潘二礦11123 工作面下順槽切頂卸壓護(hù)巷數(shù)值模擬研究

羅 勇，李志紅，孫向陽，韓云春

（1.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232001；2.淮南礦業(yè)集團(tuán) 潘二煤礦，安徽 淮南232087）

引言

近距離煤層群巷道易受工作面采動(dòng)影響，巷道圍巖控制難度大[1-2]。以往通過提高巷道支護(hù)強(qiáng)度的方式控制圍巖穩(wěn)定性，但“硬抗”并不能從根本上減小或轉(zhuǎn)移聚集在巷道圍巖中的應(yīng)力[3]，通過人工干預(yù)的方式，破壞或改變超前支承壓力的傳播路徑。目前深孔預(yù)裂爆破方法成為人工干預(yù)的主要方式。李俊斌[4]探討了深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂?shù)目尚行?；傅菊根[5]針對厚硬砂巖頂板條件，采取深孔預(yù)裂爆破，縮短了初次來壓步距；于志慧[6]分析了切頂卸壓前后的受力情況，采取了聚能爆破炮孔布置位置及爆破技術(shù)參數(shù)；王華斌[7]分析了爆破卸壓機(jī)理，采用數(shù)值模擬手段對爆破參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

分析以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)者針對硬巖爆破切頂技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，而對于近距離煤層開采后對下部底區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)研究較少?；诖?，結(jié)合潘二礦11123工作面下順槽預(yù)裂爆破切頂卸壓保護(hù)底區(qū)11221 上順槽的工程實(shí)例，研究近距離煤層預(yù)裂爆破切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)。

圖1 11123 工作面與11221 上順槽位置關(guān)系

1 工程概況

潘二礦3 煤和1 煤屬于近距離煤層。11123 工作面北沿11223 上順槽沿空掘進(jìn)，工作面傾斜長160m，煤層傾角平均10°，厚度平均5.5m；11221 上順槽掘進(jìn)工作面位于11123 工作面底區(qū)，南以11123 上順槽內(nèi)錯(cuò)20-23m，11223 工作面已回采，1 煤與3 煤層間距平均為1.5m，具體工作面位置關(guān)系簡圖如圖1 所示。

11123工作面上覆巖層中賦存層厚平均10m 的中粗砂巖，綜合柱狀圖如圖2 所示。頂板垮落不及時(shí)，懸頂效應(yīng)易造成11123 與11223 工作面之間的煤柱應(yīng)力集中，導(dǎo)致鄰近的底區(qū)巷道11121 下順槽礦壓顯現(xiàn)明顯。采用預(yù)裂爆破的技術(shù)方案消除或減弱中粗砂巖等堅(jiān)硬頂板形成的懸頂效應(yīng)。具體方案為：施工位置為距離11123 下順槽上幫1m，切頂高度控制線22m，切頂角度偏向11123工作面方向15°，即鉆孔的仰角設(shè)計(jì)為75°，炮孔長度23m，切頂間距6m，垂直于11123 下順槽施工。在11123工作面下順槽實(shí)施預(yù)裂爆破后，切斷煤柱上方的堅(jiān)硬厚頂板，改善底區(qū)11221 上順槽受力狀態(tài)，達(dá)到減少巷道變形的目的。

圖2 11123 工作面綜合柱狀圖

2 切頂卸壓護(hù)巷數(shù)值模擬

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以11123 工作面實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，在構(gòu)建關(guān)鍵層影響下采動(dòng)應(yīng)力模型的基礎(chǔ)上，模擬預(yù)裂爆破切頂卸壓前后應(yīng)力變化規(guī)律，分析切頂卸壓前后對區(qū)段煤柱的影響規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型建立

以11123 工作面實(shí)際地質(zhì)與生產(chǎn)條件為背景建立數(shù)值模型。模型中規(guī)定工作面走向方向?yàn)閄 方向，傾向方向?yàn)閅 方向，垂直方向?yàn)閆 方向，向上為正，根據(jù)對稱性原則，選取工作面的一半進(jìn)行建模，模型的尺寸：走向×傾向×高度=250×288×182.8m，考慮工作面煤層傾角平均為10°，如圖3 所示；模擬上覆巖層厚度100m，模型的上邊界采用應(yīng)力邊界條件，施加等效壓應(yīng)力9.125MPa，四周和底面采用位移邊界條件，計(jì)算采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。

圖3 數(shù)值模型圖

在11123 工作面回采范圍內(nèi)，未切頂卸壓段與切頂卸壓段范圍各為75m，模擬過程不考慮巷道支護(hù)。按照現(xiàn)場回采速度為2-3m/天，模擬時(shí)每次回采長度為2.5m。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按照礦井開掘順序進(jìn)行模擬。11123 工作面開挖，分為兩個(gè)區(qū)域，未切頂卸壓區(qū)域（x：50-125）和切頂卸壓區(qū)域（x：125-200）。采用弱化爆破區(qū)域介質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)對爆破進(jìn)行簡化處理[8]。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際裝藥量，數(shù)值模擬弱化上覆巖層第3 層，即中粗砂巖段。圖4 給出了未切頂卸壓段與切頂卸壓段傾向方向垂直應(yīng)力云圖。

可以看出，11123 工作面下順槽未采取切頂卸壓時(shí)，本應(yīng)由采空區(qū)支承的上覆巖層載荷由覆巖的中粗砂巖傳遞至區(qū)段煤柱，造成煤柱內(nèi)部應(yīng)力升高。區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力峰值區(qū)位于煤柱的中部區(qū)域，峰值約為48.2MPa，區(qū)段煤柱承載壓力較大，極易造成煤柱失穩(wěn)。采取切頂卸壓后，側(cè)向支承壓力峰值同樣位于區(qū)段煤柱的中部區(qū)域，但垂直應(yīng)力峰值大幅降低，峰值約38.4MPa，降幅9.8MPa。

圖4 11123 工作面切頂與未切頂區(qū)域應(yīng)力變化

圖5 切頂與未切頂區(qū)域區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

對比未切頂卸壓的方案，明顯可見區(qū)段煤柱內(nèi)高應(yīng)力峰值大幅度降低，說明爆破卸壓切斷了位于煤層上覆堅(jiān)硬巖層，切斷采空區(qū)頂板與區(qū)段煤柱之間的應(yīng)力傳遞，在回采過程中，爆破生成的裂隙利于頂板切落（b 圖拉應(yīng)力區(qū)域），有效阻隔采空區(qū)上覆巖層載荷向工作面?zhèn)认虻膫鞑ネ緩?。爆破卸壓改變了煤巖體內(nèi)原有的側(cè)向支承壓力分布形態(tài)，使得區(qū)段煤柱處于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，利于巷道的適用于維護(hù)。圖5 給出了切頂與未切頂區(qū)域區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布曲線。

從圖5 可見，采取了爆破切頂卸壓技術(shù)措施，切頂卸壓后，改善了區(qū)段煤柱的受力狀態(tài)，區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值大幅降低，受力較小，便于11123 下順槽維護(hù)。

圖6 給出了11121 上順槽不切頂條件和切頂條件下掘進(jìn)后圍壓垂直應(yīng)力云圖及垂直位移云圖。

11221上順槽位于11223 工作面底區(qū)卸壓范圍內(nèi)，巷道圍巖整體應(yīng)力較小。對比未切頂卸壓與切頂卸壓，切頂卸壓范圍內(nèi)，11221 上順槽巷道圍巖應(yīng)力降低1MPa，垂直位移減小3.34cm，可見，采取了預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)措施后，11221 上順槽垂直應(yīng)力和垂直位移均有降低。切頂卸壓技術(shù)措施對巷道圍巖控制起積極的作用。

3 結(jié)束語

（1）11223 下順槽采取預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)措施后，切斷采空區(qū)頂板與區(qū)段煤柱之間的應(yīng)力傳遞，在回采過程中，爆破生成的裂隙利于頂板切落，有效阻隔采空區(qū)上覆巖層載荷向工作面?zhèn)认虻膫鞑ネ緩?。改善了區(qū)段煤柱圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值大幅降低，受力較小，便于11123 下順槽巷道維護(hù)。

圖6 切頂與未切頂區(qū)域11221 上順槽掘進(jìn)后垂直應(yīng)力、垂直位移云圖

（2）對比未切頂卸壓與切頂卸壓，切頂卸壓范圍內(nèi)，11221 上順槽垂直應(yīng)力和垂直位移均有降低。切頂卸壓技術(shù)措施對巷道圍巖控制起積極的作用。