張懿

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232000）

隨著我國(guó)的開(kāi)采強(qiáng)度不斷加大，巷道所受采動(dòng)壓力也日益劇增，而巷道作為煤炭開(kāi)采的交通要道，保證其穩(wěn)定性具有重要意義。厚煤硬頂巷道因其基本頂為堅(jiān)硬巖層，強(qiáng)度高，難垮落，易引發(fā)強(qiáng)礦壓，為保證井下工人的生命安全，爆破切頂技術(shù)開(kāi)始普遍實(shí)施。

對(duì)于切頂巷道，白璐[1]指出切頂后巷道頂板豎直位移由采區(qū)向采空區(qū)逐漸增大，巷道圍巖變形量變；韓剛等[2]指出巷道沿空側(cè)覆巖破裂產(chǎn)生的動(dòng)載為巷道動(dòng)力顯現(xiàn)誘沖的主要原因；王辛豐等[3]提出巷道圍巖的破壞是由垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力耦合作用而產(chǎn)生的，頂?shù)装遄冃瘟渴怯^察圍巖破壞最有效特征；朱志潔等[4]指出厚煤大采出空間及其多層堅(jiān)硬頂板，在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，造成綜放工作面強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)；尉瑞等[5]指出巷幫變形中煤柱幫移近量大于工作面幫；杜科科[6]通過(guò)引入ETAS 長(zhǎng)壁式支承壓力計(jì)算模型，分析了工作面的礦壓顯現(xiàn)力學(xué)機(jī)制，進(jìn)而設(shè)計(jì)水壓欲裂方案來(lái)弱化頂板垮落來(lái)壓；于健浩等[7]發(fā)現(xiàn)“雙軟”煤層礦壓顯現(xiàn)弱，只有局部來(lái)壓特征明顯，超前采動(dòng)壓力對(duì)巷道影響范圍較大；劉乙霖等[8]揭示了切頂卸壓的原理是通過(guò)切斷煤柱側(cè)未垮落基本頂巖層使其及時(shí)垮落，以減小煤柱載荷和基本頂巖層垮落對(duì)煤柱的載荷；王高偉[9]制定水壓切頂方案及相應(yīng)的支護(hù)措施，通過(guò)觀察弧形三角板水力壓裂的效果，結(jié)合對(duì)巷道礦壓的觀測(cè)，證明水壓切頂方案的可行性；張雷[10]通過(guò)理論分析揭示了切頂護(hù)巷的原理，并以此為根據(jù)提出了四種防沖擊控制方案，得出當(dāng)鉆孔傾角豎直向上，鉆孔深度8m 和6m，鉆孔間距500mm 時(shí)效果最好；蘇超等[11]發(fā)現(xiàn)切頂可以減弱深井臨空巷道形成的雙“F”結(jié)構(gòu)的懸頂疊加效應(yīng)，并且可誘發(fā)頂板產(chǎn)生新的斷裂線，進(jìn)而保持巷道的穩(wěn)定性。

本文以唐家會(huì)煤礦61304 工作面輔運(yùn)巷道為研究對(duì)象，根據(jù)厚煤硬頂巷道的圍巖特性和力學(xué)條件，建立數(shù)值模擬模型，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，確定巷道的礦壓顯現(xiàn)特征。

1 工程概況

唐家會(huì)煤礦的主采煤層為平均層高16.8m 的6 煤，采用綜放開(kāi)采，采高4.5m，放煤12.3m。而61304 工作面位于井田的西南方，走向長(zhǎng)度2141m，傾向長(zhǎng)度240m。61304 輔運(yùn)巷道為沿煤層底板掘進(jìn)的矩形巷道，寬×高=5.7m×3.8m。直接頂為泥巖，基本頂為較堅(jiān)硬的細(xì)粒砂巖，難破斷，易引發(fā)巷道冒頂。巖層結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 巖層結(jié)構(gòu)布置

2 厚煤硬頂巷道切頂技術(shù)分析

隨著工作面推進(jìn)，巷道的直接頂隨之垮落，砂巖層基本頂懸露，形成兩邊固支的固支梁，如圖2 所示。若不及時(shí)切斷基本頂，將會(huì)造成頂板大面積懸吊，極易引發(fā)強(qiáng)礦壓，對(duì)工人的人身安全造成傷害。

圖2 切頂前巖層位置圖

通過(guò)切頂技術(shù)可使巷道基本頂及時(shí)垮落，即可解除巷道冒落的隱患，如圖3 所示。

圖3 切頂后巖層位置圖

3 厚煤切頂巷道數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

為了研究切頂前后61304 輔運(yùn)巷道圍巖的應(yīng)力分布、破壞特征及變形情況，采用FLAC3D 模擬軟件對(duì)61304 輔運(yùn)巷道進(jìn)行模擬，建立尺寸為652m×720m×383.9m（長(zhǎng)×寬×高）的數(shù)值模型，采用Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則，考慮到邊界效應(yīng)走向和傾向方向各留150m 的邊界煤柱。

3.2 垂直應(yīng)力分析

由圖4 可知，未實(shí)施爆破切頂方案時(shí)，巷幫測(cè)出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力集中。距離工作面5 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)13.94MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)27.78MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)35.33MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)13.85MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)24.56 MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)28.81MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)12.57MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)22.67MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)24.11MPa。

圖4 切頂前后工作面不同距離的垂直應(yīng)力云圖

實(shí)施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)9.59MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)23.21MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)34.09MPa；在距離工作面15m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)8.81MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)22.91 MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)27.15MPa；在距離工作面30 m 處，巷道頂板所受最大垂直應(yīng)力達(dá)8.37MPa，煤柱側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)21.42 MPa，實(shí)體煤側(cè)巷幫最大垂直應(yīng)力達(dá)23.74MPa。由此可知，切頂后巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力傳遞被阻斷，巷道頂板應(yīng)力減小，煤柱側(cè)巷幫的應(yīng)力集中減小。

3.3 垂直位移分析

由圖5 可知，未實(shí)施爆破切斷方案時(shí)，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.37m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.3m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.23m。

圖5 切頂前后工作面不同距離的垂直位移云圖

實(shí)施爆破切頂方案后，距離工作面5m 處，巷道頂板最大位移量為0.59m；在距離工作面15m 處，巷道頂板最大位移量為0.41m；在距離工作面30m 處，巷道頂板最大位移量為0.27m。由此可知，切頂后巷道頂板變形明顯，巷道頂板垂直位移逐漸增大。

4 工程實(shí)踐于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

4.1 工程實(shí)踐

由于61304 輔運(yùn)巷道頂板為煤，力學(xué)性質(zhì)較差，易冒頂，采用單體支柱進(jìn)行被動(dòng)支護(hù)可減小巷道頂?shù)装宓囊平?。同時(shí)采用錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)，以維護(hù)巷道頂板和巷幫的整體性，防止小塊煤體掉落對(duì)施工人員造成傷害。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

61304 輔運(yùn)巷道采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，巷道圍巖變形變化曲線如圖6 所示。由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏吭诓蓜?dòng)影響下逐漸增大，但整體變形量不大，尚在可控范圍內(nèi)。由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知切頂效果良好，現(xiàn)場(chǎng)巷道穩(wěn)定性情況。

圖6 巷道圍巖變形變化曲線

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)數(shù)值模擬分析可知，采用切頂方案后應(yīng)力傳遞被切斷，巷道頂板所受應(yīng)力減小，煤柱側(cè)巷幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯有所緩解，實(shí)體煤側(cè)巷幫受采動(dòng)影響所受壓力較大，但隨著距離工作面越來(lái)越遠(yuǎn)，采動(dòng)影響減小，巷道圍巖趨于穩(wěn)定。

5.2 對(duì)于厚煤硬頂巷道，切頂后頂板應(yīng)力重新分布，造成巷道頂板變形變化，巷道頂板垂直位移逐漸增大，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，建議及時(shí)提供支護(hù)。

5.3 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可知，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟慷汲氏仍龃蠛蠓€(wěn)定的趨勢(shì)，且巷道圍巖的整體變形量始終在可控范圍內(nèi)，并不影響安全生產(chǎn)，證明切頂效果顯著。