坚硬顶板综放面切顶卸压技术的研究与应用

2023-12-09陈晋超

石化技术 2023年12期

陈晋超

山西焦煤西山煤电马兰矿山西太原 030200

1 前言

坚硬顶板是我国煤矿生产过程中面临的重要问题，其难垮难落极易造成工作面形成悬顶，当悬顶的尺寸足够大时发生垮落，造成冲击地压，而对于留煤柱的矿山，大面积的悬顶使得煤柱尺寸增大，造成资源的流失，对于无煤柱开采的巷道，大面积的悬顶造成巷道变形严重，增加巷道维护成本，所以对坚硬顶板进行及时垮落卸压是十分必要的，此前众多学者对坚硬顶板的治理进行过研究[1]，本文利用理论分析及数值模拟相结合的研究方法，对不同切顶高度及不同切顶角下切顶卸压效果进行分析，给出最佳的切顶参数选择，为矿山切顶卸压提供一定的参考。

2 理论分析

切顶高度是指定向压裂切缝距离煤层与岩层的分界面距离，合理的切顶高度对于切顶卸压十分重要，它可以使的一定范围内垮落的矸石及时充填采空区，对覆岩的变形起到一定的支护作用。直接顶的垮落随着支架的前移而逐步发生，垮落后的矸石无规律性散落，而跨落后的矸石的充填程度受到垮落顶板厚度及岩石的碎胀系数等的制约，当直接顶厚度为h时，垮落高度为Kh，直接顶与老顶的高度可以表示为：

公式中：Δ表示为直接顶与老顶相距高度，m；h为直接顶的厚度，m；Hc为煤层的高度，m；K为岩石的碎胀系数。

合理的切顶高度可以使得垮落岩石有效的支撑覆岩，采空区被垮落矸石完全充填，可以得到预裂切顶高度为:

式中：Hf为预裂切缝高度，m；ΔH1和ΔH2分别表示顶板的下沉量及底鼓量，m；K为碎胀系数。根据实际地质情况可知矸石的碎胀系数为1.4，且不考虑底鼓及底板下沉情况可得出切缝高度为8m，同时对切顶角度进行研究，切顶角度是指切缝与顶板垂向的夹角，合理的切顶角度可以减小岩块间的摩擦，使得卸压效果更加明显，根据对切顶角度的研究得出切顶角度小于20°时，切顶效果较好[2]。

3 数值模拟

为了对不同切顶高度及切顶角度下巷道围岩的应力分布进行研究，利用FLAC3D数值模拟软件进行建模分析，首先进行模型的建立，根据实际地质情况建立长宽高分别为280m、180m和120m。巷道的开挖尺寸长宽高分别为4m、180m及3m，煤层的埋深设定为340m，本构模型选定摩尔库伦模型，对模型进行参数设定，完成参数设定后对模型的边界进行约束设定，对模型的前后设定Y向约束，左右设定X向约束，同时在模型的下边界进行Z方向约束设定，在上边界进行自重设置[3]。计算模型如图1所示。

图1 数值模拟计算模型示意图

首先对不同切顶高度下切顶的效果进行分析，由于理论计算合理的切顶高度为8m，所以对切顶高度6m、8m和10m进行对比分析，观察围岩的垂直应力分布情况，在煤帮Z=23m及顶板X=78m的位置设定垂直应力监测线，垂直应力分布情况如图2所示。

图2 不同切顶高度下垂直应力分布云图

根据图2无切顶时的垂直应力云图可以看出，当无切缝时，在滞后工作面约50m的位置出现应力集中区域，且应力集中区域的长度约为8m，在煤帮监测线的位置出现垂直应力的最大值，最大值为24.4MPa，由于原岩应力为10MPa，所以最大垂直主应力是原岩应力的2.4倍多，动载荷系数约为2.7，在巷道的上端部与采空区内存在一定的卸压区，但卸压区域面积较小，同时根据顶板垂直应力监测可知，卸压区域的平均应力值为6.4MPa。当切顶高度为6m时，此时的切缝并为贯通基本顶，同样在滞后工作面约50m的位置出现应力集中，此时应力集中区域向着顶板的上端进行转移，且实体煤帮内部应力集中区域距离巷帮约为11.5m，此时在煤帮的监测线上的最大垂直应力约为20.7MPa，较切顶高度0m时有了明显的降低，此时最大垂直应力约为原岩应力的2.1倍，动载系数为2.3，在巷道的上端及采空区顶板的卸压区域较无切顶高度时有了一定的增大，顶板监测线平均垂直应力为6.2MPa。当切顶高度为8m时，此时切缝刚好贯通基本顶，在滞后工作面50m煤柱应力集中区域距离煤帮14m，相距较远，煤帮监测线上垂直应力最大值为18.7MPa，动载系数为2.1，是原岩应力的1.87倍。观察顶板上端及采空区可以看出，在一定范围内出现大面积的卸压区，卸压区域较切顶高度0m和切顶高度6m有了明显增大，同时根据顶板监测线监测的垂直应力可知，在卸压区域垂直应力均值为5.9MPa。当切顶高度增大至10m时，此时切缝贯通已经超过基本顶的高度，在滞后工作面50m煤柱应力集中区域距离煤帮14m较远，与切顶高度8m时相同，煤帮水平监测线上的垂直应力最大值为18.5MPa，为原岩应力的1.85倍，同时顶板垂直监测线的应力分布情况与切顶高度8m时几乎无差，可以看出，随着切顶高度的增大，应力集中区域距离煤帮越远且卸压效果越好，但切顶高度8m与切顶高度10m的切顶效果相差较小，且随着切顶高度的增大，前期消耗越大，所以合理的切顶高度为8m，既能保障垮落矸石可以充填及支护覆岩，又能保障一定的切顶效果。

对切顶角度进行研究，根据理论分析可知切顶角度不易大于20°，所以模拟切顶高度8m下切顶角度0°、5°、15°和20°，同样在煤帮Z=23m及顶板X=78m的位置设定垂直应力监测线。

当切顶角度为0°时，此时在滞后工作面约50m的煤帮垂直应力最大值为18.7MPa，是原岩应力的1.87倍，在巷道的上方和采空区顶板上端有明显的卸压区，同时根据顶板的垂直监测线监测结果可知，卸压后平均垂直应力为5.9MPa。当切顶角度为10°时，此时在滞后工作面约50m的煤帮垂直应力最大值为19.7MPa，是原岩应力的1.97倍，在巷道的上方和采空区顶板上端的卸压区较0°有了明显的增大，同时根据顶板的垂直监测线监测结果可知，卸压后平均垂直应力为5.7MPa。当切顶角度为15°时，此时在滞后工作面约50m的煤帮垂直应力最大值为20.2MPa，是原岩应力的2.02倍，在巷道的上方和采空区顶板上端的卸压区并未较切顶角度10°时有多少增大，顶板的垂直监测线得出卸压后平均垂直应力为5.5MPa。当切顶角度为20°时，此时的水平监测线最大主应力为20.5MPa，巷道上端及顶板卸压范围较10°无明显增大，顶板垂直监测线得出卸压区平均应力为5.4。可以得出最佳的切顶角度为10°。