厚硬基本顶岩层切顶留巷参数优化设计方法研究

李昊城，宋选民，朱德福，曹健洁

(太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024)

随着浅部煤炭资源的不断减少，我国煤矿开采逐渐向深部转移，传统的留煤柱开采造成的资源浪费以及巷道围岩变形较大的问题日益凸显[1]。沿空留巷技术可以有效的解决该问题，根据护巷方式的不同，可分为巷旁充填留巷及切顶卸压留巷[2]。巷旁充填留巷上覆岩层的结构并未改变，在两次采动的影响下依旧会产生应力集中，且刚性巷旁充填体无法达到与顶板的协同变形，导致沿空巷道的稳定性较难控制[3，4]。而切顶卸压留巷指利用定向切缝技术切断采空区顶板与巷道顶板之间的应力传递，减弱了工作面回采时巷道的应力集中，待工作面回采后，利用垮落岩石的碎胀性形成巷道碎石帮，实现了无煤柱，无充填的高效留巷[5，6]。切顶成巷的切缝参数及巷旁、巷内支护设计是该技术的关键，选择合理的切顶参数及支护设计对于切顶成巷的效果及围岩稳定性影响重大[7-9]。为此众多学者对其进行了大量的研究，孙晓明等[10]针对薄煤层切顶卸压开采，通过理论分析及数值模拟确定出合理的切顶高度、角度及炮孔间距；朱珍等[11]通过分析回采过程中顶板岩层的运动特征，建立了切顶自成巷围岩结构力学模型，推导出了切顶留巷顶板支护阻力的表达式并分析了影响支护阻力的关键因素；迟宝锁等[12]以柠条塔煤矿大采高S1201工作面为背景，通过现场不同支护方案的对比试验，得出了有效的切顶留巷支护参数，有效控制围岩变形。

上述研究成果为切顶留巷卸压开采技术的发展及应用奠定了良好的基础，但相关研究多将切顶参数及切顶阻力对于顶板切落的影响分开研究，对于二者耦合作用下顶板切落的研究还较少，为此，本文以黑龙煤业1103工作面薄直接顶、厚基本顶为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法，通过建立切顶留巷顶板断裂力学模型，分析了基本顶断裂与切缝参数、切顶阻力间的关系，模拟确定出合理的切顶留巷参数，并成功应用于现场实践。

1 工程概况

黑龙煤业1103工作面主采2号煤层，平均埋深210m，煤层厚度0.9～1.45m，平均1.35m，不含夹矸；煤层平均倾角4.27°，属近水平中厚煤层。工作面走向长度530m，倾向长度150m。根据现场钻孔可知：工作面直接顶为泥岩，平均厚度1.0m；基本顶为平均厚度5.0m的细砂岩；直接底为泥岩，平均厚度2.8m；基本底为粉砂岩，平均厚度14.0m。

1105工作面位于1103工作面的南面，紧邻1103工作面，考虑到采掘关系紧张以及资源的最大化利用，黑龙煤业决定采用切顶留巷技术将1103运输巷作为1105工作面回风巷使用。为保证留巷的稳定以及利于施工，1103切顶留巷起始位置位于1105工作面开切眼后方20m处。由于原切顶参数、留巷支护设计不合理，在工作面推进过程中，厚基本顶未能沿切缝面有效断裂滑落，导致巷道顶板倾斜下沉，部分区域的巷旁侧顶板变形严重甚至发生了局部冒顶现象，严重影响了巷道的稳定性及人员安全，因此有必要对该地质条件下的切顶参数、巷旁切顶阻力及巷内支护进行研究改进，保证切顶留巷的稳定性满足生产要求。

2 切缝参数计算

根据切顶卸压留巷技术原理及本工程背景，厚基本顶切顶卸压留巷工艺如图1所示，由图1可知，随着工作面的推进，较弱的薄直接顶泥岩以及部分下位基本顶细砂岩快速垮落，而上位厚基本顶在采空区侧形成悬臂梁结构，由于垮落矸石不能及时支撑住悬臂结构，且煤层厚度仅为1.35m，受采空区高度限制，受载基本顶在弯曲下沉的过程中可能未破断便与采空区接触，使得覆岩压力向留巷顶板传递，影响留巷的稳定性。综上所述，为使得厚基本顶沿切缝面断裂，有效切断上位顶板间的应力联系，需从切缝参数及巷旁支护阻力入手对切顶留巷设计进行优化研究，保证留巷围岩的稳定性达到要求。

图1 切顶留巷布置

2.1 切顶高度与切顶阻力

根据工程条件，可将侧向基本顶视为下位含有切裂缝的单边裂缝悬臂梁，采用断裂力学理论分析含切缝岩梁的切断条件，其计算力学模型如图2所示。

图2 切顶岩层断裂力学计算模型

由图2可知，侧向上位基本顶断裂前被看做(视为)单边裂缝有限板模型，切裂缝为由Ⅰ型张开型和Ⅱ型滑开型组成的复合型裂缝。由于侧向基本顶所受荷载为复合荷载，因此应力强度因子可分解成若干简单荷载的组合，不同荷载下的应力强度因子计算公式[13，14]如下：

覆岩荷载q及巷旁切顶阻力Q的剪切合力，引起的Ⅱ型裂纹应力强度因子KⅡq：

式中，M为梁弯矩，N·m。

FM(a/b)=1.122-1.40a/b+7.33(a/b)2-

13.08(a/b)3+1.40(a/b)4

由于弯矩主要是由上覆岩层引起，M=ql2/2，故式(4)应为：

岩梁单边裂缝尖端应力强度因子等于各简单荷载应力强度因子的叠加，即：

根据大量的(岩石压剪断裂判据及其应用)实验室研究及现场实测，岩石的压剪断裂判据为：

λ∑KI+|∑KII|=Kc

(5)

式中，λ为压剪比；Kc岩石的断裂韧性。

将式(4)代入式(5)得：

当上位基本顶切缝高度a和巷旁切顶阻力Q满足式(8)时，上位基本顶可沿裂缝结构面有效断裂。其中a=HF-1，a≠0，代入式(6)可得巷旁切顶阻力Q的计算式：

为量化切顶高度与切顶阻力间的关系，根据1103工作面的工程条件，取b=5.0m，λ=1，基本顶粉砂岩断裂韧性Kc=1MN/m3/2，q=0.21MPa，结合文献[14]的研究，确定L=12m；将这些参数代入式(7)分析切顶高度对切顶阻力的影响，分析结果如图3所示。

图3 切顶高度对切顶阻力的影响

由图3可知，巷旁切顶支护阻力先近似呈线性增加，此时巷旁切顶阻力的主要作用为切顶；而当切顶高度达到3m时，切顶阻力随着切顶高度的增加而降低，由于基本顶裂缝贯通率逐渐增大，因此基本顶更易断裂，巷旁切顶支护阻力的主要作用开始由切顶逐渐转为支护；当切顶高度增加到4.5m时，切顶阻力开始出现负值，此时，基本顶在裂缝及覆岩载荷的作用下即可自行断裂，但由于无法对基本顶的断裂进行控制，厚硬基本顶可能在工作面刚推过后就切落，影响留巷的稳定性。

2.2 切顶角度

当侧向基本顶在巷旁外侧沿切缝结构面发生断裂后，切缝结构面两侧的断裂岩块及岩梁形成铰接结构，并依靠二者之间的摩擦力保持平衡，而只有当断裂岩块沿切缝面滑落失稳时，才能实现顶板应力联系的有效切断和顺利垮落。此时，合理的切顶角度是实现断裂岩块滑落失稳的关键，根据文献的研究，岩块滑落失稳的条件为[15]：

Tsin(φ-θ)≥qLcos(φ-θ)

(8)

其中：

式中，T为岩块所受的水平挤压力，kN；φ为顶板岩石内摩擦角，(°)；θ为切顶角度，(°)；Hm为基本顶岩层厚度，m；△S为断裂岩块的下沉量，m。

将式(9)代入式(8)并化简得：

既当切顶角度满足式(10)时，断裂岩块可顺利沿切缝面滑落失稳。由某矿1103工作面工程地质条件取φ=42°，Hm=5m，L=12m，△S=1.05m代入式(12)得θ≥8.7°，考虑到施工的便利性并利于留巷的维护，预裂切顶角度取10°。

3 数值模拟分析

3.1 模型建立

根据黑龙矿业1103工作面的工程地质条件，采用FLAC3D建立三维数值计算模型，对比分析不同切顶参数下切顶留巷附近围岩垂直应力及位移分布情况，确定出合理的切顶参数，并验证理论分析的正确性。

模型尺寸为230m×100m×73m，底部固定，四周限制水平位移，上表面为应力边界，施加4.02MPa的荷载，模拟上覆岩层重量。工作面分次开挖，每次推进5m，为使得模拟效果更真实，采空区采用双屈服本构模型进行充填模拟，其参数根据文献[16]确定。材料采用摩尔-库仑本构模型，各岩层物理力学参数及采空区参数见表 1。

表1 煤岩物理力学参数

3.2 切顶高度的确定

为了进一步分析切顶高度对沿空留巷稳定性的影响，模拟采用三种切顶高度，分别为3m、4m、5m，切顶角度为0°，计算结果如图4、图5所示。

图4 不同切顶高度的垂直应力分布情况

图5 不同切顶高度巷道顶板移近变形特征

由图4可以看出，预裂切顶高度为3m时，工作面推进后，留巷左侧的实体煤内产生了明显的应力集中，且范围较大，应力峰值为50.5MPa，距离留巷左帮2m；切顶高度为4m时，侧向应力集中峰值为44.1MPa，应力峰值留巷煤帮3.5m；切顶高度为5m时，侧向应力集中峰值为43.8MPa，应力峰值留巷煤帮3m。从上述分析可知，3m切顶时侧向应力集中范围及应力峰值较大，且距巷帮较近，4m切顶时的应力峰值相比3m切顶时明显降低，且逐渐远离巷帮，而5m切顶与4m切顶的应力集中范围、应力峰值大小及位置相差不大。另外，随着切顶高度的增加，作用在切缝线顶端的应力越来越大，应力集中也越来越明显，这也使得基本顶未贯穿面在覆岩荷载的作用下更容易断裂。

不同切顶高度下监测的巷道顶板变形情况如图5所示。由图5可知，不同切顶高度下的巷道顶板变形规律相近，均呈现出非对称性，采空区侧顶板变形量明显大于实体煤一侧。当切顶高度为3m时，顶板最大下沉量为270mm；切顶高度为4m时，顶板最大下沉量为230mm，较切顶高度为3m时减小了15%；切顶高度为5m时，顶板最大下沉量为210mm，顶板整体的下沉量与切顶高度为4m时相差不大。

综上分析可知：顶板预裂切顶高度为3m时，留巷基本顶与采空区顶板仍有较好的应力联系，使得基本顶回转下沉时造成留巷附近围岩应力及垂直位移都较大，不利于留巷的形成；而当切顶高度为4m时，侧向支承压力峰值与留巷位移均明显降低，巷道的卸压效果也较好，且垮落后的矸石充满了采空区，较好的支撑了上覆岩层；切顶高度为5m时的留巷的应力场及位移场与4m切顶高度相差不大，说明二者基本顶的切断程度及采空区充填程度均较好，且效果相近，再增加切顶高度的意义不大，但考虑到5m切顶高度时，厚硬基本顶可能会在工作面推进时便切落，影响留巷的稳定性，因此选择4m切顶高度较为合适。另外，由于受采空区高度的限制，基本顶回转下沉空间较小，垂直预裂的基本顶断裂效果不理想，还另需调整切顶角度及增加巷旁切顶阻力，才能保证基本顶的顺利切落。

3.3 切顶角度的确定

基于对切顶高度的模拟结果，为得出合理的切顶角度，建立了5°、10°、15°和20°的切顶角度计算模型，切顶高度均设置为4m，并与0°切顶角度时的留巷应力及位移分布情况做对比。模拟结果如图6、图7所示。

图6 不同切顶角度的垂直应力分布情况

不同切顶角度留巷附近的垂直应力分布情况如图6所示，由图6可知，切缝向采空区偏移一定角度时，待工作面回采后，留巷顶板上方的卸压范围均较0°切顶时要明显增加；且留巷侧向应力集中范围及集中程度均小于0°切顶，表明切缝面向采空区转动一定角度后，基本顶的切落效果更好，留巷附近的围岩压力有所减小。另外，由图6(c)(d)可知，从切缝偏转15°开始，巷道顶板中部开始出现正应力，且到20°时正应力集中范围变大，这是由于随着切顶角度的增大，顶板侧向悬露长度增大，进而导致顶板上方围岩向采空区方向回转，侧向应力升高。此时顶板中部区域垂直应力向上，而两边垂直应力向下，处于易破坏的受拉状态，不利于巷道维护。

由图7可知，切缝偏转一定角度后，沿空留巷顶板的整体下沉量较0°切顶时均有所减小，这是由于当顶板预裂切顶角度为 0°时，采空区侧基本顶岩块无法沿切缝面顺利垮落，仍然能向留巷顶板传递力的作用，且采空区基本顶岩块的回转下沉带动留巷顶板的运动，使得0°时的顶板下沉量较大。其中5°切顶的顶板最大下沉量173mm，较0°切顶时的顶板最大下沉量减小了约25%；而10°切顶时的顶板整体下沉量要低于5°切顶，其最大下沉量为168mm，表明切顶角度为10°时，基本顶可沿切缝顺利断裂并滑落；当切顶角度大于10°，即切顶角度为15°和20°时，顶板下沉量剧增，最大下沉量分别为182mm和192mm，这是由于切顶角度的增加间接增大了留巷顶板侧向悬臂梁的重量，不利于留巷围岩的控制。

综合上述分析可知：切顶角度为10°时，沿空留巷附近的应力场及位移场要优于其他角度的切顶方案，因此针对1103工作面的开采条件，确定合理的切顶角度为10°。

4 工程应用效果分析

将理论分析及数值模拟得出的切顶高度4m及切顶角度10°代入式(7)得出每米的切顶阻力Q=3350kN，根据得出的参数对留巷切顶方案进行设计。超前工作面20m开始实施双向聚能爆破预裂切缝，炮孔孔径∅38mm，设计孔深4000mm，炮孔向工作面侧偏转10°，孔间距设置为800mm，采用二级煤矿水胶炸药；在巷道原有支护的基础上，巷旁布置切顶墩柱，墩柱间距0.4m，初撑力不小于90kN，墩柱间布置密集单体，在工作面后方150m范围内采用单体液压支柱配顶梁，一梁三柱辅助切顶，并对巷道进行补强支护。根据上述参数及支护方案在1103工作面进行了现场试验，成巷效果如图8所示。

图8 成巷效果

从图8可以看出，按所设计的切缝参数及支护阻力在1103工作面运输巷进行现场试验后的切顶效果较明显，顺利切断了运输巷与采空区侧之间的顶板应力联系，巷道顶板的倾斜下沉明显得到控制，且顶板下沉量比原方案下的下沉量要小，巷道整体的稳定性较好，顺利保留了巷道作为下一个工作面的回风巷。

5 结 论

1)建立了下位含切缝基本顶悬臂梁断裂力学模型，推导出了基本顶沿切缝断裂的切顶阻力，并分析了切顶阻力与切顶高度间的关系。基本顶顺利断裂时，切顶阻力随切顶高度的增大先近似呈线性增加后快速减小，而当切顶高度达到一定值时，切顶阻力出现负值，表明此时基本顶在切缝及覆岩压力的作用下便可断裂。

2)结合理论计算和数值模拟得出：切顶高度为4m、切顶角度为10°时，留巷顶板的卸压效果最好，留巷附近围岩的垂直应力场及位移场均较小，且未贯穿面处的应力较大，更有利于工作面推进后，厚硬基本顶沿着切缝面顺利断裂。

3)切顶高度为4m时，侧向厚硬基本顶沿切缝面顺利断裂所需的支护阻力至少为3350kN。研究结果在现场成功实施后有效控制了留巷顶板的倾斜下沉，留巷效果良好，可为类似条件下的切顶自成巷技术应用提供借鉴。