沿空留巷切顶卸压围岩稳定性分析

2021-03-15张庆军

山西化工 2021年1期

张庆军

(山西煤炭进出口集团浦县豹子沟煤业有限公司，山西临汾 041000)

引言

煤炭资源是我国主要的化石能源，也是我国重要的能源支柱，随着我国经济的不断提升，煤炭资源的消耗水平日益增加，据统计，2025年我国煤炭资源的消耗量将达到35亿t，虽然许多清洁能源的出现缓解了煤炭消耗速度，但清洁能源提供的能量较需求量来说仍是杯水车薪，所以未来一段时间，煤炭仍是我国主要的资源消耗。在进行沿空留巷的矿山，由于采动及工程扰动的影响，使得工作面变形严重，为了降低巷道变形，提出切顶卸压护巷技术[1-2]。切顶卸压是对巷道顶板进行预裂，使得巷道的围岩受力降低的一种手段，此前众多学者对其进行过一定的研究。赵慎栋[3]为了解决综放工作面变形严重的问题，采用切顶卸压留巷技术对运输巷稳定性进行研究，并提出采空区巷道顶板补强支护、后方临时支护的方案，通过现场实践发现巷道支护取得显著效果，围岩得到了有效的控制。郭玉等[4]为解决工作面沿空留巷围岩控制难的问题，采用组合支架切顶留巷技术。利用数值模拟软件对组合支架切顶阻力进行研究，分析了采高、采深、巷道宽度、直接顶的厚度等影响因素对切顶沿空留巷稳定性的影响，为切顶卸压沿空留巷提供一定的参考。本文利用数值模拟对沿空留巷围岩控制的可行性进行研究，为提升矿山安全提供一定的借鉴。

1 工程背景介绍

工作面采高2.5 m，直接顶为砂质泥岩、泥岩及细砂岩，直接顶的平均厚度约为6.8 m，工作面底板为砂质泥岩，底板的平均厚度为3.4 m，工作面的老顶为细粒砂岩，岩性较为坚硬，根据先前的实验得出巷道顶板的强度大致分布正在22 MPa～52 MPa，巷道顶板的平均强度约为36 MPa，巷道的底板抗压强度平均值为29 MPa。

工作面采用锚杆锚索联合支护，工作面的切眼采用螺纹锚杆进行支护，回采侧的支护选用玻璃锚杆进行支护，巷道顶板选定直径为22 mm、长度为2 400 mm的锚杆及直径19 mm、长度为7 400 mm的锚杆进行支护，巷道的断面净宽为6.5 m，断面的高度为2.8 m，面积为18.2 m2。工作面的煤帮采用螺纹钢锚杆及锚索及锚索进行支护，支护断面图如图1所示。

图1 工作面支护断面图(mm)

顶板支护采用锚网索支护，锚杆选用M24 mm×3 mm的高强度锚杆螺母，同时每个螺母配备高强度尼龙垫圈和高强度托盘调心球垫，并利用加长树脂进行锚固。锚固力设定大于190 kN，同时间排距设定为900 mm×1 000 mm，锚杆垂直于顶板进行布置，同时保证在巷道肩角的锚杆于顶板夹角不小于80°。巷道煤柱帮进行支护时采用高强度锚杆，锚杆的锚固力大于80 kN，且锚杆布置的间排距为900 mm×1 000 mm，每排布置3根，且均呈现水平布置，上部锚杆距离顶板300 mm，下部锚杆距离底板距离为700 mm。

2 沿空留巷切顶卸压数值模拟研究

现有的支护方案下围岩变形较为严重，所以对工作面进行切顶卸压，利用数值模拟软件进行切顶卸压效果分析。首先进行模拟建立，选用UDEC数值模拟软件进行模型建立，完成模型机建立后对模型进行网格划分和物理参数设定，在进行网格划分时需要充分考虑电脑的计算精度及模拟计算的精确度，完成模拟计算的前期工作后，对模型进行模拟计算，沿空留巷顶板卸压前后支撑应力对比图如图2所示。

图2 开挖前后采空区变形曲线

从图2开挖前、后采空区变形曲线可以看出，当未进行开挖时，此时的煤帮位置应力分布情况不受切顶卸压影响，而在充填体上端的顶板受到的应力较切顶后较大，应力峰值出现的位置由采空区浅部向着采空区深部进行转移。在未经过切顶卸压时，此时的侧向垂直应力的峰值为24 MPa，而经过切顶卸压后，应力峰值从24 MPa降低至23.1 MPa，此时的应力集中系数降低了0.02，未经过开挖时，顶板不会发生明显的断裂，所以顶板的应力值不会出现较为明显的降低。当进行开挖后，应力峰值出现的位置由采空区浅部向着采空区深部进行转移。在未经过切顶卸压时，此时的侧向垂直应力的峰值为27.3 MPa，而经过切顶卸压后，应力峰值从27.3 MPa降低至26 MPa，此时的应力集中系数降低了0.1，此时的峰值应力点距离煤帮的距离从10 m降低至了6.2 m，应力峰值的位置有了明显的转移，巷道顶板铰接位置的应力集中现象有了明显的消除，切顶卸压效果较为明显。

对切顶卸压前后的沿空留巷巷道围岩变形进行对比分析，对比图如3所示。

如图3所示，未经过切顶卸压时，当巷道进行掘进达到稳定后，顶板的变形量为46.5 mm，在进行回采留巷期间巷道的最大变形量达到了442 mm，较掘进过程中的变形量增大了9倍左右，当巷道采取切顶卸压后，此时掘进过程中巷道变形量未发生明显变化，但在回采留巷期间巷道的最大变形量达到了238 mm，较掘进过程中的变形量增大了5倍，巷道顶板的下沉量有了一定的改善，下沉量最大值降低了204 mm。观察巷道的底鼓量可以发现，未切顶卸压掘进时的底鼓量为30.54 mm，而在回采过程中的底鼓量增大至79.74 mm，而经过切顶卸压后，此时的巷道底鼓量降低至69 mm，较未经切顶卸压时降低了10.74 mm，降低幅度为13.5%。煤帮在掘进过程中变形量为75.9 mm，在未进行切顶卸压的回采阶段，此时的煤帮变形量增大至292 mm，而在进行切顶卸压后，此时的煤帮变形量降低至258 mm，降低了34 mm，降低幅度为11.5%。同样的对比切顶卸压墙体的变形发现，经过切顶卸压后巷道墙体的变形量从242.2 mm降低值179.8 m，降低了62.4 mm，降低幅度为25.8%。可以看出，经过切顶卸压后，巷道顶板、底板、煤帮及墙体均有了一定的降低，切顶卸压效果较为明显。

图3 切顶卸压前后围岩变形对比图

对切顶高度进行一定的研究，不同切顶高度下的围岩变形量如第86页图4所示。

图4 不同切顶高度下巷道围岩变形分析

从图4可以看出，随着切顶高度的不断增大，此时的巷道左帮变形量、底鼓量及顶板下沉量呈现出逐步减小的趋势，而右帮的变形量呈现出先增大后减小再增大的趋势，当切顶高度为12 m时，此时巷道右帮的变形量最低约为0.27 m，巷道左帮随着切顶高度的增大变化幅度不大，大致分布在22 mm附近，同样的巷道的底鼓量大致分布在0.25 m附近，根据综合分析后确定切顶卸压的最佳高度为12 m，此时切顶效果最佳。