坚硬顶板切顶卸压围岩变形规律研究

唐满元

(山西潞安集团 潞宁煤业有限责任公司，山西 忻州 036700)

坚硬顶板悬顶是煤矿开采矿压控制的难题之一，如何减少坚硬顶板在采空区的悬顶长度，降低顶板压力，是煤矿安全生产需要解决的关键问题之一[1-4]。由于悬臂梁的存在，在煤柱附近易形成高应力环境，不利于巷道围岩的稳定。此外，当大范围悬顶发生突然垮落时还容易对巷旁支护或者煤柱产生冲击作用，其来压增大、整体垮落造成采空区瓦斯大量压出，易于诱发安全事故[5-8]。切顶卸压技术即人为干预，提前切断工作面上覆顶板，使其在工作面采过之后由覆岩载荷的作用下破断的技术。切顶卸压技术可以大大降低工作面顶板的悬顶长度，降低回采巷道侧向和工作面后方顶板悬顶长度，从而缓解煤柱压力。本文运用相似模拟和现场实验，研究切顶条件下采空区顶板跨落特征和巷道应力及变形特征，为切顶卸压技术的现场应用提供支撑。

1 相似模拟试验设计

相似材料模拟实验是以相似理论为基础并按照一定的几何比例模拟岩体及矿体内变形应力特征的实验技术。相似实验具有直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，是科学研究中揭示事物内在规律的一种重要手段。

1.1 实验目的

1) 分析开采过程中坚硬顶板岩层破断、运移规律及岩体的堆积特征；

2) 结合顶板垮落特征，研究轨道下山围岩的变形破坏特征；

3) 揭示坚硬顶板切顶前后开采扰动对保安煤柱的应力影响规律。

1.2 实验设备

使用自主设计的平面相似模拟试验平台，平台长×宽×高=1 400 mm×100 mm×1 300 mm，模型左右边界水平位移约束，下边界位移约束，上边界受气缸施压模拟地应力场，相似模拟实验设计如图1所示。

图1 实验设备

试验过程中采用静态应变仪监测模型中压力盒的压力变化情况。采用数字摄影测量技术观测位移变化，数字图像分析部分则使用中国矿业大学自主设计开发的《数字照相量测实用软件系统PhotoInfor》软件。

1.3 相似材料选取

本次模型实验选择的相似材料骨料为普通细粒河砂(粒径小于3 mm)；胶结材料为石膏、水泥、碳酸钙；分层材料为云母粉。加进适量的锯末以减少煤的相似材料的容重。

铺设模型之前，需要测定不同比例相似材料的力学性质。将骨料和胶结材料按照一定配比充分混合均匀后，加入水搅拌，水的比例为干料质量的0.1倍。搅拌均匀后将不同比例的骨料和胶结材料制成标准试样，测定不同比例试样的力学性质。选取符合相似比的材料配比，称取材料铺设模型，根据相似模拟试验的材料配比参数，搅拌均匀后将混合料放入模型架子中，重物砸实铺平。按照岩层的厚度及岩层层序依次向上累加，直至设计高度。

1.4 相似模型参数

表1 模型设计参数

1.5 测点布置

实验中，压力盒测点布置如图2所示，煤层，布置7个测点，间距20 cm，距离底板15 cm；直接顶，布置7个测点，间距20 cm，距离底板高度25 cm；老顶，布置7个测点，间距20 cm，距离底板高度35 cm；覆岩布置3个测点，间距40 mm。巷道距离模型左边界15 cm，顶板破断线距离右边界35 cm，破断角为10°，向工作面方向倾斜。研究在开采过程，切顶岩层的垮落规律、轨道下山围岩变形特征和保安煤柱的应力演化规律。

图2 切顶测点布置

模型内预制裂缝倾角10°，距离相似模型右帮35 cm顶板布置裂缝，裂缝高度为32 cm；模型开挖，提前开挖轨道下山，并使顶板预制裂缝贯通，从右至左开挖22115工作面，每次开挖5 cm。

2 围岩变形规律

采用相似模型分析切顶前后顶板的垮落形态，揭示对煤柱应力的影响规律，相似模拟试验得到的工作面顶板岩层切顶后破断特征，如图3所示。

图3 切顶覆岩垮落特征及岩层移动位移

图中可以看出：在切顶条件下，工作面回采至岩层预制裂隙时，采空区顶板上覆岩层在剪切应力的作用下沿预制裂隙发生切落，充填煤柱侧向采空区。采空区顶板被切落以后，煤柱与采空顶板之间的水平应力传递路径被切断，有效阻止了侧向应力在煤柱内部的传递。采空区岩石垮落后，垮落岩石的体积变大，因此又与上位稳定岩层接顶，垮落的岩石支撑顶板压力，减小煤柱载荷，对下山巷道群巷道煤柱有支撑和侧向限制侧滑的效果，使巷道处于低应力区，增加巷道的稳定性。

由图4煤柱应力变化规律可知，切顶条件下，煤柱应力先增加后减少。与不切顶条件下相比，煤柱的峰值应力有较大幅度减小。随着开采距离的增大，测点应力峰值位置不断前移。应力影响范围约为25 cm，峰值应力为0.24 MPa。1号压力盒临近巷道侧，4号压力盒临近采空侧切顶侧，随着工作面的回采，采空区顶板沿着预制裂隙垮落，悬顶结构消失且坚硬顶板之间的应力扩展途径被切断，两个压力盒读数从0.24 MPa降到0.13 MPa。

图4 切顶条件下煤柱应力变化

图5可以看出：工作面顶板在不切断时，顶板变形较为明显。从开挖第1歩至第4歩的过程中，煤柱宽度较大顶板侧向压力还未转移到下山巷道群附近，巷道应力减小，顶板下沉速度减缓。开挖第4歩至第7歩的过程中，巷道顶板下沉速度加快。开挖至第7歩时，采区保护煤柱中对中为70 m，顶板自动垮落时悬顶长度已达37.6 m。由于顶板未及时垮落，顶板侧向压力不断转移直至接近巷道围岩附近，造成巷道应力集中程度高，顶板下沉量达到8 mm(640 mm)。由图5巷道顶板变形量可知，开挖第1歩至第4歩过程中，巷道顶板变形量不明显。开挖第4歩至第7歩的过程中，煤柱宽度减少，顶板侧向压力逐渐向巷道群转移。当开采至回撤通道时，顶板沿着预制裂隙垮落，悬顶长度减少，顶板横向应力被切断，巷道受侧向应力扰动作用减轻，巷道顶板变形量为4.4 mm(350 mm)。

图5 工作面顶板切落后，巷道顶板下沉量

3 现场实验

在潞宁煤矿22115工作面进行超前定向预裂爆破实验，如图6所示，预裂爆破参数见表2。

图6 爆破孔布置

通过对钻孔图像(如图7所示)进行分析可知，爆破孔深在1～9 m时岩壁完整，没有出现裂隙，爆破孔深在9～17 m时预裂爆破孔侧岩层出现预制裂隙，达到了较好的预裂效果，同时保护了下部软弱岩层的完整性。

采用“十字布点法” 监测巷道围岩表面变形量，结果如图8所示。

表2 预裂爆破参数

图7 预裂爆破效果

从图8可以看出：在22115工作面实施顶板预裂爆破方案后，能有效地控制巷道围岩的变形。巷道围岩变形在40 d后趋于稳定，顶底板移近量约为320 mm，两帮移近量约为245 mm，变形量控制在设计范围之内。

4 结 语

本文采用相似模型和现场实践，分析了实施切顶卸压后顶板岩层的垮落特征、巷道顶板及煤柱应力演化规律，揭示了切顶卸压的作用机理，得到了以下结论：

1) 切顶以后，采空区顶板在剪应力作用下沿着预制裂隙垮落，破断岩体填充采空区并与上部岩层结顶，有效缓解了保安煤柱承担的载荷，提高了巷道的稳定性。

2) 采空区顶板切断时，坚硬顶板悬顶长度减少，采空区顶板与煤柱顶板之间应力传递途径被切断，巷道顶板受侧向应力扰动作用减轻。