马兰矿坚硬顶板切顶充填留巷围岩变形研究

2022-08-03任增浩

山西冶金 2022年3期

任增浩

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿，山西太原 030053）

矿井在采掘过程中，坚硬顶板工作面易形成悬顶，而大面积的悬顶严重威胁着矿井的正常生产，同时由于坚硬顶板的存在，使得留煤柱开采的矿井需要加大煤柱的宽度来保证矿井的安全开采，这无疑会出现煤炭资源浪费的情况，因此，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]。本文以马兰矿18509 工作面为工程背景，对坚硬顶板沿空留巷充填体的变形进行研究，以保证矿井的安全开采。

1 矿井概况及模型建立

1.1 矿井概况

马兰矿位于山西古交西南15 km，井田面积104.4 km2，设计生产能力400 万t/年，18502 工作面现主要开采2 号、3 号煤层，井田结构相对简单，主要构造形式为单斜延伸构造，井田的地层倾角平均值在5°左右，18509 工作面现主要开采太原组8 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三个阶段，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，所以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断裂变形情况分为三种，一为顶板断裂位置在实体煤侧，二为断裂位置位于巷道的上方，三为断裂位置位于采空区侧。其中，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的支护，充填体无法支撑基本顶的下沉，充填体变形最大；基本顶的断裂位置位于巷道的上方，此时覆岩发生较大的离层，充填体的变形介于其他两种断裂形式之间；断裂位置位于采空区侧时，由于充填体支护强度较大且支护较为及时，此时覆岩不发生较大的变形，基本顶的断裂沿着采空区进行有顺序的断裂。从以上分析可以得出，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 数值模型的构建

结合马兰矿18509 工作面地质条件，对切顶卸压沿空留巷进行数值模拟，首先进行模型建立，选定UDEC 数值模拟软件进行模拟计算，根据实际地质情况进行模型建立。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，即3 m；对模型进行物理参数设定，完成模型的物理参数设定后，对应力条件进行设定，在模型的上端施加垂直的均布载荷，根据覆岩高度及容重得出均布载荷数值为5.5 MPa；模型选定为库伦摩尔模型，此为本次模拟的本构模型，限制模型上下左右的位移，并设定为固定约束，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

首先对18509 工作面切顶卸压的可行性进行研究，对未进行切顶卸压与切顶卸压后的沿空留巷情况进行模拟，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云图如图1 所示。

图1 切顶卸压前后围岩应力（Pa）分布云图

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，顶板面积较大，此时充填体最大的垂直应力为15 MPa; 当对顶板进行切顶卸压后，此时的巷道顶板发生充分垮落，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。由此可以看出，经过切顶卸压后，充填体的垂直应力峰值有了明显下降，下降了6 MPa，这是由于在经过切顶卸压后，巷道顶板的应力有了明显的降低，而采空区完成垮落后，垮落的矸石充分填充采空区，使得采空区进一步得到支护，顶板下沉现象得到较好限制，同时充填体的支撑压力也有了较大幅度的降低。

2.1 切顶角度对沿空留巷围岩稳定性的影响

对切顶角度对沿空留巷围岩的稳定性的影响进行研究，合理的切顶卸压角度能够使得顶板按照指定方向发生垮落。当切顶角度较小时，此时由于切顶需要的能量较大，顶板发生垮落的难度增加，而当切顶角度较大时，此时选定角度增加，顶板的下沉较难控制。因此，本文对切顶角度15°、20°、25°、30°、35°、40°共6 个角度下的巷道围岩应力、应变情况进行分析[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 不同切顶角度下充填体应力/应变图

从图2-1 可以看出，巷帮充填体的垂直应力随着距充填体巷旁侧距离的增加大致呈现出先增大后减小的趋势。分析可知，由于受到应力作用，充填体的两侧出现一定程度的破坏，使得应力传递至充填体的中部。同时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。切顶卸压角度为30°时，充填体的垂直应力峰值最小，随着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 MPa、11 MPa、10 MPa、8 MPa、9 MPa、11 MPa，出现这一现象的原因是由于切顶卸压角度在30°以下时，此时随着切顶卸压角度的增大，采空区充实效果最佳，而切顶卸压角度在30°以上时，此时由于切顶角度较大，悬顶较长，使得覆岩压力增大，巷旁充填体的应力也有所增大。

观察图2-2 可以看出，当切顶卸压角度小于30°时，此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，而当切顶角度大于30°时，此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，此时的顶板下沉量、底板底鼓量、充填体变形量、实体煤帮变形量均为最小值，且最小值分别为202 mm、272 mm、254 mm、228 mm。由此可以得出，当切顶卸压角度为30°时，切顶卸压效果最佳[5]。

2.2 切顶高度对沿空留巷围岩稳定性的影响

对切顶高度对沿空留巷围岩的稳定性的影响进行研究，合理的切顶卸压高度能够使得巷道稳定性得到较好的提升，因此本文选定切顶卸压高度分别为6 m、8 m、10 m 和12 m 进行研究，对比不同切顶卸压高度下围岩的稳定性。巷道围岩应力及应变随切顶卸压高度变化趋势如图3 所示。

图3 不同切顶高度下充填体应力/应变图

从图3-1 可以看出，在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，出现这一现象仍是由于充填体两侧发生了一定的破坏，使得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 时取到巷旁充填体峰值的最小值，为8 MPa。

根据图3-2，对比不同切顶高度下围岩的变形情况发现，随着切顶高度的增大，巷道围岩的变形情况呈现出先增大后平稳的趋势，所以一味的增大切顶高度并不会无限制降低巷道围岩变形，所以切顶卸压最佳的高度为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，最小值分别为206 mm、276 mm、252 mm、226 mm。