链臂锯切顶卸压小煤柱留巷开采围岩稳定性分析

苏 铭，姚强岭，刘梓昌，夏 泽

(1.晋能控股山西科学技术研究院有限公司，山西 太原 030032; 2.中国矿业大学，江苏 徐州 221116)

0 引 言

目前，世界能源供给仍以化石能源为主，而未来10年煤炭依然是我国生产生活的主要能源来源，其在能源消耗中占比达58%，而煤炭在全球一次能源消费量中占比为27%，仅次于石油[1-3]。根据地理位置分布，将全国分成几大矿区，其中，西部矿区煤炭储量多、产量大、自动化程度高，是我国主要煤炭生产基地。根据国家统计局和山西省统计局统计数据，山西省2018年原煤产量为8.9亿t，占全国原煤总产量的24.3%[4-5]，是我国重要的煤炭生产基地。大同矿区作为山西六大主要矿区之一，存在顶板岩层坚硬、煤层坚硬、底板岩层坚硬的问题[6]，在这一地质条件背景下大同矿区易发生顶板冒落、巷道围岩剧烈变形等工程地质灾害[7]。因浅部煤炭资源已经面临枯竭，现提出“深地开采”的概念，对埋深较大的煤炭资源进行安全开采。相较于浅部煤炭资源，深部煤炭资源的开采面临着矿井巷道围岩原岩应力过大的问题[8]，同时为保证安全生产而留设的大煤柱会造成煤炭资源的巨大浪费，应当向无煤柱或小煤柱方向进行转型升级。

ZHANG等[9]利用现场测试和数值建模结合研究了巷道稳定性与屈服煤柱尺寸之间的关系，根据现场数据表明该方法设计的煤柱能有效保证巷道围岩稳定性；JAISWAL等[10]通过研究煤柱的宽高比(w/h)与煤柱屈服强度的关系，可知煤柱的屈服强度主要与宽高比(w/h)呈非线性关系。

针对以上问题，何满潮等[11-12]提出了基于“砌体梁”和“传递梁”理论的切顶卸压无煤柱自成巷沿空留巷技术，该技术通过双向聚能爆破技术对留巷帮部顶板进行爆破，形成人造裂隙带，从而人为切断留巷与采空区间的力矩传递，实现无煤柱留巷开采，该技术已经在多个矿井进行工业性试验。但以上方案存在爆破切顶卸压手段存在适用性差、对巷道围岩扰动较大等问题，有部分学者[13-14]采用水力压裂技术进行切顶卸压。但在大同矿区“三硬”、顶板互层密集条件下，聚能爆破和水力压裂的切顶效果不佳，郭鹏飞等[15]、何东升等[16]提出了恒阻锚索配合预爆破技术。但以上切顶卸压手段均无法实现100%的贯穿率，切顶卸压效果大打折扣。本文以同煤集团塔山煤矿三盘区为工程背景，采用同煤集团自行研发的链臂锯切顶卸压设备，对切顶卸压小煤柱留巷开采技术可行性进行研究，同时对其围岩力学性质演化特征进行分析。

1 工程地质背景

1.1 地质条件

塔山煤矿三盘区8311工作面为该矿下阶段主要开采工作面，井田位于大同矿区，8311工作面主采山4#煤层，平均埋深为500 m，煤层厚度为3.40 m，煤层含夹矸1～2层。8311工作面顶板中存在坚硬、完整的厚岩层，8311工作面直接顶、基本顶、直接底、老底的岩层分布特征如图1所示。

图1 岩层分布柱状图Fig.1 Histogram of rock stratum distribution

1.2 工程概况

8311工作面和8312工作面平均埋深为500 m，原岩地应力较大，仅通过加大煤柱宽度进行护巷，支护效果不佳，应采用切顶卸压等主动支护方法保证工作面的安全有效开采。同时为节约煤炭资源，8311工作面和8312工作面之间仅留设6 m小煤柱，布置方式如图2和图3所示。考虑采掘接替紧张，2312巷在8311工作面回采开始前就已完成掘进工作，即2312巷在全服务周期内会经历重复高应力扰动影响，同时因顶板过硬，8311工作面采空区无法及时垮落，在侧向悬臂产生的侧向支撑压力的持续作用下，给2312巷的巷道围岩控制带来较大的考验。为切断8311工作面采空区侧向支撑压力的传递路径，维护2312巷道围岩稳定，针对大同矿区石炭系顶板互层密集、互层厚度变化较大等问题，同煤集团研发了链臂锯切顶卸压设备及配套技术，该技术可实现100%的切缝率，且切割面平整，切割效果好，切顶效果如图4所示。本文以矿山实际情况为背景建立模型，对小煤柱条件下链臂锯切顶卸压效果以及2312巷围岩压力变形时空演化特征进行分析，确定2312巷周围的应力集中区，为2312巷的巷道围岩支护控制提供理论指导。

图2 工作面布置示意图Fig.2 Layout of working face

图3 链臂锯切顶卸压留巷示意图Fig.3 Schematic diagram of chain arm sawing cutting topand pressure relief retaining lane

图4 链臂锯切顶效果示意图Fig.4 Schematic diagram of chain arm sawing top effect

2 链臂锯切顶卸压效果分析

2.1 数值模型建立

根据塔山矿8311工作面和8312工作面的布置方式、地质条件，使用FLAC3D软件模拟真实切顶现场。FLAC3D为大型岩土工程常用模拟分析软件，该软件通过拉格朗日算法有限差分的显式数值进行计算分析，通过计算各节点的最大不平衡力来反映模型的稳定性，直到各节点的最大不平衡力趋于一个极小值或各节点的位移趋于平衡，模型计算完成。FLAC3D软件可较好地模拟岩石的屈服、变形、塑性发育，常用于岩土工程模拟施工过程。构建的计算模型为长516 m、宽110 m、高53 m的长方体，包含300 960个单元、320 045个节点，模型采用Mohr-Coulomb准则，对模型进行边界约束，设定埋深500 m，上覆岩层平均容重取2 500 kg/m3，经计算应在模型上表面施加12 MPa的垂直应力，施加应力大小会随着埋深增加而增加(图5)。本文根据现场取得的岩样，通过实验得到力学参数，对每一层岩石力学参数进行标定(表1)。

表1 岩石物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock

2.2 模拟方案

数值计算模型划分为8312工作面和8311工作面计算区域，具体步骤如下所述。

1) 首先开挖8311工作面巷道， 每步开挖9 m，每步开挖完成后及时支护，并进行500步运算平衡，总共开挖10步，巷长90 m。

2) 待模型运算稳定后，开挖8312工作面巷道，因采取不同支护方案，8312工作面两巷每步开挖18 m，共5步，长90 m，每步开挖完成后及时支护，并进行运算平衡。

3) 两巷开挖完成后，先不进行链臂锯切顶，对8311工作面进行分步回采，步频与巷道开挖保持一致，回采完成稳定后对8312工作面进行回采，8312工作面回采36 m。

4) 巷道开挖完成后，在2311巷进行链臂锯切顶卸压，链臂锯可实现100%切缝率，可直接对模型相应位置的单元进行删除以模拟链臂锯切顶卸压，再重复第三步进行工作面开挖。

2.3 2312巷围岩应力演化规律

为对小煤柱条件下链臂锯切顶卸压作用效果及作用位置、2312巷围岩稳定性进行分析，分别在未进行切顶卸压和进行链臂锯切顶卸压情况下完成8311工作面回采、8312工作面回采36 m的数值计算，得到顶板垂直应力分布切面云图如图5和图6所示，通过对其应力分布规律分析得到的结论如下所述。

图5 未进行链臂锯切顶两工作面回采垂直应力云图Fig.5 Cloud chart of mining vertical stress of two working faces without chain arm sawing

图6 链臂锯切顶后两工作面回采垂直应力云图Fig.6 Cloud chart of mining vertical stress of two working faces after chain arm sawing

1) 在8311工作面完成回采后，8312工作面回采期间，未进行链臂锯切顶卸压条件下，采动引起的顶板超前应力大小为17～21 MPa，超前影响范围为3～14 m；链臂锯切顶卸压后，超前采动顶板应力大小为17～21 MPa，超前影响范围为2～14 m，链臂锯切顶对8312工作面超前采动应力集中未见有明显影响。

2) 小煤柱应力集中区域在未进行链臂锯切顶卸压条件下，8312工作面回采超前段小煤柱顶板的应力峰值最大可达43 MPa，应力大小为30～43 MPa，2312巷顶板应力大小为15～30 MPa；链臂锯切顶卸压后，超前段小煤柱顶板的集中应力范围为18～30 MPa，2312巷顶板应力大小为15～20 MPa，可见链臂锯能够有效切断8311工作面采空区直接顶和小煤柱直接顶的应力传递途径，使小煤柱顶板应力、2312巷顶板应力处于较低值，有助于保持2312巷的稳定性。

3) 8312工作面顶板靠近2312巷侧，超前应力集中区与采空区侧向压力集中叠加形成应力叠加影响区域。在未进行切顶卸压条件下，应力叠加峰值区距离2312巷帮4～7 m，顶板应力大小为34～35 MPa；链臂锯切顶卸压后，应力叠加峰值区距离2312巷帮4～8 m，顶板应力大小为32.2～33.5 MPa。此区域内的应力大小在切顶卸压前后出现变化不明显，仍保持较大应力，说明煤柱在链臂锯切顶卸压后仍基本为塑性破坏状态，承载应力有限，侧向应力进一步转移至8312工作面实体煤帮顶板。

为比较链臂锯切顶卸压前后2312巷围岩垂直应力分布与超前回采工作面距离关系，进一步掌握链臂锯切顶卸压作用效果及作用规律，分析链臂锯切顶卸压的优势和不足，对比得到以下规律(图7和图8)。

图7 切顶卸压前2312巷超前工作面回采垂直应力分布Fig.7 Distribution of vertical stress in 2312 roadway advance working face before roof cutting and pressure relief

图8 切顶卸压后2312巷超前工作面回采垂直应力分布Fig.8 Distribution of vertical stress in 2312 roadway advance working face after roof cutting and pressure relief

1) 切顶卸压前后小煤柱内的垂直应力集中峰值明显下降，切顶卸压前小煤柱内部垂直应力由采空区侧向2312巷侧逐级传递减小，小煤柱内应力在超前工作面范围内大小为40～56 MPa。切顶卸压后，小煤柱内部垂直应力由2312巷侧向采空区侧逐级传递减少，应力大小为30～38 MPa。表明切顶卸压能有效切断采空区侧向压力与小煤柱间的传递路径，从而较好地控制小煤柱内的垂直应力大小，但无论是否进行链臂锯切顶卸压，小煤柱内部基本已经塑性破坏，煤体强度为残余强度，承载的应力有限，应力会进一步向8312工作面内部传递。

2) 小煤柱内部的垂直应力随距回采工作面距离无明显变化，切顶卸压前后超前工作面5～20 m内应力大小变化为2～3 MPa，进一步表明小煤柱在8311工作面回采后已经处于塑性状态，仅剩残余强度，承载能力有限，但会发生进一步形变。

3) 未进行切顶卸压前，2312巷顶板两帮应力较大，且煤柱帮明显大于实体煤帮，巷道顶板中部应力较小。 切顶卸压后顶板低应力区域范围增大，煤柱侧顶板应力过大得到较好控制。 顶板垂直应力受超前采动应力，影响范围主要为回采面前5～12 m，煤柱侧顶板超前影响应力集中峰值由29 MPa减少为21 MPa。

4) 2312巷实体煤帮侧5～6 m、超前8312回采面3～14 m范围内为应力叠加区域集中区域，切顶卸压前后煤体内应力集中峰值分别为41 MPa、36 MPa，在此范围内会对2312巷实体煤帮稳定性产生较大影响。

3 补强支护

根据应力分析情况、应力分布规律，在常规支护的基础上，需根据实际情况进行补强支护。

1) 2312巷实体煤帮内超前工作面叠加影响区应力较大，需超前工作面针对实体煤帮进行补强支护，控制2312巷围岩稳定。

2) 小煤柱内部塑性破坏严重，且在受侧向不平衡力的作用及8311工作面的超前采动应力影响下，小煤柱会进一步的发生形变，在8311工作面回采扰动期间变形严重，为控制2312巷的围岩稳定性，应考虑对小煤柱采取对穿锚索配合锚杆的支护手段。

4 结 论

1) 两工作面巷道先掘进完成再回采和仅留设小煤柱条件下，2312巷掘进完成后，会经历8311工作面的超前采动压力、滞后压力，8312工作面超前压力，8311工作面采空区传递的侧向支撑压力等重复高应力扰动影响，影响2312巷围岩稳定性。

2) 8312工作面回采期间，2312巷实体煤帮4～7 m区域内受8312工作面的回采的超前应力集中和采空区侧向应力叠加影响形成叠加应力集中区，小煤柱内会形成应力集中区。

3) 通过数据对比分析说明链臂锯切顶卸压效果良好，实现了100%的切缝贯通率，可有效切断采空区与邻近工作面直接顶之间的力矩传递路径，控制小煤柱内部的应力集中和塑性发育处于较低水平，有效减少了2312巷顶板的垂直应力，但因切顶高度有限，对2312巷实体煤内应力集中控制效果有限。

4) 链臂锯切顶卸压小煤柱留巷开采技术的数值模拟结果证明了该技术的可行性，并指出了该技术的不足和改进方向，同时说明该技术存在较大的发展空间，对后续链臂锯切顶卸压小煤柱留巷技术的应用具有指导和借鉴意义。