張金貴，浦仕江，閆亞楠，郭 凱，程志恒，5，石迎爽

(1.陜西省神木市能源局，陜西 神木 719300；2. 貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十三礦，河南 平頂山 467000；4.華科中安科技(北京)有限公司，北京 102300；5.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；6.華北科技學(xué)院 理學(xué)院，北京 101601))

切頂卸壓技術(shù)利用大變形恒阻錨索超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)巷道頂板，并沿工作面推進(jìn)方向采用雙向聚能張拉爆破對(duì)巷道進(jìn)行預(yù)裂切縫，從而在一定程度上切斷巷道頂板與工作面頂板之間的應(yīng)力傳遞，緩解圍巖礦山壓力顯現(xiàn)。近年來(lái)，切頂卸壓技術(shù)在煤炭地下開(kāi)采中得到了廣泛應(yīng)用，已成為煤炭行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的重要技術(shù)之一。隨著開(kāi)采強(qiáng)度不斷增高，一些礦井采用窄煤柱沿空掘巷的方式來(lái)緩解接替緊張的局面，但往往出現(xiàn)沿空掘巷的圍巖變形較大、巷道支護(hù)困難等問(wèn)題[1-5]。針對(duì)這些問(wèn)題，張書(shū)軍等[6]通過(guò)定向爆破切頂卸壓技術(shù)切斷懸臂梁結(jié)構(gòu)，有效控制了巷道圍巖穩(wěn)定性；程蓬[7]采用水力壓裂切頂卸壓技術(shù)，有效解決了沿空巷道堅(jiān)硬頂板懸頂、巷道兩幫變形嚴(yán)重等問(wèn)題。在沿空留巷方面，切頂卸壓無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)也逐漸興起，該技術(shù)通過(guò)對(duì)頂板預(yù)裂切縫，將留巷頂板與上覆巖層的應(yīng)力傳遞切斷，使得垮落巖層形成巷幫。該技術(shù)具有留巷成本低，成巷快等特點(diǎn)，極大改善了留巷圍巖的應(yīng)力環(huán)境[8-12]。王炯等[13]采用切頂卸壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開(kāi)采，巷道應(yīng)力環(huán)境及位移變化均滿(mǎn)足留巷生產(chǎn)需求。

以上研究雖有留煤柱與未留煤柱的區(qū)別，但煤柱留設(shè)的目的各不相同。無(wú)論有無(wú)煤柱，保證在特定工程背景下的安全高效生產(chǎn)是所有技術(shù)的共同目標(biāo)，切頂卸壓作為以上采煤工法的關(guān)鍵核心，在改變巷道應(yīng)力狀態(tài)、提高礦井煤炭回收率和開(kāi)采安全性方面都有著重要的理論與實(shí)際意義，但在解決相鄰工作面相向采動(dòng)時(shí)切頂卸壓技術(shù)對(duì)煤柱穩(wěn)定性影響方面的研究還較少。本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬的方法，研究了相鄰工作面采用切頂卸壓技術(shù)時(shí)煤柱的穩(wěn)定性，以期為類(lèi)似工況提供理論支持。

1 工程概況

1.1 工程背景

神府煤田煤炭資源豐富，但由于部分礦井目前的開(kāi)采方法、井田邊界等發(fā)生變動(dòng)，使得邊界煤柱上方經(jīng)常出現(xiàn)大量房柱采空區(qū)，邊界煤柱甚至區(qū)段煤柱的留設(shè)成為技術(shù)難題。神府煤田的海灣煤礦三號(hào)井東部與王才伙盤(pán)煤礦井田邊界線(xiàn)發(fā)生了變動(dòng)，根據(jù)煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范中的煤柱留設(shè)規(guī)定，相鄰礦井應(yīng)各留20m邊界煤柱作為井田邊界保護(hù)煤柱，但由于歷史原因，兩礦井的井田邊界線(xiàn)變動(dòng)后煤柱之間還留有一條廢棄巷道，現(xiàn)海灣煤礦三號(hào)井2206工作面回風(fēng)巷保護(hù)煤柱寬度僅為10m，相向推進(jìn)的王才伙盤(pán)煤礦2201工作面保護(hù)煤柱寬度僅為12m，如圖1所示。兩工作面為相向開(kāi)采，且王才伙盤(pán)煤礦先行開(kāi)采會(huì)對(duì)邊界煤柱造成擾動(dòng)破壞，后期2206工作面開(kāi)采時(shí)回風(fēng)巷側(cè)10m煤柱受二次采動(dòng)影響，煤柱面臨承載力不足的問(wèn)題。同時(shí)兩工作面上部為房柱采空區(qū)，遺留煤柱將會(huì)使下方邊界煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖1 海灣煤礦三號(hào)井與王才伙盤(pán)煤礦邊界煤柱留設(shè)

1.2 工作面概況

海灣煤礦三號(hào)井2206綜采工作面所在煤層為2-2煤層，盤(pán)區(qū)劃分為22盤(pán)區(qū)，地面標(biāo)高為1228～1250m，底板標(biāo)高1137～1147m，煤層埋深91～103m，該面為22盤(pán)區(qū)次采工作面。工作面設(shè)計(jì)采高7.2m，煤層傾角0～1°，外段工作面長(zhǎng)度23m，里段工作面長(zhǎng)度138m，走向長(zhǎng)度1212m，工作面東部為王才伙盤(pán)井田邊界，西部為2205工作面運(yùn)輸巷，北部為沿井田邊界形成的2-2煤層各條主要大巷，南部為火燒區(qū)邊界。2206工作面對(duì)應(yīng)地面位置為井田東部，由南向北呈條帶式布置。與海灣煤礦三號(hào)井2206綜采工作面隔邊界煤柱相鄰的王才伙盤(pán)煤礦2201綜采工作面所在煤層為2-2煤層，地面標(biāo)高1228～1250m，底板標(biāo)高1137～1147m，煤層埋深91～103m，設(shè)計(jì)采高6.2m，工作面走向長(zhǎng)度1212m，工作面外段傾向長(zhǎng)度400m，里段傾向長(zhǎng)度減為100m。

2 邊界煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 煤柱載荷的確定

目前對(duì)煤柱載荷的研究中，學(xué)者普遍認(rèn)為作用于煤柱的載荷主要來(lái)自煤柱側(cè)采空區(qū)懸露頂板轉(zhuǎn)移的部分重量和上覆巖層重量[14，15]，如圖2所示。

圖2 煤柱載荷估算模型

計(jì)算單位長(zhǎng)度煤柱上的荷載[16]，即：

式中，P為煤柱的單位長(zhǎng)度總荷載，MPa；γ為上覆巖層平均密度，取2300t/m3；B為煤柱寬度，m；H為煤柱平均埋深，取99m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，取75°；D為煤柱側(cè)采空區(qū)寬度，m；

將式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假定兩個(gè)工作面邊界煤柱為一個(gè)整體，寬度為26m，并將兩側(cè)采空區(qū)寬度進(jìn)行簡(jiǎn)化，取161m，則單位面積的煤柱平均載荷為：

根據(jù)礦井實(shí)際情況和簡(jiǎn)化數(shù)值，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)，得到邊界煤柱平均載荷σ為15.89MPa。因此，近似將兩礦井邊界煤柱載荷取為15.89MPa。

2.2 邊界煤柱承載強(qiáng)度計(jì)算

煤柱承載強(qiáng)度與眾多因素有關(guān)聯(lián)，比如載荷、煤柱寬高、煤體強(qiáng)度等，為消除煤柱的尺寸效應(yīng)，采用Hustrulid的方法轉(zhuǎn)化現(xiàn)場(chǎng)煤柱試件的單軸抗壓強(qiáng)度：

式中，σm為現(xiàn)場(chǎng)煤樣試件單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；煤樣為圓柱體，D為煤樣試件直徑，m；d為煤樣試件高度，m；σc為煤樣單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

煤樣試件直徑為5cm，高度為10cm，根據(jù)礦方提供的相關(guān)地質(zhì)資料，取2-2煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為16.2MPa，代入式(3)得到現(xiàn)場(chǎng)煤樣單軸抗壓強(qiáng)度為11.5MPa。

得到現(xiàn)場(chǎng)煤柱臨界單軸抗壓強(qiáng)度后，采用兩種計(jì)算煤柱強(qiáng)度的代表性公式計(jì)算煤柱強(qiáng)度：

1)Obert.Dwvall/Wang公式：

式中，σs為邊界煤柱承載強(qiáng)度，MPa；H為邊界煤柱高度，m；W為邊界煤柱寬度，m。

分別將海灣煤礦三號(hào)井2206工作面邊界煤柱和王才伙盤(pán)煤礦2201工作面邊界煤柱數(shù)據(jù)代入式(4)，得σq海=12.6MPa；σq王=14.1MPa。

2)Salamon.Munro公式：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)得：σq海=9.2MPa；σq王=11.1MPa。

基于安全考慮，取計(jì)算最小值，即海灣煤礦三號(hào)井2206工作面邊界煤柱極限承載強(qiáng)度為9.2MPa，王才伙盤(pán)煤礦2201工作面邊界煤柱的極限承載強(qiáng)度為11.1MPa。

2.3 邊界煤柱穩(wěn)定性分析

留設(shè)煤柱可保證一定范圍內(nèi)頂板的穩(wěn)定，煤柱穩(wěn)定即防止上覆巖層的進(jìn)一步失穩(wěn)。采用煤柱穩(wěn)定性系數(shù)作為判定指標(biāo)，評(píng)價(jià)邊界煤柱的穩(wěn)定性[17]。計(jì)算方法如下：

式中，k為邊界煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)；σ為煤柱承受的平均荷載，MPa；σq為原位煤柱強(qiáng)度，MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)可得：2206工作面和2201工作面邊界煤柱穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.58、0.70。

由以上煤柱穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果可得，海灣煤礦三號(hào)井邊界煤柱穩(wěn)定性系數(shù)與王才伙盤(pán)煤礦邊界煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)均小于2，且在煤柱高度處于6

3 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

數(shù)值模型整體尺寸如圖3所示，長(zhǎng)×寬×高=360m×300m×68m，模擬走向推進(jìn)300m，將地表黃土換算為等效荷載施加在模型上表面，共劃分631000個(gè)單元，能滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算需要。模型底部邊界固定，即底部邊界X、Y、Z方向的位移均為零，模型頂部為自由邊界，上部巖層采用施加等效載荷的方式，模型開(kāi)挖前進(jìn)行了自平衡處理。工作面先自北向南開(kāi)挖王才伙盤(pán)煤礦2201工作面，隨后自南向北開(kāi)挖海灣煤礦三號(hào)井2206工作面，工作面每推進(jìn)一段距離后，對(duì)緊鄰煤柱側(cè)的頂板進(jìn)行超前切頂。切縫角度為切縫鉆孔與垂線(xiàn)的夾角，在實(shí)際工程中切縫角度不宜過(guò)大或過(guò)小。為便于模擬和分析該工況下的切頂卸壓效果，得到切頂卸壓后煤柱的應(yīng)力及塑性區(qū)變化規(guī)律，直接將需切頂處定為空模型，切頂角度默認(rèn)為0°。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的切頂高度計(jì)算公式，并結(jié)合2202工作面和2206 工作面的實(shí)際情況，最終將切頂高度定為2-2上煤層頂板處，為17.5m，進(jìn)而開(kāi)挖工作面分析其開(kāi)采過(guò)程煤柱變形破壞情況。模型所用的煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖3 三維有限元計(jì)算模型圖

3.1 切頂卸壓處理時(shí)邊界煤柱垂直應(yīng)力演化分析

2201工作面推進(jìn)過(guò)程中y方向上的邊界煤柱垂直應(yīng)力演化情況如圖4所示。如圖4(a)所示，工作面推進(jìn)50m時(shí)，2201工作面邊界煤柱載荷約為3MPa，2206工作面邊界煤柱載荷約為3.5MPa，此時(shí)煤柱所受載荷均遠(yuǎn)小于理論極限強(qiáng)度；如圖4(b)所示，工作面推進(jìn)100m時(shí)，兩工作面邊界煤柱所受垂直應(yīng)力大致相同，約為3.75MPa；如圖4(c)(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)200m、250m時(shí)，2201工作面邊界煤柱所受垂直應(yīng)力比2206工作面邊界煤柱稍小，約為4MPa，雖所受垂直應(yīng)力逐漸增大，但遠(yuǎn)小于理論極限強(qiáng)度。

切頂卸壓后2206工作面開(kāi)采時(shí)邊界煤柱垂直應(yīng)力演化情況如圖5所示。如圖5(a)(b)所示，工作面推進(jìn)50m、100m時(shí)，兩工作面邊界煤柱垂直應(yīng)力有所增大，但變化相對(duì)較小，由之前的4.0MPa增加到5.0MPa，可見(jiàn)切頂卸壓的使用對(duì)切斷巷道與工作面頂板之間的應(yīng)力傳遞有相當(dāng)明顯的作用；如圖5(c)(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)200m、250m時(shí)，兩工作面垂直應(yīng)力大小基本保持在7～8.0MPa，由采動(dòng)影響的煤柱承載應(yīng)力趨于穩(wěn)定，且煤柱所受載荷均小于理論極限強(qiáng)度。因此，采用切頂卸壓措施后，2206工作面開(kāi)采時(shí)，煤柱處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，切頂卸壓對(duì)切斷巷道與工作面頂板之間的應(yīng)力傳遞有明顯作用，2201工作面推進(jìn)時(shí)邊界煤柱所受垂直應(yīng)力較小，在2206工作面重復(fù)擾動(dòng)條件下，邊界煤柱所受垂直應(yīng)力依舊小于理論計(jì)算中的煤柱極限承載強(qiáng)度，在一定程度上保障了工作面安全性。

圖4 2201工作面推進(jìn)過(guò)程中邊界煤柱垂向應(yīng)力演化情況

3.2 切頂卸壓處理時(shí)邊界煤柱穩(wěn)定性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證切頂卸壓處理后煤柱的穩(wěn)定性，研究了煤柱的塑性區(qū)演化過(guò)程。切頂處理時(shí)，2201工作面推進(jìn)過(guò)程中z方向上的邊界煤柱塑性區(qū)分布情況如圖6所示。如圖6(a)(b)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)50m、100m時(shí)，工作面前方邊界煤柱塑性破壞區(qū)域較少，工作面后方邊界煤柱僅發(fā)生零星剪切破壞，煤柱穩(wěn)定性良好；如圖6(c)(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至200m、300m時(shí)，2201工作面后方開(kāi)始出現(xiàn)較多塑性區(qū)域，工作面前方塑性區(qū)域依舊較少，但2206工作面邊界煤柱塑性區(qū)域較多，說(shuō)明切頂卸壓有效的切斷了煤柱與頂板的應(yīng)力傳遞，減少了煤柱的應(yīng)力承載，增大了巷道穩(wěn)定性。

圖6 切頂處理時(shí)2201工作面推進(jìn)過(guò)程中邊界煤柱塑性區(qū)分布

圖7 切頂處理時(shí)2206工作面推進(jìn)過(guò)程中邊界煤柱塑性區(qū)分布

切頂處理后，2206工作面重復(fù)采動(dòng)過(guò)程中z方向上的邊界煤柱塑性區(qū)分布情況如圖7所示。如圖7(a)(b)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)50m、100m時(shí)，2206工作面邊界煤柱塑性區(qū)域多數(shù)依舊出現(xiàn)在工作面后方，但較2201工作面推進(jìn)時(shí)，2206工作面前方邊界煤柱塑性區(qū)域較第一次開(kāi)采時(shí)多，但依舊有較大面積的彈性區(qū)，雖然煤柱經(jīng)重復(fù)擾動(dòng)塑性破壞嚴(yán)重，但切頂卸壓使2206工作面開(kāi)采時(shí)工作面前方煤柱依舊留有彈性區(qū)以支撐上覆載荷；如圖7(c)(d)所示，當(dāng)工作面推進(jìn)200m、300m時(shí)，由于工作面開(kāi)采重復(fù)擾動(dòng)的作用，2206工作面后方邊界煤柱已基本破壞，但破壞主要發(fā)生在工作面后方采空區(qū)，工作面前方邊界煤柱依舊有一定面積的彈性區(qū)，且核區(qū)率達(dá)到65%以上，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，前方邊界煤柱依舊能有效維持工作面的正常安全開(kāi)采。

綜上所述，在切頂卸壓處理后，邊界煤柱的塑性區(qū)分布表明：在工作面重復(fù)擾動(dòng)條件下，邊界煤柱破壞較嚴(yán)重，但在切頂卸壓處理后，2206工作面開(kāi)采時(shí)塑性區(qū)域主要發(fā)生在工作面后方，工作面前方仍有一定范圍的彈性區(qū)能有效維持工作面的正常安全開(kāi)采。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)理論分析，采用兩種煤柱強(qiáng)度計(jì)算的代表性公式，得出了2206工作面邊界煤柱極限承載強(qiáng)度為9.2MPa，2201工作面邊界煤柱極限承載強(qiáng)度為11.1MPa，并分析了邊界煤柱的穩(wěn)定性，得到兩個(gè)工作面邊界煤柱穩(wěn)定性系數(shù)均小于2，需采用相應(yīng)措施提高煤柱穩(wěn)定性，確保工作面安全開(kāi)采。

2)切頂卸壓處理時(shí)邊界煤柱垂向應(yīng)力的演化情況表明，切頂卸壓后2201工作面及2206工作面垂直應(yīng)力最大值均小于煤柱極限承載強(qiáng)度，能較大程度緩解煤柱承載，保障工作面開(kāi)采時(shí)煤柱的安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3)切頂卸壓處理后，2206工作面開(kāi)采中煤柱塑性區(qū)分布情況表明，在工作面重復(fù)擾動(dòng)條件下，邊界煤柱破壞較嚴(yán)重，但切頂卸壓后，開(kāi)采時(shí)工作面前方煤柱依舊留有彈性區(qū)以支撐上覆載荷，塑性區(qū)域主要發(fā)生在工作面后方，切頂卸壓技術(shù)可以保障工作面的正常安全開(kāi)采。