空切顶，从而形成对工作面上覆岩层坚硬顶板的支撑结构，有效控制老顶的下沉和回转变形，达到卸压目的。此前众多学者对展开研究郭鹏飞，张国锋，陶志刚对坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术进行深入研究。本文以马兰矿18507工作面为研究背景，对不同压裂参数下砂岩顶板的压裂情况进行分析，为治理坚硬顶板问题提供依据。

2 矿井概况

马兰矿位于山西省古交市西南15 km，井田面积为 104.4 km2，设计年生产能力4.0Mt，主要开采8# 煤层。8#煤层平均厚度3.2m，平均倾角为5°，煤层埋深908m，工作面走向长度为1205m，煤层顶板较为坚硬。需要对回采工作面进行切顶卸压，保证回采工作安全顺利。

2.1 数值模型的构建

为了研究切顶卸压参数对卸压效果的影响，本文建立二维砂岩模型，进行定向水力壓裂，以获得不同预制裂缝角、不同预制裂缝长度及不同钻孔直径下砂岩起裂的起裂压力、裂缝张开度变化规律。

构建的数值模型长宽高分别为500×500×1mm，在模型的中心位置预制钻孔，钻孔的圆心为模型的中心。在建模过程引入cohesive单元，cohesive单元是一种虚拟单元，其不具有力学属性，利用cohesive单元进行预制裂缝。模型结构建立后进行网格划分，由于钻孔壁附近为应力及变形的集中区域，所以对模型钻孔附近进行细化，在其余位置进行适当的粗化。模型网格划分完成后，设置模型的边界条件，限制模型XY方向的位移，对模型的上下左右进行固定约束设置。继而设置模型的力学参数，按煤层顶板实际弹性模量、泊松比、渗透率、泄漏系数、断裂韧度及允许最大位移等力学参数对模型进行赋值。最后设置模型的应力环境，根据实际地质情况设置Z方向的垂直应力为10MPa，在模型的XY方向分别设施加垂直于边界的均布载荷6MPa和8MPa，应力差为2MPa，完成模型的建立。

2.2 数值模拟计算

选定预制裂缝角分别为15°、30°、45°、60°、75°及90°，起裂压力及裂缝张开度随预制裂缝角的变化曲线如图1所示。

从图1（a）可以看出，随着预制裂缝角的增大，砂岩的起裂压力呈现逐步增大的趋势，当预制裂缝角为15°时，此时砂岩的起裂压力最小为13.2MPa;当预制裂缝角为90°时，此时砂岩的起裂压力最大为16.8MPa，较预制裂缝角15°增大了3.6MPa。这是由于随着预制裂缝角的增大，最大水平主应力与预制裂缝的夹角越大，最大水平主应力对预制裂缝尖端的起裂限制作用越强，岩石沿着预制裂缝起裂的困难程度增加，砂岩的起裂压力增加。

从图1（b）可以看出，随着预制裂缝角的增大，砂岩起裂后的裂缝张开度呈现增大的趋势，预制裂缝角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂缝张开度分别为0.1mm、0.108mm、0.15mm、0.118mm、0.121mm和0.125mm。这是由于随着预制裂缝角的增大，砂岩的起裂压力增加，钻孔内部聚集的能量越多，在砂岩沿预制裂缝尖端起裂瞬间，能量释放的也就越多，释放的能量用于裂缝的扩展与裂缝的张开，所以裂缝的张开度随着预制裂缝角的增大而增大。选定预制裂缝长度分别为5mm、8mm、10mm、12mm和15mm，起裂压力及裂缝张开度随预制裂缝长度的变化曲线如图2所示。

从图2a可以看出，随着预制裂缝长度的增大，砂岩的起裂压力呈现减小的趋势，预制裂缝长度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的起裂压力分别为15.5MPa、15.2MPa、14.8MPa、14.2MPa，13.4MPa。这是由于随着预制裂缝长度的增大，预制裂缝尖端附近的应力集中更加明显，裂缝沿着预制裂缝尖端起裂需要的起裂压力越低。

从图2b可以看出，随着预制裂缝长度的增大，砂岩起裂的裂缝张开度逐步减小，预制裂缝长度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的裂缝张开度分别为0.118mm、0.117mm、0.115mm、0.111mm，0.109mm。这是由于随着预制裂缝长度的增大，岩石的起裂压力减小，岩石瞬间释放的能量也就越小，所以裂缝的张开度逐步减小。

选定钻孔直径分别为25mm、30mm、40mm、50mm，随着钻孔直径的增大，砂岩的起裂压力呈现减小的趋势，钻孔直径为25mm、30mm、40m、50mm的起裂压力分别为14.8MPa、14.2MPa、13.8MPa、13.4MPa。这是由于随着钻孔直径的增大，钻孔壁的应力集中更加明显，应力在钻孔壁附近重新分布，起裂压力随钻孔直径的增大而减小。

3 结论

结合理论分析与数值模拟等方法对对砂岩定向水力压裂进行模拟发现，随着预制裂缝角的增大，砂岩起裂需要的起裂压力越大，裂缝起裂的裂缝张开度越大。通过对砂岩定向水力压裂进行模拟发现，随着预制裂缝长度的增大，砂岩起裂需要的起裂压力减小，裂缝起裂的裂缝张开度减小。随着钻孔直径的增大，岩石的起裂压力呈现增大的趋势。

参考文献：

[1]郭鹏飞，张国锋，陶志刚.坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术[J].煤炭科学技术，2016，44（10）：120-124.

[2]翟文，王文新，吕凤圆，邓新东，郑宗儒，汪占领，郭罡业.缓倾斜厚煤层回采巷道水力压裂卸压技术应用研究[J].能源与环保，2020，42（05）：149-152.