呂維赟，路 凱，任卓鑫，連 強(qiáng)

（1.潞安化工集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.潞安化工集團(tuán) 安全管理部，山西 長(zhǎng)治 046000）

切頂卸壓圍巖控制是改善圍巖應(yīng)力、煤礦實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)之一。切頂卸壓圍巖控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)礦井中，該技術(shù)改善了煤礦的圍巖應(yīng)力環(huán)境，效果良好。近年來(lái)，許多專家學(xué)者針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作。何滿潮院士及其團(tuán)隊(duì)[1-3]提出以切頂短臂梁理論為基礎(chǔ)的切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，在國(guó)內(nèi)深部沿空留巷切頂卸壓圍巖控制中應(yīng)用的效果較好，受到普遍認(rèn)可；王炯等[4]通過(guò)相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)比分析了切頂與非切頂情況下巷道圍巖變形規(guī)律; 鄭立軍[5]等人在古漢山礦1604綜放工作面沿空留巷中采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)后，爆破效果較好，圍巖控制效果頗佳。王莊煤礦91 采區(qū)具有強(qiáng)度較低的泥巖直接頂和厚度較大的底板，給巷道的掘進(jìn)和圍巖控制帶來(lái)了巨大的困難；此外，當(dāng)開(kāi)采的深度越來(lái)越大，其中的瓦斯含量也越來(lái)越多，增大了煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)91-101 工作面的實(shí)際開(kāi)采情況，現(xiàn)有的頂板處理技術(shù)還有許多不足：成本高、施工難度大、切頂裝備復(fù)雜，難以適應(yīng)礦井復(fù)雜多變的工作環(huán)境，且切頂質(zhì)量難以達(dá)到留巷要求。為此，以王莊煤礦91-101 工作面風(fēng)巷為工程背景，通過(guò)力學(xué)分析、數(shù)值模擬，研究新型切頂卸壓沿空留巷圍巖豎向位移變化規(guī)律、應(yīng)力及塑性區(qū)的分布特征，揭示切頂高度對(duì)圍巖變形影響規(guī)律[6-20]。

1 工程概況

91-101 工作面位于91 采區(qū)，東接540 運(yùn)輸大巷，南為91-201 掘進(jìn)工作面，北西為未采區(qū)域。地面標(biāo)高為930～932 m，工作面標(biāo)高為339～408 m，可采長(zhǎng)度2 465 m。工作面回采可能會(huì)引起地面塌陷，對(duì)北康線與北栗至古城礦支線、693 縣道造成不同程度的破壞。工作面布置圖如圖1。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Working face layout

91-101 工作面運(yùn)巷長(zhǎng)2 686 m，風(fēng)巷長(zhǎng)2 680 m，91-101 工作面風(fēng)運(yùn)巷可采長(zhǎng)度均為2 465 m；工作面切眼長(zhǎng)260 m，煤層總厚2.12 m，密度為1.42 t/m3，一次采全高，在91-101 工作面回風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷。

2 沿空留巷切頂卸壓力學(xué)分析

2.1 切頂卸壓結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

預(yù)裂爆破斷頂沿空留巷即采用定向預(yù)裂爆破技術(shù)切斷巷道頂板懸梁結(jié)構(gòu)，減小懸臂長(zhǎng)度，達(dá)到卸壓和留巷的目的。根據(jù)斷頂沿空留巷上覆巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖2。l1段是預(yù)留巷道實(shí)體煤側(cè)，取l1長(zhǎng)度為應(yīng)力峰值區(qū)寬度的2 倍；b 段為預(yù)留巷道段，巷旁支撐載荷等效為集中力F1，左邊界固定約束等效為彎矩M1和力F2作用。

圖2 斷頂沿空留巷頂板懸梁力學(xué)計(jì)算模型Fig.2 Mechanical calculation model of roof suspension beam in goaf retaining with broken roof

由計(jì)算模型進(jìn)行力學(xué)分析并計(jì)算，結(jié)合邊界和連續(xù)條件可以求得斷頂后預(yù)留巷道采空側(cè)巷旁位移量ω（x）為：

式中：E 為巖石彈性模型，GPa；I 為截面慣性矩，m4；q1為上覆巖體載荷；q2為實(shí)體煤支撐載荷邊值；q3為實(shí)體煤支撐荷載峰值。

比較斷頂和未斷頂?shù)捻敯鍛伊毫W(xué)模型，可得出未斷頂與斷頂?shù)南锏啦煽諅?cè)位移量之差△ω 為：

式中：l2為巷道寬度，m。

代入現(xiàn)場(chǎng)具體數(shù)值，可得出切頂后巷道采空側(cè)巷旁位移量比未斷頂時(shí)減小了46.7%。

2.2 預(yù)裂切頂爆破高度分析

工作面后方上覆巖層達(dá)到強(qiáng)度極限，在受到壓力后，巖層會(huì)垮落并在采空區(qū)形成堆積。針對(duì)91-101 工作面，上部巖層垮落是不規(guī)則的，經(jīng)重新壓實(shí)后松散系數(shù)較小，針對(duì)巖石殘余破碎，殘余破碎膨脹系數(shù)Kp取1.1。

針對(duì)直接頂，取巖層的垮落厚度為Σh，則KpΣh便是堆積高度?！鳛槠渑c基本頂之間空隙，其值為：

式中：M 為回采高度，取1.6；Kp為巖石的殘余碎膨脹系數(shù)，取1.1。

當(dāng)M=Σh（Kp-1）時(shí)，△=0，采空區(qū)內(nèi)填充滿垮落的直接頂巖層，支撐覆巖載荷。因此，若需要承載覆巖荷載，垮落的直接頂高度為：

將參數(shù)代入式（3）可得為19.2 m，即91-101 工作面風(fēng)巷沿空留巷理論上需要斷頂垮落高度。

3 沿空留巷切頂卸壓機(jī)理

合理的切頂爆破應(yīng)在考慮經(jīng)濟(jì)適用性的情況下減小留巷圍巖應(yīng)力水平，從而大幅減小巷旁支護(hù)阻力，減小頂板回轉(zhuǎn)變形，因此用數(shù)值模擬對(duì)切頂爆破過(guò)程中的切頂高度、切縫寬度、切頂角度等參數(shù)進(jìn)行研究，揭示切頂沿空留巷圍巖變形規(guī)律。

3.1 模擬模型

為研究91-101 綜放工作面沿空留巷超前預(yù)裂爆破技術(shù)及參數(shù)優(yōu)化，利用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值計(jì)算模型。模型計(jì)算遵循莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，變形模式為大變形，上覆施加載荷為10 MPa，數(shù)值模型如圖3。此模型采用如下的邊界條件：周圍是滑動(dòng)的邊界條件，模型的下面是固定的邊界條件，模型的上部施加相似模擬的巖層質(zhì)量。工作面回采過(guò)后，在巷內(nèi)支護(hù)和鋼管混凝土作用下共同維護(hù)巷道穩(wěn)定。

圖3 切頂爆破數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model of roof cutting blasting

將切頂高度作為研究因素分析，研究切頂留巷后巷道的位移、應(yīng)力以及塑性區(qū)的變化規(guī)律，針對(duì)91-101 工作面采區(qū)，得出切頂高度的最優(yōu)解。

3.2 預(yù)裂切頂高度對(duì)圍巖變形的影響

針對(duì)不同情況討論切頂爆破高度對(duì)留巷后巷道的影響，對(duì)這幾種情況下的模型進(jìn)行圍巖應(yīng)力、位移以及塑性區(qū)的分析，研究預(yù)裂切頂高度對(duì)圍巖變形的影響，并確定最佳預(yù)裂切頂高度。建立的幾種模型唯一變量為切頂爆破高度，分別取為17、18、19、20 m，其他因素不變，暫將切頂爆破角度定為0°，切頂爆破寬度為1 m。工作面處切頂后豎直位移圖如圖4，頂?shù)装逦灰屏咳鐖D5。

圖4 工作面處切頂后豎直位移圖Fig.4 Vertical displacement diagrams of working face after roof cutting

圖5 頂?shù)装逦灰屏縁ig.5 Displacement of roof and floor

結(jié)合4 個(gè)工況的位移云圖可知，切頂爆破高度分別為17、18、19、20 m 時(shí)，工作面巷道頂?shù)装逡平糠謩e為0.052、0.048、0.040、0.038 m。結(jié)合圖4、圖5 分析發(fā)現(xiàn)，切頂爆破高度從17 m 增加至19 m 的時(shí)候，頂?shù)装逡平恐饾u減??；在切頂爆破高度由19 m 增加至20 m 的時(shí)候，巷道頂?shù)装逡平肯嗖畈淮?，說(shuō)明在19 m 處，切頂爆破卸壓效果最佳，再增加切頂爆破高度不再增加卸壓效果。綜合分析對(duì)比4 種情況的位移云圖并結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用性，發(fā)現(xiàn)切頂爆破高度為19 m 時(shí)，卸壓效果最佳。

3.3 預(yù)裂切頂高度對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

工作面處切頂后應(yīng)力圖如圖6。

圖6 工作面處切頂后應(yīng)力圖Fig.6 Stress diagrams after roof cutting at working face

結(jié)合4 種情況的應(yīng)力云圖可知，經(jīng)過(guò)切頂爆破卸載壓力后，回采工作面處應(yīng)力重新分布，相較于周圍應(yīng)力較小。切頂爆破高度為17、18、19 m 時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力以及墩柱的垂直應(yīng)力隨著切頂高度的增加而減小，說(shuō)明從17 m 到18 m 再到19 m，切頂爆破卸壓效果越來(lái)越好；切頂爆破高度為19 m 和20 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力以及墩柱的垂直應(yīng)力相近，說(shuō)明切頂爆破高度從19 m 往后卸壓效果不再大幅增加。綜合分析對(duì)比4 個(gè)情況的應(yīng)力云圖并結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用性，發(fā)現(xiàn)切頂爆破高度為19 m 時(shí)，卸壓效果最佳。

3.4 預(yù)裂切頂高度對(duì)圍巖塑性區(qū)影響

工作面處切頂后塑性區(qū)圖如圖7。

圖7 工作面處切頂后塑性區(qū)圖Fig.7 Plastic zone diagrams after roof cutting at working face

結(jié)合4 個(gè)情況的塑性區(qū)云圖可知，切頂爆破高度分別為17、18、19、20 m 時(shí)，巷道周圍頂板及兩幫均受到大小不同的剪切和拉伸破壞。當(dāng)切頂爆破高度從17 m 增加至19 m，巷道周圍的破壞程度逐漸減?。磺许敱聘叨葹?9 m 和20 m 的時(shí)候，巷道周圍的破壞程度相近，說(shuō)明切頂爆破高度為19 m時(shí)卸壓效果趨于最佳值，繼續(xù)增加切頂爆破高度，卸壓效果已不會(huì)大幅增加。綜合分析對(duì)比4 個(gè)工況的塑性區(qū)云圖并結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用性，發(fā)現(xiàn)切頂爆破高度為19 m 時(shí)，卸壓效果最佳。

4 工業(yè)試驗(yàn)效果

針對(duì)工作面頂板下沉量大、巷道斷面收斂大等問(wèn)題，需進(jìn)行預(yù)裂切頂卸壓，考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定，切頂參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 切頂參數(shù)表Table 1 Parameters of top cutting

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置3 個(gè)測(cè)量站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)用深基點(diǎn)位移計(jì)對(duì)圍巖的頂?shù)装逦灰埔约皟蓭臀灰七M(jìn)行觀測(cè)測(cè)量。留巷期間巷道圍巖表面位移變化圖如圖8。

圖8 留巷期間巷道圍巖表面位移變化圖Fig.8 Surface displacement variation of roadway surrounding rock during roadway retention

由圖8 可知，在3#站點(diǎn)測(cè)量的頂?shù)装逦灰屏恳约皟蓭臀灰屏烤畲蟆?0 d 之后移近量基本不再變化。整體來(lái)看，3 個(gè)測(cè)站巷道頂?shù)装逦灰啤蓭臀灰谱兓口厔?shì)基本相同，變形量相差很小，圍巖控制效果好。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)建立力學(xué)模型，代入現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)比未斷頂和斷頂時(shí)頂板的懸梁結(jié)構(gòu)，得到沿空留巷采空側(cè)位移量表達(dá)式，切頂后巷道采空側(cè)位移比未斷頂時(shí)減小了46.7%。

2）采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算得出，針對(duì)91-101工作面開(kāi)采情況切頂高度為19 m 時(shí)效果最佳。

3）確定切頂?shù)母黜?xiàng)參數(shù)，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從分析出的數(shù)據(jù)可知圍巖控制效果好、可行。