腾晖矿坚硬顶板切顶充填留巷围岩变形研究

杨鹏

（霍州煤电集团 腾晖煤业有限责任公司，山西 临汾 041000）

0 引 言

我国煤炭资源在一次能源结构中的占比超过6成，同时存在坚硬顶板的煤层占据较大比例。坚硬顶板的存在使得矿井开采过程中极易形成悬顶，威胁着矿井的正常生产，而留煤柱开采的矿井需要加大煤柱宽度，来保证矿井的安全开采，煤炭资源浪费严重，所以解决矿井顶板坚硬问题是保证矿井安全生产的重要任务[1]。本文对坚硬顶板沿空留巷充填体的变形进行研究，以期为矿井安全生产提供一定的参考。

1 概 况

1.1 矿井概况

腾晖矿位于山西乡宁县枣岭乡店沟村，设计年生产能力120 万t。井田结构相对简单，为单斜延伸构造，井田地层倾角平均值在5°左右，2202 工作面现主要开采太原组2 号煤层，煤层厚度3.2～6.0 m，煤层的平均厚度为5.6 m。

1.2 切顶充填留巷理论分析

沿空留巷顶板活动主要分为3 个阶段，其中过渡期阶段内顶板活动最为剧烈，巷道内部围岩变形幅度明显。对过渡阶段内巷道覆岩断裂变形情况进行分析，根据断裂线位置的不同可将其分为3 种，实体煤侧、巷道上方、采空区侧。基本顶断裂位置位于实体煤柱侧，此时工作面没有得到有效支护，充填体无法支撑基本顶的下沉，此时充填体变形最大；断裂位置位于巷道上方，此时覆岩发生较大的离层，充填体的变形基于其他2 种断裂形式之间；断裂位置位于采空区侧，是由于充填体支护强度较大，支护较为及时，覆岩不发生较大的变形，基本顶沿采空区进行有顺序断裂。可以得出，在进行沿空留巷充填时，将基本顶断裂位置控制在采空区侧对留巷最为有利，所以对基本顶断裂在采空区侧进行模拟研究[2]。

1.3 数值模型的建立

结合腾晖矿2202 工作面地质条件，对切顶卸压沿空留巷进行数值模拟。选定UDEC 数值模拟软件进行模拟计算，根据实际地质情况模型，模型的尺寸为100 m×53 m，断面尺寸设定为4.5 m×3 m，充填体的高度设定为与煤层开采高度相同3 m，对模型进行物理参数设定，完成模型物理参数设定后，设定应力条件，在模型的上端施加垂直的均布载荷，根据计算覆岩高度及容重，得出均布载荷数值为5.5 MPa，模型选定库伦-摩尔模型，限制模型上下左右的位移，设定为固定约束。完成模型的初步设定后，对模型进行模拟计算[3]。

2 模拟分析

研究2202 工作面切顶卸压的可行性，模拟未进行切顶卸压与切顶卸压后的沿空留巷情况，切顶卸压的切顶角度设定为35°。切顶卸压前后垂直应力分布如图1 所示。

图1 切顶卸压前后围岩应力分布云图Fig.1 Stress distribution nephogram of surrounding rock before and after roof cutting pressure relief

从图1 中可以看出，当未进行切顶卸压时，此时顶板未发生充分垮落，形成较大面积的顶板，使得充填体最大的垂直应力为15 MPa，当对顶板进行切顶卸压后，巷道顶板充分垮落，应力集中现象明显减小，巷帮充填体的垂直应力峰值为9 MPa。可以看出经过切顶卸压后，充填体的垂直应力峰值有了明显下降，下降6 MPa，这是由于巷道顶板的应力在经过切顶卸压后显著降低，采空区完成垮落后，垮落的矸石充分填充采空区，使得采空区进一步被支护，限制了顶板下沉，同时使得充填体的支撑压力得到较大幅度的降低。

研究切顶角度对沿空留巷围岩稳定性的影响，当切顶角度较小时，切顶需要的能量较大，顶板发生垮落的难度增加，当切顶角度较大时，选定角度增加，顶板的下沉较难控制，本文对切顶角度15°、20°、25°、30°、35°、40°等6 个角度下的巷道围岩应力应变进行分析[4]。巷道围岩应力应变随切顶卸压角度变化趋势如图2 所示。

图2（a） 可以看出，在充填体两侧由于受到应力作用，出现一定程度的破坏，使得应力传递至充填体中部。随着切顶角度的增加，垂直应力值大致呈现出先减小后增大的趋势，最小值为切顶卸压角度为30°。按照切顶卸压角度的增加，巷旁充填体内部的垂直应力峰值依次为13、11、10、8、9、11 MPa，出现这一现象的原因是由于在切顶卸压角度30°以下时，随着切顶卸压角度的增大，采空区充实效果最佳，而在切顶卸压角度30°以上时，由于切顶角度较大，使得悬顶较长，覆岩压力增大，巷旁充填体的应力也有所增大。从图2（b） 可以看出，当切顶卸压角度小于30°时，随着切顶卸压角度的增大，充填体变形量逐步减小，巷道的底鼓量及顶板下沉量也相对减小；当切顶角度大于30°时，由于充填体内部应力较大的原因，使得巷道围岩变形量有所增大；当切顶角度为30°时，顶板下沉量、底板底鼓量、充填体变形量、实体煤帮变形量均为最小值，分别为202、272、254、228 mm。可以看出，当切顶卸压角度 为30°时，切顶卸压效果最佳[5]。

图2 不同切顶角度下充填体应力应变情况Fig.2 Stress and strain of filling body under different cutting angle

合理的切顶卸压高度能够提升巷道稳定性，因此此次选定切顶卸压高度分别为6、8、10 和12 m进行研究，对比不同切顶卸压高度下围岩的稳定性。巷道围岩应力应变随切顶卸压高度变化情况如图3 所示。

图3 不同切顶高度下充填体应力应变图Fig.3 Stress-strain diagram of filling body under different cutting heights

从图3 可以看出，相同切顶卸压高度下，随着距充填体距离的增加，充填体垂直应力值呈现先增大后减小的趋势，出现这一现象是由于充填体两侧发生一定的破坏，使载荷压力施加于充填体中部，造成中部应力值偏大。同时对比不同切顶卸压高度下充填体垂直应力值发现，随着切顶卸压高度的增大，充填体垂直应力呈现出先减小后增大的趋势，在切顶卸压高度为10 m 时，巷旁充填体峰值的最小值为8 MPa。对比不同切顶高度下围岩的变形情况，发现随着切顶高度增大，巷道围岩的变形情况呈现出先增大后平稳的趋势，切顶卸压最佳高度为10 m，此时顶板下沉量、底板底鼓量、充填体变形量、实体煤帮变形量均为最小值，分别为206、276、252、226 mm。

3 结 论

（1） 通过对比切顶前后沿空留巷充填体垂直应力云图发现，经过切顶卸压后充填体垂直应力有了较大幅度降低。

（2） 通过对不同切顶角度下巷道围岩应力应变情况进行分析，发现当切顶角度为30°时，顶板下沉量、底板底鼓量、充填体变形量、实体煤帮变形量均为最小值。

（3） 通过对不同切顶高度下巷道围岩应力应变情况进行分析，发现当切顶高度为10 m 时，巷道稳定性最佳。