張國(guó)華， 劉孟森， 李子波， 王 磊， 周文俊

(1.黑龍江科技大學(xué)， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

由于淺部煤炭資源逐年減少，大多數(shù)礦井轉(zhuǎn)向深部開采。大埋深帶來(lái)的高應(yīng)力環(huán)境在掘進(jìn)、回采等開采擾動(dòng)下極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，因此，大埋深圍巖穩(wěn)定性的研究迫在眉睫[1-3]。目前，大部分煤礦采用主被動(dòng)聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)卸壓措施能降低巷道附近圍巖的應(yīng)力，達(dá)到更好的支護(hù)效果，進(jìn)而提高巷道圍巖穩(wěn)定性。卸壓措施包括大直徑鉆孔、深孔爆破、水力壓裂、卸壓槽等。隨著開采深度的增加，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力趨于相等，此時(shí)切槽卸壓效果較鉆孔好，且施工難度偏低，而深孔爆破和水力壓裂卸壓則造成擾動(dòng)過(guò)大，易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，同時(shí)在相同卸壓效果情況下，卸壓槽要比前兩者工程量小得多[4-6]。

學(xué)者們對(duì)巷道布置卸壓槽的卸壓效果進(jìn)行了研究。左建平等[7]建立了巷道開挖卸壓槽的等效橢圓模型，并用數(shù)值模擬軟件分析了卸壓槽的參數(shù)；郭文斌[8]提出了開挖卸壓槽爆破來(lái)進(jìn)一步防治沖擊地壓的方法，并對(duì)其卸壓效果進(jìn)行觀測(cè)；蔡成功[9]通過(guò)建立巷道內(nèi)卸壓槽力學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)卸壓槽參數(shù)進(jìn)行了分析；梁冰等[10]通過(guò)建立卸壓槽理論模型并結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方式，對(duì)在忻州窯煤礦巷道底板開挖卸壓槽的防沖卸壓效果進(jìn)行研究；吳蒸等[11]從理論分析到數(shù)值模擬，結(jié)合具體工程背景，分析了巷道卸壓槽受力情況及其卸壓效果；張瑞凱等[12]通過(guò)在高應(yīng)力巷道應(yīng)力集中部位開挖卸壓槽，并對(duì)巷道支護(hù)情況和圍巖應(yīng)力及位移進(jìn)行了分析；任連偉等[13]通過(guò)數(shù)值模擬軟件在井壁上布置一、二、三道卸壓槽進(jìn)而對(duì)其不同卸壓效果進(jìn)行了分析；張凱等[14]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道卸壓槽開挖時(shí)間及不同位置進(jìn)行了模擬分析；婁嵩等[15]采用數(shù)值模擬及相似模擬結(jié)合的方式對(duì)大埋深高地應(yīng)力的礦井開挖卸壓槽的尺寸等參數(shù)進(jìn)行了分析；楊戰(zhàn)標(biāo)[16]采用非線性數(shù)值模擬軟件分析了在不同卸壓槽深度和寬度條件下，巷道圍巖的應(yīng)力、位移矢量及塑性區(qū)的變化特征。

大多學(xué)者對(duì)同一巖性巷幫及底板布設(shè)卸壓槽的寬度、深度等參數(shù)進(jìn)行了研究，但對(duì)于夾矸煤巷巷幫切槽卸壓研究較少。文中以雞西市城子河區(qū)城子河礦二水平中部采區(qū)3B號(hào)煤層右一工作面回采巷道為背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了切槽卸壓數(shù)值模型，對(duì)比分析了布置不同形式與位置卸壓槽的巷道圍巖側(cè)向支承壓力峰值、位置、巷幫移近量，得出了最優(yōu)切槽方案。此研究可為夾矸煤巷巷幫切槽卸壓提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程背景

城子河礦3B號(hào)煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。夾矸位于煤層中上部，厚度約為0.9 m，上下純煤厚約為0.45 m、2.25 m。夾矸大部分為碳質(zhì)泥巖，色黑，質(zhì)軟，含碳量高，煤巖柱狀圖及煤層夾矸情況如圖1所示。工作面回采巷道為矩形斷面，高3.9 m，寬4.2 m。巷道直接頂為0.8 m的細(xì)砂巖，巖性為灰白色，細(xì)粒厚層狀，堅(jiān)硬；基本頂為9.73 m的砂頁(yè)巖，巖性為灰色，細(xì)粒厚層狀，堅(jiān)硬；底板巖性為1.8 m的砂頁(yè)巖夾煤，巖性為灰黑色，致密塊狀，堅(jiān)硬。城山礦礦井最大開采深度已接近千米，沖擊危險(xiǎn)區(qū)域較為集中，危險(xiǎn)性顯著增加。正在開采的3B號(hào)煤層右一工作面位于二水平中部采區(qū)，在高地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力和局部支承壓力的疊加作用下，礦山壓力顯現(xiàn)明顯，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟枯^大，巷道部分支護(hù)體系失效嚴(yán)重，已制約礦井運(yùn)輸和正常生產(chǎn)。

圖1 煤巖柱狀Fig. 1 Coal rock column

2 巷道切槽數(shù)值模型與開挖方案

2.1 巷道切槽數(shù)值模型

無(wú)卸壓措施時(shí)，巷道圍巖在高地應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)擠壓變形、塑性流動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。巷幫切槽在卸壓后，一方面，側(cè)向支承壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善巷道圍巖所處應(yīng)力環(huán)境，進(jìn)而降低巷道發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性；另一方面，卸壓槽自身具備一定空間，在巷道發(fā)生變形過(guò)程中，部分變形量由卸壓槽內(nèi)部消化，可降低巷幫移近量，減少巷道返修工程量。

為此，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，對(duì)比分析開挖卸壓槽前后巷道側(cè)向支承壓力p、塑性破壞區(qū)分布及巷幫移近量s。除開挖卸壓槽外其余條件均相同，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示。記各測(cè)點(diǎn)距巷幫距離為l。

圖2 有無(wú)切槽模擬結(jié)果Fig. 2 Simulation results with and without grooves

切槽前后巷道側(cè)向支承壓力峰值對(duì)比，如圖2a所示，切槽后峰值較無(wú)切槽有所增加，峰值向巖層深處轉(zhuǎn)移，并由較遠(yuǎn)處巖體所承受，臨近巷道圍巖所受到的應(yīng)力隨峰值向巖層深處移動(dòng)而減小，因而會(huì)降低應(yīng)力集中帶來(lái)的巷道破壞程度。在圖2b中，無(wú)支護(hù)情況下，切槽后巷幫移近量較未切槽有較大幅度的降低，降低幅度達(dá)50.7%。一方面，卸壓槽自身具備一定空間，圍巖變形可向卸壓槽內(nèi)轉(zhuǎn)移，消化部分變形量；另一方面，巷道所受應(yīng)力向巖層深部移動(dòng)，降低了臨近巷道側(cè)圍巖受力，進(jìn)而降低巷幫移近量。在圖2c、d中，切槽前后巷道圍巖均成蝶形破壞，無(wú)切槽時(shí)巷道圍巖塑性破壞區(qū)緊鄰巷幫，并在巷道四角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其受力大于圍巖承載能力即發(fā)生破壞；切槽后巷道四角塑性破壞區(qū)幾乎消失，由塑性區(qū)縱向跨度增大所對(duì)應(yīng)切槽后巷道側(cè)向支承壓力峰值增大，深部巖體破壞程度隨即增大。巷道與塑性破壞區(qū)間存在部分彈性區(qū)，表明切槽卸壓效果顯著。此彈性區(qū)也能為錨桿等支護(hù)設(shè)備提供著力點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性。可見，模擬結(jié)果符合上述理論分析，故在巷幫切槽對(duì)巷道及圍巖穩(wěn)定性具有積極影響。

根據(jù)上述分析，可將切槽卸壓效果評(píng)判指標(biāo)歸納為：①巷道側(cè)向支承壓力峰值向圍巖深處移動(dòng)距離；②巷道側(cè)向支承壓力峰值；③巷幫移近量。

2.2 卸壓槽開挖方案

根據(jù)回采巷道所處巖層地質(zhì)條件，結(jié)合切槽施工難易程度，首先，探究在夾矸煤巷巷幫布置不同形式的卸壓槽，如圖3所示，即水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽對(duì)巷道圍巖卸壓效果的影響，得出最優(yōu)切槽形式；然后，根據(jù)圖1所示煤層夾矸情況，分別在巷幫上部煤層、夾矸及下部煤層中切槽，進(jìn)一步探究不同切槽位置對(duì)該夾矸煤巷卸壓效果的影響。

圖3 不同形式的切槽Fig. 3 Different grooves

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立與邊界條件

為研究在夾矸煤層回采巷道巷幫布設(shè)不同形式與位置卸壓槽對(duì)卸壓效果的影響，根據(jù)工程地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型，巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。其中，K為體積模量，G為剪切模量，φ為摩擦角，γ為容重，c為內(nèi)聚力，σt為抗拉強(qiáng)度。為避免邊界效應(yīng)與觀測(cè)巷道所受側(cè)向支承壓力峰值與位置影響，巷道四邊距邊界均取20 m，模型尺寸為44.2 m×3.0 m×44.0 m，如圖4所示。在模型中部開挖巷道，在巷幫對(duì)稱布置卸壓槽，巷道斷面為矩形，高3.9 m，寬4.2 m。將開挖巷道及卸壓槽部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最小單元體尺寸為0.1 m×0.1 m×0.1 m，模型共174 136個(gè)節(jié)點(diǎn)，203 209個(gè)單元體。首先，探究不同形式卸壓槽對(duì)卸壓效果的影響，即水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽，然后根據(jù)分析結(jié)果并結(jié)合巷幫煤層及夾矸分布情況在上部煤層、夾矸及下部煤層中進(jìn)行切槽研究其對(duì)卸壓效果的影響。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

模型邊界條件：底面施加垂直位移約束，側(cè)面施加水平位移約束。模型模擬埋深為900 m，平均容重取24.00 kN/m3，故在模型頂部施加21.6 MPa的垂直應(yīng)力，不考慮巖體構(gòu)造應(yīng)力及邊界效應(yīng)，模型采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，根據(jù)巖層分布情況將模型分組，如圖4所示。

圖4 切槽卸壓數(shù)值模型Fig. 4 Numerical model of groove relief

3.2 不同形式卸壓槽卸壓效果分析

根據(jù)現(xiàn)有研究[7]，卸壓槽尺寸取深2.6 m、寬0.3 m，在巷幫布置水平切槽、斜式切槽(30°)和立式切槽，其他條件均一致。根據(jù)卸壓效果評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行分析。

巷道在布置不同形式卸壓槽后，圍巖側(cè)向支承壓力峰值及所處位置如圖5所示。相較無(wú)切槽而言，水平切槽、斜式切槽和立式切槽巷道側(cè)向支承壓力峰值分別增大了10.0%、11.9%、9.7%，三者峰值向圍巖深處分別移動(dòng)了1.52、1.01、0.51 m?？梢?，切槽卸壓雖然使側(cè)向支承壓力峰值向巖層深處轉(zhuǎn)移，但增大了應(yīng)力峰值，符合切槽卸壓數(shù)值模型分析。水平切槽和立式切槽側(cè)向支承壓力峰值增大幅度相差較小，但水平切槽向圍巖深處移動(dòng)距離為立式切槽的近3倍，斜式切槽側(cè)向支承壓力峰值增大幅度最大，其向圍巖深處移動(dòng)距離居中。側(cè)向支承壓力峰值向圍巖深處移動(dòng)距離越大，且峰值增大幅度越小，就越有利于維持巷道穩(wěn)定。由上述分析可知，不同形式切槽中水平切槽卸壓效果較好。

圖5 不同形式切槽巷道圍巖側(cè)向支承壓力Fig. 5 Lateral abutment pressure of surrounding rock in different forms of grooved roadway

巷道在無(wú)支護(hù)情況下，不同形式切槽的巷幫移近量如圖6所示。相較無(wú)切槽巷幫而言，水平切槽、斜式切槽和立式切槽的巷幫移近量分別降低了41.8%、40.8%、37.3%，降低幅度明顯，能較好地維持巷道穩(wěn)定。不同形式的切槽巷幫移近量降低幅度依次減少且變化較小，表明切槽形式對(duì)巷幫移近量影響不大。巷幫切槽在卸壓后，原本要向巷道臨空側(cè)產(chǎn)生的位移部分轉(zhuǎn)移到開挖的卸壓槽空間內(nèi)，提供圍巖變形空間，并消耗圍巖積聚的彈性能，降低巷幫移近量，進(jìn)而維持巷幫穩(wěn)定，預(yù)防發(fā)生大變形或片幫等事故。比較3種切槽形式，水平切槽巷幫移近量最小。

不同形式的切槽槽深和槽寬都是相同的，故斜式切槽的工程量和施工難度較水平切槽和立式切槽大。綜合比較3種切槽形式，水平切槽對(duì)巷道卸壓效果最優(yōu)。

圖6 不同形式切槽巷幫移近量Fig. 6 Nearness of roadway side in different forms of grooving

3.3 不同位置卸壓槽卸壓效果分析

由不同形式切槽模擬分析，水平切槽對(duì)巷道卸壓效果最優(yōu)，故在此只布設(shè)水平切槽。根據(jù)巷幫煤層及夾矸相對(duì)位置(巷幫夾矸位置如圖1所示)，分別在巷幫上部煤層、夾矸和下部煤層等3處進(jìn)行切槽，以此來(lái)探究當(dāng)回采巷道巷幫煤體中含有夾矸時(shí)，切槽位置對(duì)巷道卸壓效果的影響，并分析得出最優(yōu)切槽位置。

巷道在布置不同位置卸壓槽后，巷道圍巖側(cè)向支承壓力峰值及所處位置如圖7所示。相對(duì)無(wú)切槽而言，在巷幫上部煤層、夾矸和下部煤層處切槽巷道側(cè)向支承壓力峰值分別增大了18.7%、12.4%、13.7%，且分別向圍巖深處移動(dòng)了2.03、1.01、1.52 m。其中，在夾矸和下部煤層中切槽后，側(cè)向支承壓力峰值相近，但后者向圍巖深處移動(dòng)距離比前者多0.51 m，兩者相比在下部煤層中切槽卸壓效果較好；在上部煤層中切槽，圍巖側(cè)向支承壓力峰值向圍巖深部移動(dòng)距離比下部煤層多0.51 m，但其增長(zhǎng)幅度較大。一方面，切槽卸壓會(huì)使應(yīng)力峰值向圍巖深部移動(dòng)，但要以峰值增大為代價(jià)，在工程應(yīng)用切槽卸壓時(shí)要盡量降低此代價(jià)；另一方面，巷道圍巖隨著所受應(yīng)力的增加積聚的能量也會(huì)隨之增加，隨著工作面的推移，巷道實(shí)體煤側(cè)的支承壓力也會(huì)逐漸增大，加上掘進(jìn)、采動(dòng)等動(dòng)力擾動(dòng)的影響，極易引發(fā)動(dòng)力災(zāi)害事故。由此，在研究不同切位時(shí)，要使側(cè)向支承壓力峰值增長(zhǎng)幅度處于較小范圍。在巷幫下部煤層切槽既能使側(cè)向支承壓力峰值增大幅度偏低，又能使其向巖層深處移動(dòng)較大距離，故在巷幫下部煤層中切槽卸壓效果較好。

圖7 不同位置切槽巷道圍巖側(cè)向支承壓力Fig. 7 Lateral abutment pressure of surrounding rock of grooved roadway at different positions

在無(wú)支護(hù)情況下不同位置切槽的巷幫移近量如圖8所示。

圖8 不同位置切槽巷幫移近量Fig. 8 Nearness of slotted roadway side at different positions

由圖8可見，相較無(wú)切槽而言，在巷幫上部煤層、夾矸和下部煤層中切槽巷幫移近量分別降低了8.2%、31.4%、62.1%。3種位置切槽后巷幫移近量降低幅度相差較大，說(shuō)明切槽位置對(duì)巷幫移近量影響亦較大。其中，在下部煤層中切槽卸壓巷幫移近量降低幅度最大，分別為在上部煤層、夾矸中切槽的近8倍、2倍。不同位置切槽卸壓使巷幫原本向巷道臨空側(cè)產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)向了卸壓槽空間，既使巷道產(chǎn)生應(yīng)有位移，發(fā)生塑性破壞，釋放巷道圍巖所積聚的能量，進(jìn)而側(cè)向支承壓力向圍巖深部移動(dòng)，又能降低巷幫移近量，維持巷道穩(wěn)定性，減少巷道返修工程量，增加巷道服務(wù)年限。比較3種切槽位置，在下部煤層中切槽，巷幫移近量降低幅度最大。

3種不同位置切槽，開槽的工程量和施工難度差別不大。綜上所述，在巷幫下部煤層中切槽卸壓對(duì)巷道卸壓效果最優(yōu)。

4 結(jié) 論

(1)回采巷道巷幫切槽卸壓，可有效降低巷幫移近量，巷道圍巖側(cè)向支承壓力峰值向圍巖深部移動(dòng)，巷道自身塑性破壞明顯減少，蝶形塑性區(qū)向圍巖深處移動(dòng)，且與巷幫間存在部分彈性區(qū)，可為錨固體提供著力點(diǎn)。

(2)不同形式的切槽，巷道側(cè)向支承壓力峰值和巷幫移近量變化不及5%。水平切槽使應(yīng)力峰值向圍巖深部移動(dòng)1.52 m，故水平切槽卸壓效果最優(yōu)。

(3)不同位置的切槽，下部煤層切槽側(cè)向支承壓力峰值與位置均居中，但其巷幫移近量降低62.1%，降幅分別為上部煤層切槽和夾矸切槽的近8倍、2倍，能更好的維持巷道穩(wěn)定。故夾矸煤巷切槽卸壓效果最優(yōu)方案為在巷幫下部煤層布設(shè)水平切槽。