切頂條件下窄煤柱護巷圍巖穩定性研究

陳憲偉，石媛，呂振

（1.山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西長治 046102；2.山西省科技資源與大型儀器開放共享中心，山西太原 030006；3.河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北邯鄲 056038）

0 引言

降低巷道圍巖應力集中大小和范圍是巷道圍巖穩定性控制的基本途徑之一。巷道切頂卸壓，即在上區段采空區邊緣沿煤體軸向預先切斷覆巖與煤層之間的聯系，使上區段采空區頂板與底板充分接觸來卸除煤柱內承擔的部分壓力，為回采巷道圍巖控制提供較好的應力環境。國內學者對窄煤柱沿空掘巷切頂卸壓進行相關研究[1-4]。張子健[5]針對堅硬頂板窄煤柱沿空掘巷圍巖控制工程問題，研究了切頂條件下窄煤柱沿空掘巷頂板運動規律，分析了切頂高度對窄煤柱變形和巷道圍巖穩定性的影響；何春光等[6]采用理論分析、數值模擬及工程試驗相結合的研究方法，綜合研究了定向預裂切頂卸壓技術及其關鍵參數，包括切頂角度、高度、炮孔藥量及間距。

在上區段采空區側向支承壓力的影響下，窄煤柱內出現大范圍塑性破壞，使待掘進工作面巷道存在失穩風險，因此本文結合前人研究成果[7-10]，采用針對連續介質模型的有限元數值計算程序FLAC3D 進行數值模擬計算，分析在窄煤柱護巷條件下進行切頂卸壓后應力環境分布及巷道圍巖變形規律。

1 采動影響下工作面超前支承壓力分布

根據常村煤礦S3-7 工作面工程地質條件進行模型構建，采用二維模型的方式來模擬窄煤柱沿空掘巷切頂后巷道圍巖應力環境及位移變形特征，如圖1 所示。計算模型的范圍為420 m×5 m×240 m（長×寬×高），通過計算得出模型上邊緣處原巖應力大小為8 MPa，將8 MPa 應力添加在模型頂端，模型兩側進行位移和速度固定，水平測壓系數取1。

圖1 S3- 7 工作面平面圖及建模模型Fig.1 Plan and modeling model of No.S3-7 Face

S3-7 工作面平均埋深458 m，所采煤層為3 號煤，其下部煤層為6 號煤，煤層間距平均為27.44 m，待回采工作面兩側均為采空狀態，北側為S3-6采空區，南側為S3-10 采空區。S3-7 工作面可采厚度為5.82～6.15 m，平均可采厚度為5.96 m，煤層傾角較低。

2 回采工作面側向支承壓力分布

為進行沿空掘巷切頂卸壓工作，首先研究上區段采空區應力環境穩定后在S3-7 工作面邊緣產生的側向支承壓力分布情況，并估算出煤體塑性區分布規律。待模型地應力初始完成后，進行開挖上區段S3-6 工作面，待采空區應力環境穩定后，對上區段采空區側向支承壓力及煤柱塑性區范圍進行分析，采空區側向垂直應力分布如圖2 所示。

圖2 采空區側向垂直應力及塑性區分布云圖Fig.2 The distribution cloud diagram of lateral vertical stress and plastic zone in goaf

從采空區側向垂直應力云圖中可以看出，在S3-6 工作面回采結束后，在實體煤體邊緣形成了明顯的應力集中，應力峰值大約在32.6 MPa。從應力曲線圖中看出，側向垂直應力先增大后減小，先后經歷了破碎區、塑性區、彈性區，然后恢復到原巖應力。在距采空區0～4 m 時，處于原巖應力之下的減壓區，此時煤柱處于破碎狀態，基本失去承載能力。4～7 m 處于塑性變形范圍內，在7 m 左右到達應力峰值，7～10 m 應力逐漸降低，并進入彈性變形區域，此時承載能力較高。在70 m 逐漸恢復到原巖應力，原巖應力為11.6 MPa。從塑性區分布圖中看到，煤柱采空區邊緣大約4 m 范圍內處于塑性破壞狀態，煤體承受能力較弱，穩定能力較差。

3 切頂卸壓后巷道圍巖應力分布規律

待上區段工作面回采結束后，進行回采工作面沿空掘巷，待掘巷后巷道圍巖應力環境穩定后，對回采工作面與上區段工作面接縫處進行切頂卸壓。切頂卸壓可實現巷道圍巖應力的主動調控，人為控制了基本頂的斷裂位置，使采空區頂板充分垮落，改變了原有的應力傳遞路線，使上區段采空區的應力越過巷道傳遞到實體煤側更深處，更利于掘巷期間巷道的穩定性。本文采用數值模擬共構建5 種切頂高度模型，分別為5、10、15、20、25 m 模型，對比留設6 m 煤柱未切頂條件下，分析不同切頂高度對煤柱及巷道圍巖應力環境的影響規律，從而確定切頂合理高度。圖3 和圖4 為不同切頂高度下窄煤柱垂直應力分布云圖和巷道圍巖應力分布曲線。

圖3 不同切頂高度下垂直應力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution cloud diagram under different roof cutting height

圖4 不同切頂高度下垂直應力分布曲線Fig.4 Vertical stress distribution curves under different roof cutting heights

由圖3 和圖4 分析可知：

通過對比切頂與未切頂條件下窄煤柱及巷道圍巖應力峰值的變化，發現切頂條件下與未切頂條件下，其巷道圍巖應力分布及位移表現出完全相反的變化趨勢，即煤柱內的應力在切頂過程中出現急劇降低現象，相反巷道實體煤側應力則出現急劇增加現象，且隨著切頂高度的增加，窄煤柱內應力逐步減小，而巷道實體煤側應力逐步增加且應力集中區域也逐步向上向巷道實體煤深處擴展。對于窄煤柱留設工藝來說，其留設原則之一就是保證其穩定性，而采用切頂工藝時，不僅降低了巷道圍巖的應力峰值，同時降低了其整體位移量，因此，切頂工藝對于保證窄煤柱的穩定性至關重要。但隨著切頂高度的增加，應力峰值降低幅度并不大，由此說明增加切頂高度并不能無限減小應力峰值，反而增加施工難度及施工成本。

經過窄煤柱垂直應力分布云圖和巷道圍巖塑性區分布規律的分析可知，從圖5 中可以看出，在應力集中值保持在一定值不變的情況下，在未進行切頂卸壓時，煤柱內的高應力區域明顯多于巷道實體煤側，當切頂高度為5 m 時開始，煤柱內的高應力區域急劇減少，實體煤側的高應力區域開始明顯多于煤柱內，且隨著切頂高度的增加，煤柱內的高應力區域不斷減小，相反實體煤側的高應力區域逐步增加，增加幅度不明顯。切頂卸壓可以切斷上下區段基本頂橫向結構關系，有效實現巷道圍巖穩定性控制。

圖5 煤柱及巷道圍巖高應力區域演化過程Fig.5 Evolution process of high stress area of coal pillar and roadway surrounding rock

4 切頂卸壓后巷道圍巖塑性區分布規律

圖6 為不同切頂高度下窄煤柱和巷道圍巖塑性區分布規律，從整體來看，在未切頂時，塑性破壞區域主要分在煤柱以及煤柱上方，在切頂后，由于上區段采空區覆巖應力通過巷道上方轉移至巷道實體煤側深處，巷道頂板以及實體煤側塑性破壞區域明顯增加，且隨著切頂高度的增加，上覆巖層應力轉移的位置距離巷道越來越遠，塑性破壞范圍也在逐步增加，說明切頂后應力在逐步向巷道深部轉移，巷道圍巖礦壓顯現劇烈，實體煤分擔了煤柱內的高應力。

圖6 不同切頂高度下巷道圍巖塑性區分布云圖Fig.6 Distribution cloud diagram of plastic zone of roadway surrounding rock under different roof cutting height

5 結語

切頂卸壓可實現巷道圍巖應力的主動調控，人為控制了基本頂的斷裂位置，通過對比切頂與未切頂條件下應力峰值的變化，發現切頂條件下與未切頂條件下，其應力分布及位移表現出完全相反的變化趨勢，切頂不僅降低了巷道圍巖的應力峰值，同時降低了其整體位移量。且增大切頂高度后，應力峰值降低程度并不大，說明增加切頂高度并不能無限減小應力峰值，反而增加施工難度及施工成本。