不同切顶高度下采空侧巷道稳定性研究

郭小刚

(潞安环能股份有限公司 常村煤矿，山西 长治 046031)

针对顶板岩层强度高、难垮落等问题，爆破切顶卸压技术通过对巷道顶板的定向爆破，切断部分岩层间矿山压力的传递，达到缓解应力集中和减小巷道围岩变形的目的。而不同切顶高度影响的巷道卸压范围必然有差异，当切顶高度较小时，顶板中坚硬岩层的相互作用力并未受到太多影响，而且垮落岩体不能对采空区提供有效支撑；当切顶高度过大时，虽然有效阻隔了矿山压力的传递，但顶板损伤范围和侧向悬顶载荷的增加，反而不利于切缝顶端岩层结构的铰接，导致采空侧巷道围岩应力相应增大。因此正确选取切顶高度是保证采空侧巷道围岩稳定和降低巷道支护成本的关键。

1 工作面概况

常村煤矿主采的3号煤层为全井田可采，地面标高+861.6～+989.4 m，工作面底板标高+503.5～+560.9 m。本工作面为S6-1工作面，试验巷道为S6-1胶顺，该巷道与S6-2工作面(已采)之间的护巷煤柱宽度为50 m，其工作面具体布置如图1所示。3号煤层厚度为5.6～6.5 m，平均厚度为6.05 m，煤层中夹矸炭质泥岩，采用放顶煤开采法，采放比为1∶1，煤层顶底板岩层分布情况如表1所示。

图1 工作面位置示意

表1 模型中采用的煤岩层物理力学参数

2 数值模型建立与方案设计

根据给出的工程地质条件，建立相应的巷道及切顶预裂模型，如图2所示。该模型走向×高度=580 m×55 m，主要包括本区段S6-1工作面、上区段S6-2工作面及S6-1胶顺巷道，其中S6-1胶顺巷道宽×高=5 m×3.4 m，两区段间的护巷煤柱宽50 m，煤层两侧各设30 m的边界保护煤柱。模型四周施加水平方向的位移约束，底部施加垂直方向的位移约束，模型顶部施加等效于上覆岩层的均布载荷9 MPa。建模过程中，煤层和岩层选用莫尔-库伦屈服准则进行计算，煤岩体选取的物理力学参数见表1。

2.1 合理切顶高度的确定

根据工作面上方坚硬岩层分布情况可知，煤层上方共有4层坚硬且较厚的岩层，分别为细粒砂岩1、中粒砂岩、细粒砂岩2、细粒砂岩3。因此确定6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m分别为不同切顶岩层高度。

2.2 模型开挖方案

1) 利用软件UDEC建立模型，通过初应力计算功能使模拟达到初始应力平衡，模拟未开挖前模型的原始状态。

2) 首先开挖S6-2工作面，并沿采空区建立如图2所示的切顶预裂线，然后在距离采空区50 m的护巷煤柱下进行巷道开挖。

3) 为了得到煤柱中应力分布特征及巷道顶板下沉量，在巷道顶板下方0.65 m的位置布置了水平测线一监测煤柱中的应力，在巷道顶板上方0.1 m的位置布置了水平测线二监测巷道顶板下沉量，如图2所示。

图2 模型开挖示意

3 切顶高度对巷道围岩稳定性影响

在高应力切顶卸压围岩稳定过程中，不同切顶高度改变了预裂结构面两侧岩层的约束力及采空区垮落范围，从而对巷道保护煤柱的应力分布和巷道变形产生影响。

3.1 不同切顶高度影响下巷道保护煤柱支承应力分布规律

不同切顶高度条件下，巷道保护煤柱应力分布及其两侧应力峰值分别如图3和图4所示。由图3可以看出，保护煤柱中支承应力在巷道侧和采空侧均出现峰值，而且采空侧应力集中要明显大于巷道侧，这是由于巷道开挖使得应力重新分布，当煤柱宽度较大时，受采空区老顶倾向破断的影响，保护煤柱的最大应力会偏向于采空侧。

图3 巷道保护煤柱应力分布

图4 巷道保护煤柱两侧应力峰值

由图4可知，未切顶时采空侧保护煤柱的峰值应力为31.2 MPa，当以高度为6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切顶后，对应峰值应力分别比未切顶前降低8.6%、20.5%、26.0%、19.8%；未切顶时巷帮部峰值应力为17.1 MPa，当以高度为6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切顶后，对应峰值应力分别只比未切顶前降低0.57 MPa、2.1 MPa、2.52 MPa、2.4 MPa。可以看出切顶卸压技术降低了煤柱中的应力集中效应，但采空侧受卸压影响要大于巷道侧。对于采空侧保护煤柱，在切顶高度较小时，煤柱卸压效果随切顶高度增加而明显。切顶高度为24.3 m时，保护煤柱中支承应力达到最小，当切顶高度增加到41.5 m时，煤柱中支承压力出现微增，可见切顶高度对保护煤柱中支撑应力的影响存在最适值。

3.2 不同切顶高度影响下采空侧巷道顶板变形特征

不同切顶高度条件下，巷道顶板变形量及顶板最大下沉量分别如图5和图6所示。由图5可以看出，巷道两侧采空区变形量呈现非对称分布，但随着切顶高度的增加，采空侧和实体煤侧顶板下沉量相差距离越来越小，这是由于在采空区老顶压断影响下，保护煤柱中支承应力较大的采空侧变形会大于实体煤侧，而切顶后破断岩体会充填到采空区，对上覆岩层形成有效支撑，使得采空侧保护煤柱的变形量减小。

图5 巷道顶板变形量

图6 巷道顶板最大下沉量

由图6可知，未切顶时巷道顶板最大变形量为338 mm，当以高度为6.3 m、14.0 m、24.3 m、41.5 m切顶后，相应巷道顶板最大变形量分别为237 mm、189 mm、114 mm、109 mm，分别比未切顶前降低29.9%、44.0%、66.3%、67.7%，可以看出切顶高度低于24.3 m时，巷道顶板变形降低量随切顶高度增大而增加，但切顶高度从24.3 m增加到41.5 m时，顶板最大变形量几乎没有增长，可以认为两者均为最大值。这表明切顶高度较小时，采空区破断岩体的充填效果随切顶高度增强，当切顶高度为24.3 m时，稳定垮落的堆积体可以较好地支撑顶板岩层，阻止了上覆岩层进一步破断下沉，实现了对顶板岩层卸压的目的。当切顶高度增加到41.5 m时，由于采空区充填空间有限，同时顶板悬露面积的增大使得巷道顶板的承载也增加，因此该切顶高度下巷道围岩的卸压效果无明显增加。

3.3 切顶卸压技术现场效果

经切顶卸压及相应巷道补强支护后，现场矿压监测结果表明，切顶卸压技术提高了巷道围岩稳定性，并根据模拟结果选择切顶高度为24.3 m时，巷道顶底板移近量减少了20.6%，两帮移近量减少了13.7%，锚索支护范围内离层减少了9.5%，锚杆支护范围内离层减少了14.0%，锚索受力减小了10.7%，效果最为显著。

4 结 语

1) 对于巷道围岩，切顶技术可以降低保护煤柱中的应力集中效应，而且采空侧受卸压影响要大于巷帮侧；对于巷道顶板，切顶技术可以降低其变形量，并减小采空侧与实体侧下沉量的差距。

2) 按照顶板岩层分布情况确定切顶高度，当切顶高度较小时，采空侧巷道保护煤柱中支承压力减小量和巷道顶板变形降低量随切顶高度增加而增加，当切顶高度达到24.3 m时，两者均达到最大值，当切顶高度继续增加时，围岩应力和巷道顶板变形量并无明显增加，说明切顶高度存在最适值，且当切顶高度为24.3 m时巷道顶板达到最大卸压效果。

3) 巷道的切顶高度通过控制垮落岩体充填采空区的程度和顶板卸压范围，进而影响巷道顶板岩层应力分布和变形量。经现场监测发现，根据模拟结果选择的切顶高度24.3 m卸压效果显著。