综放工作面回风顺槽切顶卸压护巷数值模拟研究

2023-12-04宋旭光

煤炭与化工 2023年10期

宋旭光

（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西阳泉 045000）

0 引言

通过切顶卸压将煤柱上的侧向支承压力向深部转移，使应力降低区范围扩大，为邻近工作面小煤柱沿空掘巷提供安全保障，现阶段这项技术已是各位专家学者研究的热点和难点。程健新登运用数值模拟软件得出切顶卸压能够改善巷道围岩应力分布[1]；孙夏斐等通过多参数、多因素分析提出更优化的技术方案[2]；龙凤魁等通过分析巷道围岩的移动变形规律，提出了分区喷浆控制方案[3]；郭李刚、李旭涛、张欣等通过现场实测得出切顶留巷技术能够降低巷道围岩变形量[4-6]；李世强等提出双巷自成巷支护与大变形锚索联合使用能够控制巷道变形移进量[7-8]；杨晋等提出水力压裂技术能够有效降低巷道围岩的变形量，改善巷道围岩应力环境[9-11]。上述研究针对不同地质条件进行了有针对性的方案设计，没有针对性的对切顶与不切顶对比分析，为此，通过基于顶板破断力学特征和矿山压力显现规律，采用数值模拟方法，对比切顶与不切顶矿压显现特征，确定合理的切顶高度，构建切顶卸压成套技术工艺体系，能够对邻近工作面小煤柱沿空掘巷提供了安全保障。

1 工程背景

上社二景煤矿以往工作面之间煤柱留设宽度在25～30 m，受矿井地质构造等特殊条件的影响，导致煤炭采出率低，还可能会出现巷道维护困难等现象。按照上级公司关于小（无）煤柱开采的理念，该矿计划在15203 工作面实施小煤柱沿空掘巷，为了使15205 工作面回采结束后，在15205 回风顺槽上方的悬臂结构缩短，现决定采用切顶卸压护巷技术在15205 回风顺槽实施爆破切顶卸压，以期达到对15203 工作面进风顺槽起到保护作用。上社二景煤矿15205 工作面位于15 号煤Ⅱ采区东翼，北为15203 进风顺槽（未掘）、南为实体煤、西为采区大巷、东为井田边界。15205 进风顺槽由西向东沿煤层顶板掘进，煤层走向71°，倾向161°，倾角2°～3°，煤层厚度平均5.2 m。煤岩体综合柱状图如图1 所示。15205 回风顺槽设计长度为682 m；15205 回风顺槽为矩形断面，净宽5.2 m，净高5.4 m，净断面为28.08 m2。

图1 15205 回风顺槽综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of No.15205 return air roadway

2 切顶卸压工作原理

2.1 预裂爆破成缝原理

预裂爆破成缝的原理就是在进行爆破作业时，爆炸产生的应力波和气流沿设计的预裂孔爆破出一个既有一定宽度，又没对周围岩体形成较大破坏的贯通裂缝。

顶板岩石预裂爆破的研究发展经历了3 个历程，分别为运用弹性力学解释分析阶段、运用断裂力学解释分析阶段、以及运用损伤力学和断裂力学结合的解释分析阶段。

运用弹性力学解释分析阶段主要是将岩石作为一种层间距离相同、性质相同、均匀厚度等理想化条件的连续介质进行研究分析，依据经典理论的各项准则去判别在爆破作用下生成气压，产生冲击波，造成岩石破裂、裂隙扩展增大的情况。运用断裂力学解释分析阶段主要是岩石在爆破作用下的宏观缺陷分析，爆破作用下产生的冲击波致使裂隙扩展，形成三维的裂隙扩展应力和位移强度的分析结果，最终确定裂隙的扩散范围。运用损伤力学和断裂力学结合的解释分析阶段主要是岩石在爆破作用下的微观缺陷分析，爆破作用下产生的冲击波引起周围岩石裂隙扩散损伤，细化整个裂隙扩展的演化过程，直至裂隙扩展到一定程度后产生裂纹的过程。

爆破成缝主要依靠爆破产生的冲击波，形成一种形状如楔子的冲击力，施加与周围岩体，这种冲击力致使爆破孔周围的岩体产生一条沿横向方向的裂纹（也称“气刃效应”），使得周围岩体沿此方向继续扩散，同时，因为冲击波产生的应力推动作用会使得周围岩体的裂纹受到岩体原岩应力的作用，挤压变形，裂纹经历第二次扩展形成裂缝，增加岩体的透气性。

2.2 切顶卸压护巷技术原理及工艺

基于工作面顶板垮落及破断特征，提出以切断基本顶为保障的切顶卸压护巷技术原理。

工作面回采前，在两侧巷道前方一段距离，利用预裂爆破将前方巷道上方的基本顶和煤柱帮上方的基本顶进行切缝处理，避免煤柱帮上方顶板出现“O-X”破断情况，阻断基本顶之间的联系，消除或减弱采空区侧基本顶回转、断裂、垮落对煤柱侧的影响，使侧向支承压力峰值降低并向深部移动。其工艺流程如图2 所示。

图2 切顶爆破卸压护巷技术原理Fig.2 Technical principle of roof cutting blasting pressure relief roadway protection

超前预裂切顶卸压护巷的技术工艺流程。在本工作面开始回采时，在前方两侧巷道煤柱帮侧布置切顶钻孔，进行超前预裂爆破，形成定向切顶线，如图2（a）和图2（b）所示；当工作面继续推进，上覆顶板在重力载荷作用下，工作面顶板会沿着切顶线冒落，降低了沿空巷道受到工作面顶板压力的影响，如图2（c）所示；另外，工作面顶板冒落，充满采空区后，受上覆岩层顶板弯曲下沉挤压后，沿着采空区进行巷道掘进，掘出的工作面巷道，在后续的回采过程中巷道变形量将减小。

3 切顶卸压数值模拟

3.1 模型建立

本次数值模拟主要对在不切顶情况下与切顶情况下的对比进行研究，进一步研究在切顶的条件下工作面前方采动应力影响状态的变化规律。

根据图1 煤层综合柱状图，利用模拟软件进行二维建模。尺寸为500 m×170 m。根据煤层上覆岩层的容重和层高，计算等到上覆岩层的垂直应力为8.9 MPa，施加于模型上覆进行计算。

观测方面是在不切顶以及不同切顶高度情况下分别监测工作面在采空后的侧向支承压力情况并进行对比分析。模拟过程方面，第一部分首先使模型运算至初始平衡，之后在不切顶的条件下对15205工作面进行回采，待采空区稳定后监测工作面的侧向支承压力；第二部分是恢复之前的初始平衡状态，并针对切顶后留设预裂切缝，待工作面回采至稳定后监测切顶后的工作面侧向支承压力。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 不切顶条件下模拟结果分析

当不切顶时回采15205 工作面的顶板垂直应力和垂直位移云图如图3 所示。从图中可以看出，在工作面回采结束至稳定后，由于工作面回采打破初始平衡状态，使得在采空区侧一定距离内出现了应力集中现象。如果此时进行沿空掘巷，将打破原有的工作面采空区侧向支承压力分布，在掘巷时将会产生应力集中现象。此时掘进的巷道位于采空区边缘的塑性破坏区范围内，同时由于没有将顶部岩层切断，掘巷顶板将受顶部岩层大结构的影响而难以维持稳定。此时掘巷巷道支护不仅困难，而且也将难以维持稳定状态。

图3 工作面回采后垂直应力和垂直位移云图（不切顶）Fig.3 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining(without roof cutting)

从图3 中可以看出，不切顶时工作面侧向支承压力峰值位置出现在距离工作面采空区14 m 的位置，峰值大小为24.36 MPa，其中原岩应力为9.28 MPa，故其应力集中系数为2.63。

将上述的应力峰值绘制曲线如图4 所示。由图4 可知，应力降低区范围为5 m。侧向支承压力在短距离内出现了急速增大，达到峰值，随后又出现迅速降低的现象，随着工作面的继续回采，在工作面推进至距采空区14 m 左右位置时垂直应力的变化才趋于平缓状态。所计算出的侧向支承压力峰值位置出现在距离工作面采空区边缘14 m 左右的位置，峰值大小为24.36 MPa，应力集中系数达到2.63。

图4 侧向支承压力曲线（不切顶）Fig.4 Lateral abutment pressure curve（without roof cutting）

3.2.2 切顶条件下模拟结果分析

根据15205 工作面煤层综合柱状图，其基本顶位置K2上石灰岩，其高度为18 m。由于数值模拟建立模型时基本顶厚度为18 m，因此模拟时切顶高度为18 m。如果在切顶的情况下，基本顶将恰好被完整切掉，阻断了其应力的传递作用，而后再进行沿空掘巷将改善巷道所处的应力环境，其工作面在回采结束至稳定后的垂直应力分布云图如图5所示。从图中可以看出，在预裂切缝的影响下，工作面右侧的顶板已经被整体切下，切顶效果明显。在切顶卸压的情况下，15205 工作面回采完毕后在切顶一侧采空区边缘垂直应力虽有所上升，但幅度不大。

图5 工作面回采后垂直应力和垂直位移云图（切顶）Fig.5 Vertical stress and displacement distribution cloud map after working face mining（roof cutting）

将应力值提取处理绘制曲线如图6 所示。

图6 侧向支承压力曲线（切顶）Fig.6 Lateral abutment pressure curve（roof cutting）

通过曲线可以看出，侧向支承压力峰值位置出现在距离工作面采空区19 m 的位置，峰值为18 MPa（原岩应力为9.28 MPa），经计算可得此时得工作面的应力集中系数为1.94，应力降低区范围为9 m。相比不切顶情况下，切顶卸压后侧向支承压力峰值位置向实体煤一侧偏移了5 m，且峰值减小约了6.363 MPa，应力集中系数减小0.69。同时，应力降低区范围较不切顶情况下增加了5 m。