潘二矿11123 工作面下顺槽切顶卸压护巷数值模拟研究

罗 勇，李志红，孙向阳，韩云春

（1.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南232001；2.淮南矿业集团 潘二煤矿，安徽 淮南232087）

引言

近距离煤层群巷道易受工作面采动影响，巷道围岩控制难度大[1-2]。以往通过提高巷道支护强度的方式控制围岩稳定性，但“硬抗”并不能从根本上减小或转移聚集在巷道围岩中的应力[3]，通过人工干预的方式，破坏或改变超前支承压力的传播路径。目前深孔预裂爆破方法成为人工干预的主要方式。李俊斌[4]探讨了深孔预裂爆破强制放顶的可行性；傅菊根[5]针对厚硬砂岩顶板条件，采取深孔预裂爆破，缩短了初次来压步距；于志慧[6]分析了切顶卸压前后的受力情况，采取了聚能爆破炮孔布置位置及爆破技术参数；王华斌[7]分析了爆破卸压机理，采用数值模拟手段对爆破参数进行了优化。

分析以上文献发现，学者针对硬岩爆破切顶技术进行了大量的研究，而对于近距离煤层开采后对下部底区巷道围岩控制技术研究较少。基于此，结合潘二矿11123工作面下顺槽预裂爆破切顶卸压保护底区11221 上顺槽的工程实例，研究近距离煤层预裂爆破切顶卸压护巷技术。

图1 11123 工作面与11221 上顺槽位置关系

1 工程概况

潘二矿3 煤和1 煤属于近距离煤层。11123 工作面北沿11223 上顺槽沿空掘进，工作面倾斜长160m，煤层倾角平均10°，厚度平均5.5m；11221 上顺槽掘进工作面位于11123 工作面底区，南以11123 上顺槽内错20-23m，11223 工作面已回采，1 煤与3 煤层间距平均为1.5m，具体工作面位置关系简图如图1 所示。

11123工作面上覆岩层中赋存层厚平均10m 的中粗砂岩，综合柱状图如图2 所示。顶板垮落不及时，悬顶效应易造成11123 与11223 工作面之间的煤柱应力集中，导致邻近的底区巷道11121 下顺槽矿压显现明显。采用预裂爆破的技术方案消除或减弱中粗砂岩等坚硬顶板形成的悬顶效应。具体方案为：施工位置为距离11123 下顺槽上帮1m，切顶高度控制线22m，切顶角度偏向11123工作面方向15°，即钻孔的仰角设计为75°，炮孔长度23m，切顶间距6m，垂直于11123 下顺槽施工。在11123工作面下顺槽实施预裂爆破后，切断煤柱上方的坚硬厚顶板，改善底区11221 上顺槽受力状态，达到减少巷道变形的目的。

图2 11123 工作面综合柱状图

2 切顶卸压护巷数值模拟

运用FLAC3D数值模拟软件，以11123 工作面实际地质条件为基础，在构建关键层影响下采动应力模型的基础上，模拟预裂爆破切顶卸压前后应力变化规律，分析切顶卸压前后对区段煤柱的影响规律。

2.1 数值模型建立

以11123 工作面实际地质与生产条件为背景建立数值模型。模型中规定工作面走向方向为X 方向，倾向方向为Y 方向，垂直方向为Z 方向，向上为正，根据对称性原则，选取工作面的一半进行建模，模型的尺寸：走向×倾向×高度=250×288×182.8m，考虑工作面煤层倾角平均为10°，如图3 所示；模拟上覆岩层厚度100m，模型的上边界采用应力边界条件，施加等效压应力9.125MPa，四周和底面采用位移边界条件，计算采用摩尔-库伦屈服准则。

图3 数值模型图

在11123 工作面回采范围内，未切顶卸压段与切顶卸压段范围各为75m，模拟过程不考虑巷道支护。按照现场回采速度为2-3m/天，模拟时每次回采长度为2.5m。

2.2 数值模拟结果分析

按照矿井开掘顺序进行模拟。11123 工作面开挖，分为两个区域，未切顶卸压区域（x：50-125）和切顶卸压区域（x：125-200）。采用弱化爆破区域介质的物理力学参数对爆破进行简化处理[8]。根据现场实际装药量，数值模拟弱化上覆岩层第3 层，即中粗砂岩段。图4 给出了未切顶卸压段与切顶卸压段倾向方向垂直应力云图。

可以看出，11123 工作面下顺槽未采取切顶卸压时，本应由采空区支承的上覆岩层载荷由覆岩的中粗砂岩传递至区段煤柱，造成煤柱内部应力升高。区段煤柱侧向支承压力峰值区位于煤柱的中部区域，峰值约为48.2MPa，区段煤柱承载压力较大，极易造成煤柱失稳。采取切顶卸压后，侧向支承压力峰值同样位于区段煤柱的中部区域，但垂直应力峰值大幅降低，峰值约38.4MPa，降幅9.8MPa。

图4 11123 工作面切顶与未切顶区域应力变化

图5 切顶与未切顶区域区段煤柱垂直应力分布曲线

对比未切顶卸压的方案，明显可见区段煤柱内高应力峰值大幅度降低，说明爆破卸压切断了位于煤层上覆坚硬岩层，切断采空区顶板与区段煤柱之间的应力传递，在回采过程中，爆破生成的裂隙利于顶板切落（b 图拉应力区域），有效阻隔采空区上覆岩层载荷向工作面侧向的传播途径。爆破卸压改变了煤岩体内原有的侧向支承压力分布形态，使得区段煤柱处于低应力区内，利于巷道的适用于维护。图5 给出了切顶与未切顶区域区段煤柱垂直应力分布曲线。

从图5 可见，采取了爆破切顶卸压技术措施，切顶卸压后，改善了区段煤柱的受力状态，区段煤柱应力峰值大幅降低，受力较小，便于11123 下顺槽维护。

图6 给出了11121 上顺槽不切顶条件和切顶条件下掘进后围压垂直应力云图及垂直位移云图。

11221上顺槽位于11223 工作面底区卸压范围内，巷道围岩整体应力较小。对比未切顶卸压与切顶卸压，切顶卸压范围内，11221 上顺槽巷道围岩应力降低1MPa，垂直位移减小3.34cm，可见，采取了预裂爆破切顶卸压技术措施后，11221 上顺槽垂直应力和垂直位移均有降低。切顶卸压技术措施对巷道围岩控制起积极的作用。

3 结束语

（1）11223 下顺槽采取预裂爆破切顶卸压技术措施后，切断采空区顶板与区段煤柱之间的应力传递，在回采过程中，爆破生成的裂隙利于顶板切落，有效阻隔采空区上覆岩层载荷向工作面侧向的传播途径。改善了区段煤柱围岩的应力分布状态，区段煤柱应力峰值大幅降低，受力较小，便于11123 下顺槽巷道维护。

图6 切顶与未切顶区域11221 上顺槽掘进后垂直应力、垂直位移云图

（2）对比未切顶卸压与切顶卸压，切顶卸压范围内，11221 上顺槽垂直应力和垂直位移均有降低。切顶卸压技术措施对巷道围岩控制起积极的作用。