切顶条件下窄煤柱护巷围岩稳定性研究

陈宪伟，石媛，吕振

（1.山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西长治 046102；2.山西省科技资源与大型仪器开放共享中心，山西太原 030006；3.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸 056038）

0 引言

降低巷道围岩应力集中大小和范围是巷道围岩稳定性控制的基本途径之一。巷道切顶卸压，即在上区段采空区边缘沿煤体轴向预先切断覆岩与煤层之间的联系，使上区段采空区顶板与底板充分接触来卸除煤柱内承担的部分压力，为回采巷道围岩控制提供较好的应力环境。国内学者对窄煤柱沿空掘巷切顶卸压进行相关研究[1-4]。张子健[5]针对坚硬顶板窄煤柱沿空掘巷围岩控制工程问题，研究了切顶条件下窄煤柱沿空掘巷顶板运动规律，分析了切顶高度对窄煤柱变形和巷道围岩稳定性的影响；何春光等[6]采用理论分析、数值模拟及工程试验相结合的研究方法，综合研究了定向预裂切顶卸压技术及其关键参数，包括切顶角度、高度、炮孔药量及间距。

在上区段采空区侧向支承压力的影响下，窄煤柱内出现大范围塑性破坏，使待掘进工作面巷道存在失稳风险，因此本文结合前人研究成果[7-10]，采用针对连续介质模型的有限元数值计算程序FLAC3D 进行数值模拟计算，分析在窄煤柱护巷条件下进行切顶卸压后应力环境分布及巷道围岩变形规律。

1 采动影响下工作面超前支承压力分布

根据常村煤矿S3-7 工作面工程地质条件进行模型构建，采用二维模型的方式来模拟窄煤柱沿空掘巷切顶后巷道围岩应力环境及位移变形特征，如图1 所示。计算模型的范围为420 m×5 m×240 m（长×宽×高），通过计算得出模型上边缘处原岩应力大小为8 MPa，将8 MPa 应力添加在模型顶端，模型两侧进行位移和速度固定，水平测压系数取1。

图1 S3- 7 工作面平面图及建模模型Fig.1 Plan and modeling model of No.S3-7 Face

S3-7 工作面平均埋深458 m，所采煤层为3 号煤，其下部煤层为6 号煤，煤层间距平均为27.44 m，待回采工作面两侧均为采空状态，北侧为S3-6采空区，南侧为S3-10 采空区。S3-7 工作面可采厚度为5.82～6.15 m，平均可采厚度为5.96 m，煤层倾角较低。

2 回采工作面侧向支承压力分布

为进行沿空掘巷切顶卸压工作，首先研究上区段采空区应力环境稳定后在S3-7 工作面边缘产生的侧向支承压力分布情况，并估算出煤体塑性区分布规律。待模型地应力初始完成后，进行开挖上区段S3-6 工作面，待采空区应力环境稳定后，对上区段采空区侧向支承压力及煤柱塑性区范围进行分析，采空区侧向垂直应力分布如图2 所示。

图2 采空区侧向垂直应力及塑性区分布云图Fig.2 The distribution cloud diagram of lateral vertical stress and plastic zone in goaf

从采空区侧向垂直应力云图中可以看出，在S3-6 工作面回采结束后，在实体煤体边缘形成了明显的应力集中，应力峰值大约在32.6 MPa。从应力曲线图中看出，侧向垂直应力先增大后减小，先后经历了破碎区、塑性区、弹性区，然后恢复到原岩应力。在距采空区0～4 m 时，处于原岩应力之下的减压区，此时煤柱处于破碎状态，基本失去承载能力。4～7 m 处于塑性变形范围内，在7 m 左右到达应力峰值，7～10 m 应力逐渐降低，并进入弹性变形区域，此时承载能力较高。在70 m 逐渐恢复到原岩应力，原岩应力为11.6 MPa。从塑性区分布图中看到，煤柱采空区边缘大约4 m 范围内处于塑性破坏状态，煤体承受能力较弱，稳定能力较差。

3 切顶卸压后巷道围岩应力分布规律

待上区段工作面回采结束后，进行回采工作面沿空掘巷，待掘巷后巷道围岩应力环境稳定后，对回采工作面与上区段工作面接缝处进行切顶卸压。切顶卸压可实现巷道围岩应力的主动调控，人为控制了基本顶的断裂位置，使采空区顶板充分垮落，改变了原有的应力传递路线，使上区段采空区的应力越过巷道传递到实体煤侧更深处，更利于掘巷期间巷道的稳定性。本文采用数值模拟共构建5 种切顶高度模型，分别为5、10、15、20、25 m 模型，对比留设6 m 煤柱未切顶条件下，分析不同切顶高度对煤柱及巷道围岩应力环境的影响规律，从而确定切顶合理高度。图3 和图4 为不同切顶高度下窄煤柱垂直应力分布云图和巷道围岩应力分布曲线。

图3 不同切顶高度下垂直应力分布云图Fig.3 Vertical stress distribution cloud diagram under different roof cutting height

图4 不同切顶高度下垂直应力分布曲线Fig.4 Vertical stress distribution curves under different roof cutting heights

由图3 和图4 分析可知：

通过对比切顶与未切顶条件下窄煤柱及巷道围岩应力峰值的变化，发现切顶条件下与未切顶条件下，其巷道围岩应力分布及位移表现出完全相反的变化趋势，即煤柱内的应力在切顶过程中出现急剧降低现象，相反巷道实体煤侧应力则出现急剧增加现象，且随着切顶高度的增加，窄煤柱内应力逐步减小，而巷道实体煤侧应力逐步增加且应力集中区域也逐步向上向巷道实体煤深处扩展。对于窄煤柱留设工艺来说，其留设原则之一就是保证其稳定性，而采用切顶工艺时，不仅降低了巷道围岩的应力峰值，同时降低了其整体位移量，因此，切顶工艺对于保证窄煤柱的稳定性至关重要。但随着切顶高度的增加，应力峰值降低幅度并不大，由此说明增加切顶高度并不能无限减小应力峰值，反而增加施工难度及施工成本。

经过窄煤柱垂直应力分布云图和巷道围岩塑性区分布规律的分析可知，从图5 中可以看出，在应力集中值保持在一定值不变的情况下，在未进行切顶卸压时，煤柱内的高应力区域明显多于巷道实体煤侧，当切顶高度为5 m 时开始，煤柱内的高应力区域急剧减少，实体煤侧的高应力区域开始明显多于煤柱内，且随着切顶高度的增加，煤柱内的高应力区域不断减小，相反实体煤侧的高应力区域逐步增加，增加幅度不明显。切顶卸压可以切断上下区段基本顶横向结构关系，有效实现巷道围岩稳定性控制。

图5 煤柱及巷道围岩高应力区域演化过程Fig.5 Evolution process of high stress area of coal pillar and roadway surrounding rock

4 切顶卸压后巷道围岩塑性区分布规律

图6 为不同切顶高度下窄煤柱和巷道围岩塑性区分布规律，从整体来看，在未切顶时，塑性破坏区域主要分在煤柱以及煤柱上方，在切顶后，由于上区段采空区覆岩应力通过巷道上方转移至巷道实体煤侧深处，巷道顶板以及实体煤侧塑性破坏区域明显增加，且随着切顶高度的增加，上覆岩层应力转移的位置距离巷道越来越远，塑性破坏范围也在逐步增加，说明切顶后应力在逐步向巷道深部转移，巷道围岩矿压显现剧烈，实体煤分担了煤柱内的高应力。

图6 不同切顶高度下巷道围岩塑性区分布云图Fig.6 Distribution cloud diagram of plastic zone of roadway surrounding rock under different roof cutting height

5 结语

切顶卸压可实现巷道围岩应力的主动调控，人为控制了基本顶的断裂位置，通过对比切顶与未切顶条件下应力峰值的变化，发现切顶条件下与未切顶条件下，其应力分布及位移表现出完全相反的变化趋势，切顶不仅降低了巷道围岩的应力峰值，同时降低了其整体位移量。且增大切顶高度后，应力峰值降低程度并不大，说明增加切顶高度并不能无限减小应力峰值，反而增加施工难度及施工成本。