厚煤硬顶巷道切顶卸压模拟研究及效果分析

2022-05-30张懿

科学技术创新 2022年17期

张懿

（安徽理工大学矿业工程学院，安徽淮南 232000）

随着我国的开采强度不断加大，巷道所受采动压力也日益剧增，而巷道作为煤炭开采的交通要道，保证其稳定性具有重要意义。厚煤硬顶巷道因其基本顶为坚硬岩层，强度高，难垮落，易引发强矿压，为保证井下工人的生命安全，爆破切顶技术开始普遍实施。

对于切顶巷道，白璐[1]指出切顶后巷道顶板竖直位移由采区向采空区逐渐增大，巷道围岩变形量变；韩刚等[2]指出巷道沿空侧覆岩破裂产生的动载为巷道动力显现诱冲的主要原因；王辛丰等[3]提出巷道围岩的破坏是由垂直应力和水平应力耦合作用而产生的，顶底板变形量是观察围岩破坏最有效特征；朱志洁等[4]指出厚煤大采出空间及其多层坚硬顶板，在采动应力的影响下，造成综放工作面强烈矿压显现；尉瑞等[5]指出巷帮变形中煤柱帮移近量大于工作面帮；杜科科[6]通过引入ETAS 长壁式支承压力计算模型，分析了工作面的矿压显现力学机制，进而设计水压欲裂方案来弱化顶板垮落来压；于健浩等[7]发现“双软”煤层矿压显现弱，只有局部来压特征明显，超前采动压力对巷道影响范围较大；刘乙霖等[8]揭示了切顶卸压的原理是通过切断煤柱侧未垮落基本顶岩层使其及时垮落，以减小煤柱载荷和基本顶岩层垮落对煤柱的载荷；王高伟[9]制定水压切顶方案及相应的支护措施，通过观察弧形三角板水力压裂的效果，结合对巷道矿压的观测，证明水压切顶方案的可行性；张雷[10]通过理论分析揭示了切顶护巷的原理，并以此为根据提出了四种防冲击控制方案，得出当钻孔倾角竖直向上，钻孔深度8m 和6m，钻孔间距500mm 时效果最好；苏超等[11]发现切顶可以减弱深井临空巷道形成的双“F”结构的悬顶叠加效应，并且可诱发顶板产生新的断裂线，进而保持巷道的稳定性。

本文以唐家会煤矿61304 工作面辅运巷道为研究对象，根据厚煤硬顶巷道的围岩特性和力学条件，建立数值模拟模型，通过对模拟结果进行分析，确定巷道的矿压显现特征。

1 工程概况

唐家会煤矿的主采煤层为平均层高16.8m 的6 煤，采用综放开采，采高4.5m，放煤12.3m。而61304 工作面位于井田的西南方，走向长度2141m，倾向长度240m。61304 辅运巷道为沿煤层底板掘进的矩形巷道，宽×高=5.7m×3.8m。直接顶为泥岩，基本顶为较坚硬的细粒砂岩，难破断，易引发巷道冒顶。岩层结构布置如图1 所示。

图1 岩层结构布置

2 厚煤硬顶巷道切顶技术分析

随着工作面推进，巷道的直接顶随之垮落，砂岩层基本顶悬露，形成两边固支的固支梁，如图2 所示。若不及时切断基本顶，将会造成顶板大面积悬吊，极易引发强矿压，对工人的人身安全造成伤害。

图2 切顶前岩层位置图

通过切顶技术可使巷道基本顶及时垮落，即可解除巷道冒落的隐患，如图3 所示。

图3 切顶后岩层位置图

3 厚煤切顶巷道数值模拟分析

3.1 数值模拟模型的建立

为了研究切顶前后61304 辅运巷道围岩的应力分布、破坏特征及变形情况，采用FLAC3D 模拟软件对61304 辅运巷道进行模拟，建立尺寸为652m×720m×383.9m（长×宽×高）的数值模型，采用Mohr-Coulomb 强度准则，考虑到边界效应走向和倾向方向各留150m 的边界煤柱。

3.2 垂直应力分析

由图4 可知，未实施爆破切顶方案时，巷帮测出现大范围的应力集中。距离工作面5 m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达13.94MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达27.78MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达35.33MPa；在距离工作面15m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达13.85MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达24.56 MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达28.81MPa；在距离工作面30 m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达12.57MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达22.67MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达24.11MPa。

图4 切顶前后工作面不同距离的垂直应力云图

实施爆破切顶方案后，距离工作面5m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达9.59MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达23.21MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达34.09MPa；在距离工作面15m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达8.81MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达22.91 MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达27.15MPa；在距离工作面30 m 处，巷道顶板所受最大垂直应力达8.37MPa，煤柱侧巷帮最大垂直应力达21.42 MPa，实体煤侧巷帮最大垂直应力达23.74MPa。由此可知，切顶后巷道围岩内部的应力传递被阻断，巷道顶板应力减小，煤柱侧巷帮的应力集中减小。