近距離煤層群切頂留巷覆巖應(yīng)力及變形響應(yīng)研究

楊紅運(yùn)，劉延保，李 勇，潘瑞凱，王 輝，曹樹剛

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

通過頂板定向預(yù)裂切縫，切斷部分頂板的礦山傳遞壓力，同時(shí)加強(qiáng)支護(hù)回采巷道頂板。在采空區(qū)側(cè)頂板巖層礦山壓力作用下，頂板部分巖體被切落，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)成巷和無煤柱開采，該技術(shù)變被動(dòng)“支”為主動(dòng)“切”與“支”，使礦山壓力變害為利[1-2]。2010年，該技術(shù)在白皎煤礦2422保護(hù)層開采工作面機(jī)巷成功應(yīng)用以來，得到了大力推廣，相關(guān)研究也更加深入[3-8]。

對(duì)于巷道圍巖應(yīng)力及變形演化特征，遲寶鎖等[9]將留巷期間巷道變形及結(jié)構(gòu)受力的演化過程分為4個(gè)階段，將留巷復(fù)用期間巷道變形及結(jié)構(gòu)受力的演化過程分為3個(gè)階段；陳上元等[10]研究認(rèn)為合理的切頂參數(shù)能夠切斷巷道頂板與采空區(qū)巖層間的力學(xué)關(guān)系，使采空區(qū)頂板沿切縫順利垮落，碎脹的矸石可有效支撐上覆頂板，限制其回轉(zhuǎn)下沉，減弱覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)留巷的擾動(dòng)作用，沿空巷道圍巖變形量明顯減??；高玉兵等[11]認(rèn)為切頂高度和切頂角度等參數(shù)對(duì)巷道圍巖的整體變形及礦壓分布有重要影響，切頂高度影響采空區(qū)矸石的碎脹體積及其對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的作用力，切頂角度主要影響采空區(qū)頂板在垮落中對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)下墜力及穩(wěn)定后對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)支撐力；何滿潮等[12-13]對(duì)無煤柱自成巷切縫前后工作面及巷道的礦壓分布規(guī)律、演變機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，認(rèn)為切縫引起的充填結(jié)構(gòu)的支撐作用是造成工作面頂板壓力減小的直接原因，來壓控制關(guān)鍵層上的有效荷載減小是導(dǎo)致來壓步距增大的根本原因。充分利用采空區(qū)碎脹矸石的自承載特性和巷道圍巖的協(xié)同支撐作用，可有效減小支護(hù)強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道穩(wěn)定性。

已有研究對(duì)切頂留巷圍巖應(yīng)力及變形特征開展了深入分析，但相關(guān)研究成果依托工程的煤層賦存條件相對(duì)單一，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。為了更加深入了解復(fù)雜賦存地質(zhì)條件下切頂成巷圍巖應(yīng)力及變形響應(yīng)規(guī)律，筆者在已有研究基礎(chǔ)上開展近距離煤層群切頂成巷相似模擬試驗(yàn)，分析多巷道切頂成巷過程大范圍覆巖應(yīng)力及變形演化特征，以及對(duì)切頂成巷效果的影響。

1 工程地質(zhì)條件

白皎煤礦開采24采區(qū)二煤層(B4)、三煤層(B3)及四煤層(B2)。二煤層(B4)厚度為0.8～1.4 m，平均厚度1.1 m；三煤層(B3)厚度為0.5～1.8 m，平均厚度1.3 m；四煤層(B2)厚度為0.8～2.4 m，平均厚度1.9 m。二、三煤層間距為2.8～6.2 m，平均間距為4.5 m；三、四煤層間距為1.2～3.7 m，平均間距為 2.5 m。研究區(qū)域內(nèi)煤層開采時(shí)相互有較大影響，為近距離煤層群。煤層走向330°～340°，傾向240°～250°，傾角9°～15°，平均傾角10°。研究區(qū)域內(nèi)含煤巖系地層見參考文獻(xiàn)[14]。

B4煤層、B3煤層及B2煤層預(yù)切頂成巷巷道分別為2442、2443及2444運(yùn)輸平巷，層間巷道內(nèi)錯(cuò)水平布置，其平面、剖面見圖1[15]。煤層間及區(qū)段均為下行式開采。

圖1 回采巷道布置平面、剖面圖

2 相似材料模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 相似材料參數(shù)選擇

相似材料模型試驗(yàn)臺(tái)尺寸為2.0 m×2.0 m×0.3 m[15]。由于試驗(yàn)過程中橫向采動(dòng)范圍較大，選擇的幾何相似比應(yīng)盡量減小試驗(yàn)臺(tái)端部效應(yīng)影響，同時(shí)便于相似材料的鋪設(shè)和巖層變形分析，最后根據(jù)巷道幾何尺寸和埋深情況確定模型幾何相似比[16-17]CL=LM/LH=1/50(LM為模型尺寸，LH為實(shí)際尺寸)，容重相似比Cγ=0.667，強(qiáng)度相似比Cσ=CLCγ=0.013 34。

相似材料參數(shù)選取一般以巖石單軸抗壓強(qiáng)度為主要相似物理量。實(shí)際及模型煤巖石單軸抗壓強(qiáng)度及密度見表1。其中，2442頂板巖體強(qiáng)度較大。模型采用細(xì)河沙為骨料，碳酸鈣、石膏為膠結(jié)材料[18]。

表1 實(shí)際與相似模型巖石物理力學(xué)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配

模型設(shè)計(jì)方案如圖2所示。煤層傾角為10°，先將試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)10°，實(shí)現(xiàn)模型水平鋪設(shè)。在模型鋪裝完成后，再將試驗(yàn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)回到水平狀態(tài)，待模型材料自然干燥后，進(jìn)行平面應(yīng)力狀態(tài)模型試驗(yàn)。

圖2 模型裝配設(shè)計(jì)及過程

3 模型加載測(cè)試及開挖過程

2442運(yùn)輸平巷埋深518 m，模型巷道上方只能模擬52 m厚上覆巖層重力。上覆巖層平均密度取 2 500 kg/m3，按照相似比計(jì)算得到其余巖層載荷為0.155 MPa，采用千斤頂加載補(bǔ)償。在煤層及其頂板中部布置16個(gè)水平間距70 mm并已標(biāo)定的壓力盒，其直徑為28 mm、厚度為7 mm。模型布置方式見圖3。

圖3 相似模擬模型布置圖

在模型加載應(yīng)力平衡后對(duì)壓力盒數(shù)據(jù)清零，以便分析開挖前后圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。模型開挖順序見圖4。

圖4 相似模擬模型開挖順序框圖

其中，煤層頂板切頂面偏移垂直面的夾角(切頂偏移角)為10°；厚層頂板切頂高度h′按照采空區(qū)垮落矸石能充滿采空區(qū)要求施工。切頂高度設(shè)計(jì)示意圖見圖5。

圖5 切頂高度設(shè)計(jì)示意圖

開挖過程采用Sigmar ASMD3-16應(yīng)變儀及相關(guān)配套裝置采集壓力盒數(shù)據(jù)。同時(shí)，在模型表面用墨盒標(biāo)定出邊長(zhǎng)10 cm的正方形，并通過照相機(jī)不斷獲取開挖過程模型表面圖像，以捕獲模型表面裂紋擴(kuò)展信息。

4 煤層頂板切頂成巷巖層應(yīng)力及變形破壞演化特征

試驗(yàn)開始后將壓力盒壓力數(shù)據(jù)按照相似比轉(zhuǎn)化，定義壓縮應(yīng)力為正值，膨脹應(yīng)力為負(fù)值。

4.1 B4煤層切頂成巷巖層應(yīng)力及變形破壞演化特征

2442巷道頂板切頂并開挖完B4煤層后，采場(chǎng)巷道區(qū)域內(nèi)壓力盒應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖6。開挖過程中，11#與12#壓力盒無監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，未對(duì)其進(jìn)行處理。

A—開挖巷道時(shí)間點(diǎn)；B—開始切頂時(shí)間點(diǎn)；C—開挖煤層時(shí)間點(diǎn)；D—切頂垮落時(shí)間點(diǎn)。

1)2442巷道圍巖應(yīng)力響應(yīng)

開挖2442運(yùn)輸平巷后，煤幫側(cè)13#壓力盒壓力有所增加，說明壓力向煤幫轉(zhuǎn)移；而頂板14#、15#及16#壓力盒壓力稍有降低，出現(xiàn)負(fù)值，表明巷道頂板巖體開始卸壓；隨著切頂垮落，2442運(yùn)輸平巷頂板壓力盒壓力急劇下降，如圖6中圓圈所示，說明頂板巖體卸壓明顯。

隨著頂板巖體進(jìn)一步垮落及向傾斜方向滑動(dòng)并擠壓采空區(qū)下部垮落巖體，形成對(duì)巷道頂板巖體支撐作用，B4煤層開采后上覆巖層裂紋及壓力分布特征見圖7。加上側(cè)向支承壓力不斷轉(zhuǎn)移及逐漸增大，高位頂板15#及16#壓力盒壓力恢復(fù)，最高接近30 MPa，呈現(xiàn)高壓力狀態(tài)；但是從圖7看出，16#壓力盒位置水平巖層產(chǎn)生裂紋，整體向右旋轉(zhuǎn)，巖層錯(cuò)動(dòng)變形，16#壓力盒數(shù)據(jù)增加較少，而15#壓力盒位置處巖層未產(chǎn)生裂紋，整體向右旋轉(zhuǎn)，巖層完整未破壞，壓力增加明顯；低位頂板14#壓力盒壓力雖有所恢復(fù)，但仍然為負(fù)值。

圖7 B4煤層開采后上覆巖層裂紋及壓力分布特征

煤層開挖完后，支承壓力向側(cè)向深部巖體轉(zhuǎn)移，壓力盒壓力又開始下降，最后趨于階段穩(wěn)定狀態(tài)；由于巷道上方14#壓力盒位置靠近所切頂板，其壓力幾乎未恢復(fù)，處于卸壓狀態(tài)。切頂垮落后巷道頂板巖體壓力變化趨勢(shì)可簡(jiǎn)化為如圖8所示，頂板巖體依次經(jīng)歷卸壓段、增壓段及卸壓段，可以發(fā)現(xiàn)本煤層開挖完后，應(yīng)力環(huán)境有利于2442切頂巷道頂板巖體穩(wěn)定。

圖8 巷道頂板巖體壓力變化趨勢(shì)

2)2443、2444巷道圍巖應(yīng)力響應(yīng)

當(dāng)煤層開挖接近2443、2444巷道區(qū)域時(shí)，受前方支承壓力作用，1#～5#、6#～10#壓力盒壓力逐漸增大，一旦煤層開挖過壓力盒上方，壓力瞬間下降，并出現(xiàn)負(fù)值，說明B4煤層底板卸壓。B4煤層開挖完平衡穩(wěn)定后，2443、2444運(yùn)輸平巷區(qū)域卸壓后壓力未得到恢復(fù)，周邊煤巖體處于低應(yīng)力環(huán)境中，首先有利于2443平巷掘進(jìn)支護(hù)及切頂成巷的維護(hù)。

3)一次切頂采動(dòng)采場(chǎng)圍巖變形響應(yīng)

①隨著B4煤層頂板垮落及上覆巖層下沉后，采場(chǎng)周邊頂板巖體沿層理面出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)變形破壞，同時(shí)出現(xiàn)少量拉伸剪切裂紋，但未出現(xiàn)大量宏觀裂紋，見圖7橢圓區(qū)域。

②由于開挖煤層厚度不大，巖層離層不明顯，整個(gè)采場(chǎng)圍巖變形量較?。惶貏e地，2442切頂巷頂板巖體在煤幫側(cè)上方出現(xiàn)少量細(xì)微的縱向斷裂裂紋，部分裂紋已在模型表面交叉貫通，說明頂板巖體已在煤壁內(nèi)部斷裂。

4.2 B3煤層切頂成巷巖層應(yīng)力及變形破壞演化特征

2443巷道頂板切頂并開挖完B3煤層后，采場(chǎng)巷道區(qū)域內(nèi)壓力盒應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖9。

A—開挖巷道時(shí)間點(diǎn)；B—開始切頂時(shí)間點(diǎn)；C—開挖煤層時(shí)間點(diǎn)；D—切頂垮落時(shí)間點(diǎn)。

1)二次切頂采動(dòng)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力響應(yīng)

B4煤層采空區(qū)壓實(shí)，巖層應(yīng)力最終調(diào)整穩(wěn)定后，2442運(yùn)輸平巷卸壓區(qū)的煤幫及頂板壓力又開始增加；同樣，B4煤層底板壓力也有所增大，巷道周邊巖體應(yīng)力得到一定恢復(fù)，2443運(yùn)輸平巷區(qū)域內(nèi)的7#壓力盒壓力為14.6 MPa，恢復(fù)到原巖應(yīng)力；6#、8#、10#壓力盒壓力分別為1.7、1.9、5.1 MPa，仍然處于卸壓狀態(tài)；9#壓力盒位于2443運(yùn)輸平巷頂板內(nèi)，在壓力平衡過程中，頂板巖體破壞嚴(yán)重，受外力作用較小，壓力未恢復(fù)。同樣，2444區(qū)域內(nèi)壓力恢復(fù)，壓力增加幅度較大，2#、3#壓力盒壓力接近原巖應(yīng)力，1#、4#及5#壓力盒壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力。

2443運(yùn)輸平巷開挖并切頂后，1#～5#、6#、7#及10#壓力盒壓力開始增加，并隨著煤層開采的推進(jìn)，壓力盒壓力進(jìn)一步增加；當(dāng)所切頂板垮落后，靠近2443運(yùn)輸平巷煤幫側(cè)的6#壓力盒壓力瞬間下降，煤幫上方頂板10#壓力盒壓力增速放緩，并在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變，見圖9中圓圈及箭頭所示，說明頂板及煤幫淺部出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象。

切頂垮落后巷道煤幫側(cè)淺部壓力變化趨勢(shì)可簡(jiǎn)化為如圖10所示。

圖10 煤幫淺部壓力變化趨勢(shì)

隨著頂板巖體進(jìn)一步垮落，壓力盒壓力開始回升，6#、7#及10#壓力盒壓力超過原巖應(yīng)力，說明此區(qū)域?yàn)閴毫υ龈邊^(qū)，見圖11。其中，7#壓力盒處于集中壓力核心區(qū)，增加幅度最大；同時(shí)，所切頂板垮落后，上煤層2442運(yùn)輸平巷區(qū)域煤幫及頂板巖體壓力也逐漸增大，說明B3煤層開采過程中，上覆巖層壓力同時(shí)向2442及2443切頂巷周邊煤巖體轉(zhuǎn)移。另外發(fā)現(xiàn)，切頂垮落后，8#壓力盒壓力雖有所增加，但增加趨勢(shì)不明顯，說明遠(yuǎn)離2443巷道的8#壓力盒區(qū)域未壓實(shí)，處于B4煤層采空區(qū)的下部卸壓區(qū)，8#壓力盒上部存在壓力拱效應(yīng)。

圖11 B3煤層開采后上覆巖層裂紋及壓力分布特征

當(dāng)煤層開挖過下煤層頂板壓力盒后，壓力盒壓力瞬間下降至0 MPa左右，未出現(xiàn)壓力盒膨脹現(xiàn)象。

2)二次切頂采動(dòng)采場(chǎng)圍巖變形響應(yīng)

B3煤層開挖完及上覆巖層垮落階段穩(wěn)定后，巖層出現(xiàn)數(shù)量更大的層面錯(cuò)動(dòng)裂紋，巖體進(jìn)一步變形破壞；同時(shí)，之前出現(xiàn)的拉伸剪切裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，張開后形成宏觀裂紋；另外，在采空區(qū)低位巖層中出現(xiàn)離層現(xiàn)象。特別地，在2443切頂巷煤幫側(cè)頂板出現(xiàn)了2條縱向宏觀拉伸裂紋，幾乎貫穿整個(gè)頂板，說明頂板已經(jīng)在煤幫側(cè)斷裂(見圖11)。

4.3 B2煤層切頂成巷巖層應(yīng)力及變形破壞演化特征

2444巷道頂板切頂并開挖完B2煤層后，采場(chǎng)巷道區(qū)域內(nèi)壓力盒應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖12。

A—開挖巷道時(shí)間點(diǎn)；B—開始切頂時(shí)間點(diǎn)。

1)三次切頂采動(dòng)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力響應(yīng)

巷道、煤層開挖前，2444運(yùn)輸平巷區(qū)域(1#～5#壓力盒)進(jìn)一步卸壓，最大應(yīng)力不足4 MPa，說明此處已處于完全卸壓狀態(tài)；巷道開挖、切頂及煤層開挖后，所切頂板垮落，巖體進(jìn)一步破壞，2444區(qū)域壓力盒壓力幾乎無變化；然而，2443運(yùn)輸平巷區(qū)域6#、7#及10#壓力盒壓力逐漸增加，說明B2煤層頂板垮落后，上覆巖層壓力向2443運(yùn)輸平巷區(qū)域轉(zhuǎn)移，2444區(qū)域處于卸壓范圍，有利于沿空留巷圍巖維護(hù)。

13#～16#壓力盒壓力變化范圍不大，說明B2煤層開挖幾乎不會(huì)影響2442運(yùn)輸平巷區(qū)域圍巖應(yīng)力環(huán)境；但是其壓力大小也反映出2442頂板巖體壓力也幾乎處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。

2)三次切頂采動(dòng)采場(chǎng)圍巖變形響應(yīng)

B2煤層開采完及上覆巖層垮落穩(wěn)定后，B2煤層上覆巖層層面錯(cuò)動(dòng)裂紋數(shù)量更多，拉伸剪切裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展延伸，宏觀裂紋張開度更大，采空區(qū)低位巖層出現(xiàn)明顯離層現(xiàn)象，巖層變形破壞程度更進(jìn)一步增大。特別地，在2444切頂巷煤幫側(cè)煤壁正上方頂板出現(xiàn)了1條縱向宏觀拉伸裂紋，貫穿整個(gè)頂板，說明頂板已經(jīng)在煤幫側(cè)斷裂，見圖13。

圖13 B2煤層開采后上覆巖層裂紋及壓力分布特征

5 結(jié)論

1)白皎煤礦2442巷道切頂成巷過程中，上覆巖層壓力發(fā)生轉(zhuǎn)移及調(diào)整，頂板應(yīng)力依次經(jīng)歷卸壓段、增壓段及卸壓段，其中，高位頂板應(yīng)力增幅較大，低位頂板應(yīng)力增幅較小。

2)2443煤層巷道切頂及煤層開挖后，上覆巖層壓力同時(shí)向2442及2443切頂巷周邊煤巖體轉(zhuǎn)移，2443巷道煤幫及上覆2442巷道圍巖壓力增大，部分壓力恢復(fù)至原巖應(yīng)力，并在兩巷道間形成集中應(yīng)力。

3)受前兩次巷道及煤層開挖卸壓破壞影響，2444巷道及煤層開挖后，巷道圍巖無集中應(yīng)力；上覆巖層壓力向鄰近的2443巷道圍巖轉(zhuǎn)移，幾乎未轉(zhuǎn)移至較遠(yuǎn)的2442巷道圍巖。

4)巷道及煤層開挖后，采場(chǎng)周邊頂板巖層沿層理面出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)變形，同時(shí)在巖層內(nèi)部出現(xiàn)拉伸剪切裂紋，采動(dòng)影響越大，裂紋擴(kuò)展程度越大。