田曉虎

摘 要：20世紀(jì)60年代以來，我國礦業(yè)科技經(jīng)歷了“砌體梁理論（MBT）”和“轉(zhuǎn)巖梁理論（TRBT）”兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上，建立了傳統(tǒng)的采煤方法（稱為121采煤法），即開挖兩條采煤工作面隧道。然而，隨著開采深度的增加，地下洞室工程地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。此外，煤柱開采的使用導(dǎo)致大量煤炭資源未被開發(fā)。為了解決上述問題，何曼超在2008年提出了“頂切短臂梁理論（RCSBT），稱為110采礦法”。110采煤法的特點(diǎn)是煤層工作面，只開挖一條巷道，不留立柱。110采礦方法的實(shí)現(xiàn)包括：①定向預(yù)劈裂頂板切割;②采用高恒阻大變形錨桿/錨索支護(hù)頂板;③液壓支柱封堵矸石。本文綜述了110采礦法的原理、技術(shù)和應(yīng)用。采用數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)的方法，研究了頂板切割時(shí)“短梁”上的應(yīng)力分布。

關(guān)鍵詞：頂切短臂梁;采礦

1 背景

20世紀(jì)60年代，錢明高在國內(nèi)首次提出了“砌體梁理論[1]”，并對(duì)利用預(yù)留煤柱在采空區(qū)進(jìn)行超壓傳遞和平衡的方法進(jìn)行了充分的探討。在此基礎(chǔ)上，建立了長壁采礦法（121采礦法），其中一個(gè)回采工作面在下一個(gè)開采周期前需要兩個(gè)超前開挖隧道和一個(gè)預(yù)留煤柱?；贛BT的121種采礦方法為我國礦業(yè)科學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。第二次采礦創(chuàng)新始于20世紀(jì)80年代，以宋振奇提出的“轉(zhuǎn)巖梁理論”為特征。這進(jìn)一步說明了采場覆巖壓力在高應(yīng)力區(qū)域的過渡路徑及其分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出了先進(jìn)的長壁開采121采煤法，采用較小的煤柱進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力場開挖設(shè)計(jì)，為提高該時(shí)期采煤率做出了重要貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì)初，隨著開采深度的增加，煤礦大變形破壞問題越來越具有挑戰(zhàn)性。易發(fā)生事故的工作面巷道和深部采空區(qū)巷道事故約占工作面巷道事故總數(shù)的80%-90%[3]。基本上認(rèn)為傳統(tǒng)的121采礦方法不適用于深部開采。2008年，首次提出了“頂切短臂梁理論”。在這一理論中，可以注意到，為了推進(jìn)頂板崩落，采用了地面壓力，通過預(yù)切割在采空區(qū)巷道上方形成懸臂梁。本文論述了我國長壁煤開采的相關(guān)理論和121種開采方法。在110方法的應(yīng)用中，采用數(shù)值模擬方法對(duì)應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。

2 110采礦方法的創(chuàng)新

針對(duì)傳統(tǒng)121采礦法的局限性，提出了110采礦法，以解決長壁開采中存在的問題。2008年采用先進(jìn)的頂板崩落法進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，并于2010年首次應(yīng)用于四川白角煤礦2442工作面。本工程采用無柱采礦技術(shù)，對(duì)超前卸壓、頂板崩落自動(dòng)形成的采空區(qū)附近巷道進(jìn)行了開采。RCSBT是在超前泄壓和頂板崩落過程中，應(yīng)力場、支架和圍巖相互作用的基礎(chǔ)上建立的。其中關(guān)鍵技術(shù)之一是采空區(qū)側(cè)頂板定向切割，它將頂板上覆巖壓力傳遞給頂板，將部分頂板巖體壓下，形成新的采空區(qū)回采巷道。此外，實(shí)現(xiàn)RCSBT還涉及許多其他關(guān)鍵技術(shù)。例如，在采空區(qū)巷道頂板支護(hù)中，采用了一種新型支護(hù)材料—恒阻大變形錨桿（CRLD），使巷道頂板在超前崩落過程中保持穩(wěn)定。

沿采用121采礦法開采1塊煤層，開挖了2條巷道，保留了1根煤柱。當(dāng)煤炭資源被開采出來后，由于回采的機(jī)械化，這兩條道路將會(huì)在周期性的壓力作用下被廢棄和破壞。而采用110法開采面板時(shí)，在開采第一塊面板時(shí)要開挖兩條巷道;在隨后的回采過程中，通過在下一采場面板旁邊切割一個(gè)隧道長度的狹縫形成巷道。這就抵消了開采的兩個(gè)面板之間的煤柱，即只有一個(gè)巷道就足夠了。

3 應(yīng)力分布的數(shù)值分析

根據(jù)煤礦2號(hào)煤礦1105工作面開采設(shè)計(jì)和地質(zhì)條件，數(shù)值模型包括深度為50 m的1105工作面和1103工作面，如圖1綠色區(qū)域所示。通過數(shù)值模擬分析了圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，為今后礦山設(shè)計(jì)和巷道支護(hù)提供了依據(jù)。

圖1 面板位置數(shù)值分析的目標(biāo)區(qū)域

3.1 巖石力學(xué)性質(zhì)

模擬巖石力學(xué)性質(zhì)如表1所示。頂板巖層按上升順序?yàn)樯百|(zhì)泥巖和砂巖，底板巖層按下降順序?yàn)槟噘|(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖。在數(shù)值模擬中，從上到下考慮了黃土、砂巖、砂巖、砂泥巖、煤、泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)砂巖7種地層類型。

3.2 模型的邊界條件

由于模型對(duì)入口的邊界影響，模型尺寸設(shè)計(jì)為310m*5m*100m。模型為平面應(yīng)變模型。采用FLAC3D構(gòu)建網(wǎng)格，然后進(jìn)行計(jì)算。重力應(yīng)力作用于模型的物體上。模型中X、Y方向的位移受限于水平方向，Z方向固定為底邊界。模型和內(nèi)網(wǎng)格分別如圖2a和b所示。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)實(shí)際開采過程的模擬，可以計(jì)算出工作面前的垂直應(yīng)力。將FLAC3D計(jì)算得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB。圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3所示。開挖距離30 m后，煤層垂直峰值應(yīng)力在工作面前方一定范圍內(nèi)，應(yīng)力水平逐漸降低到該范圍外的初始水平。與兩種開采方法在工作面末端的煤層垂直應(yīng)力相比，121種開采方法產(chǎn)生的垂直應(yīng)力峰值區(qū)寬度約為20 m，最大應(yīng)力約為4MPa。

隨著工作面中部區(qū)域的加深，垂直應(yīng)力逐漸減小到2.5 MPa。另一方面，在110采礦法中也存在垂直應(yīng)力峰值區(qū)，但只有約8 m寬，最大應(yīng)力約3.2 MPa，且趨勢與工作面中部向深部深化的趨勢相似。

在模擬開采過程中，記錄煤層垂直應(yīng)力，利用三維數(shù)據(jù)處理構(gòu)建圖4和圖5。

4 結(jié)論

本文闡述了我國礦業(yè)科技的技術(shù)變革。在理論分析和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，介紹了121和110種長壁開采方法。得出的主要結(jié)論如下：對(duì)110采礦法與121采礦法的地應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。此外，采用數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)的方法，研究了頂板切割產(chǎn)生的“短梁”上的應(yīng)力分布。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡寺華.控頂切底房柱采礦法[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1999（2）：1-6.

[2]何滿潮，高玉兵，楊軍，等.無煤柱自成巷聚能切縫技術(shù)及其對(duì)圍巖應(yīng)力演化的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，36（6）：1314-1325.

[3]劉正和，趙陽升，弓培林，等.回采巷道頂板大深度切縫后煤柱應(yīng)力分布特征[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（1）：18-23.