切顶卸压切缝参数设计与巷道围岩应力演化规律研究_王柯童.pdf

切顶卸压切缝参数设计与巷道围岩应力演化规律研究王柯童，弓培林，赵通（太原理工大学 矿业工程学院，太原030024）摘要：针对强采动影响下切顶卸压护巷效果不佳的问题，以长平煤矿5302回风顺槽预裂爆破切顶卸压为工程背景，利用3DEC离散元数值模拟软件，生成不同曲率半径的切缝，对其护巷效果与巷道围岩应力演化规律进行研究，并将切缝为曲率半径16 m的模拟结果与切缝为直线的模拟结果进行对比。结果表明，相较于直线切缝，当切缝为曲线时，顶板下沉量与底鼓量分别减小了30.9%和28.57%，实体煤帮与煤柱帮变形量分别减小了45.03%与28.6%,实体煤帮与煤柱帮垂直应力峰值分别减小了24.88%与24.47%。当切缝为曲率半径16 m的曲线时，巷道上覆岩层垮落堆积的岩体能够与煤柱形成较好的承载体系，有效地切断了采空区上覆岩层与巷道顶板之间的力学联系，改善了巷道的围岩力学环境。关键词：强采动；切顶卸压；应力演化；切缝；曲率半径中图分类号：TD322文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 059 05Research on Parameter Design of Roof Pressure Relief Slit and StressEvolution Law of Roadway Surrounding RockWANG Ketong,GONG Peilin,ZHAO Tong(College of Mining Engineeing，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract：Aiming at the problem of poor pressure relief effect of roadway protection under theinfluence of strong mining,taking the roof pressure relief effect of pre-split blasting for 5302 return airpassage in Changping coal mine as the engineering background,3DEC discrete element numericalsimulation software was used to generate slit with different radius of curvature,and the roadwayprotection effect and surrounding rock stress evolution law were studied.The simulation results with acurvature radius of 16 m are compared with those with a straight line.The results show that when theseam is curved,the roof subsidence and floor heave are reduced by 30.9%and 28.57%respectively,the deformation of solid seam and pillar seam are reduced by 45.03%and 28.6%respectively,and thevertical stress peak value of solid seam and pillar seam is reduced by 24.88%and 24.47%respectively.When the cutting seam is a curve with curvature radius of 16 m,the rock mass accumulated byoverburden strata can form a better bearing system with coal pillar,effectively cutting the mechanicalconnection between overburden strata in goaf and roadway roof,and effectively improving the mechanicalenvironment of surrounding rock in roadway.Key words:strong mining;roof presure relief;stress evolution law;slit;radius of curvature第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0110引言伴随着煤炭先进产能的释放，强采动影响下巷道围岩变形严重，仅依靠提高支护强度已经难以有效地控制巷道围岩变形，因此各类矿井已广泛采用切顶卸压技术，但切顶卸压后巷道围岩控制效果不佳的问题日益显露。Konicek P和Soucek K认为当顶板垮落下沉时，储存在其中的能量会大量释放，从而诱发安全事故，可通过切顶卸压释放储存在顶板中的能量，进而有效降低灾害的发生。吴拥政等提出了采用定向水力压裂技术可以有效地切断巷道上覆岩层的悬顶结构。张百胜利用UDEC数值模拟得出切顶卸压后，上覆岩层原有的应力传递路径发生了较大的变化，同时采空区侧向实体围岩应力也得到了削弱，实现了对围岩应力的主动调控。刘永茜发现高速卸压过程中岩体释放的能量有利于原有裂隙拓展。纪玉国借用大型显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对单排三炮孔爆破过程进行了数值模拟研究，结果表明单排三炮孔爆破时中间炮孔会受到来自相邻两炮孔产生的应力波的夹制作用。切顶卸压护巷关键在于切断巷道围岩与采空区上覆岩层之间的力学联系，达到主动优化巷道围岩应力状态的目的。1理论分析根据断裂力学理论，假定通过定向钻孔技术形成任意曲率半径的切缝。如图1所示。59图1切缝示意图在暂不考虑岩石塑性变形的条件下，由于不同裂缝微元所对应的切线斜率也有所不同。在平衡状态下，作用于每段裂缝微元段上的正应力=1+32-1-32cos(2)（1）剪切应力=1-32sin(2)（2）式中1最大水平主应力，MPa；3最小水平主应力，MPa；裂缝任意点处切线方向与1的夹角，rad。假设在预裂爆破过程中裂缝内压力各个方向相同，则有效压力与实际压力相同，其型应力强度因子K=1a-p(x)a+xa-xdx（3）型应力强度因子K=1a-q(x)a+xa-xdx（4）式中p(x)作用于切缝面上的有效压力，p(x)0，MPa；a切缝长度，m；q(x)作用于切缝上的剪切应力，MPa；x切缝上任意一点到钻孔起始点的距离，m。则裂纹的拓展条件KKCKKC（5）式中KC材料的型断裂韧性；KC材料的型断裂韧性。根据Erdogen最大周向应力理论与相关研究，随着单位面积内曲率半径的增大，裂缝的拓展趋势更加明显，相较于传统的线性切缝，当切缝为曲线时，切缝周围爆生裂纹与衍生裂纹明显增加，岩石内部裂隙发育更加良好，同时更好地改善了巷道的围岩应力环境，达到卸压目的。2工程地质条件与模拟分析2.1工程地质条件5302回风顺槽位于3#煤水平五盘区南翼，巷道宽度5 500 mm，高度4 200 mm；煤层平均埋深450 m，工作面走向长度1 513.17 m，煤层平均厚度5.64 m。巷道布置示意图如图2所示。图2巷道布置示意图巷道顶板支护时每排采用6根杆体直径22 mm，型号MSGLW-500/222 400的单体锚杆，间排距1 000 mm1 000 mm，顶角锚杆距离巷帮300 mm；锚索采用“3-3-3”矩形布置，间排距1 800 mm1 000 mm，离巷帮距离为1 000 mm。巷道帮部支护时采用每排5根直径22 mm，型号MSGLW-500/222 400的单体锚杆布置，间排距900 mm1 000 mm，顶部与底部锚杆分别距离顶板与底板300 mm与400 mm；锚索采用“1-0-1”矩形布置，排距2 000 mm，距离顶板500 mm。巷道顶底板情况如表1所示。表1煤层顶底板情况2.2模拟分析为了研究在不同切缝参数下采空区上覆岩层垮落情况与巷道围岩应力演化规律，使用离散元软件3DEC建立了数值计算模型，模型尺寸为长宽高=160 m70 m70 m，巷道宽高=5.5 m 4.2 m。模型四周限制水平位移，底部为固定边界，限制水平和竖直位移，模型上部施加与上覆岩层等效的均布荷载：模型平衡后开挖巷道，在巷道顶板分别形成不同曲率半径的切缝，再次平衡后逐步开挖，每次开挖10 m，共开挖6步。煤岩力学参数如表2所示。表2煤岩力学参数切顶卸压切缝参数设计与巷道围岩应力演化规律研究王柯童，等第42卷第03期Vol.42 No.03层厚/m9.267.58.55.25.813.541.515.761.782.23.38岩层泥岩细粒砂岩泥岩砂质泥岩粉砂岩砂质泥岩细粒砂岩泥岩3#煤泥岩粉砂岩砂质泥岩岩性描述灰色为主，泥质结构，块体构造灰白色，中厚层状，块状构造灰黑色为主，泥质结构，块体构造灰黑色，中厚层状，裂隙发育，贝壳状断口深灰色，局部夹砂质泥岩灰黑色，贝壳状断口浅灰色，块状构造黑色为主，块体构造，含大量植物化石黑色，参差状及贝壳状断口，似金属光泽黑色为主，块体构造，含大量植物化石深灰色，含少量植物化石深灰色，块体构造，含植物化石剪切模量/GPa2.433.36.15.22.3体积模量/GPa2.566.48.45.34.1岩性细粒砂岩泥岩砂质泥岩粉砂岩3#煤抗拉强度/MPa3.211.02.52.790.49黏聚力/MPa11.34.56.75.42.8内摩擦角/（）32.230353228密度/kgm-32 7772 0002 0002 0001 200切缝钻孔起始点巷道顶板曲率半径几何圆心巷道采空区预裂切顶区60（1）采空区上覆岩层垮落特征在不同曲率半径的切缝条件下，采空区上覆岩层垮落情况如图3所示。由模拟结果可以看出，当切缝的曲率半径发生变化时，采空区垮落岩体的充填效果存在较大差异。当切缝的曲率半径分别为10 m和13 m时，由于切缝曲率半径较小，采空区上覆岩层垮落不佳；当切缝的曲率半径为16 m时，采空区上覆岩层垮落充填效果相较于切缝曲率为10 m与13 m时有明显提高，垮落岩体对上覆岩层形成了较好的承载体系，有效缓解了高位岩层对低位岩层造成的挤压作用。当切缝曲率半径为19 m时，切缝曲率半径的增加未能有效提高采空区侧垮落岩体的充填效果，同时较大的切缝曲率半径增加了煤柱上方短臂梁的长度，不利于巷道的稳定。（a）10 m（b）13 m（c）16 m（d）19 m图3不同曲率半径的切缝下岩层垮落情况（2）巷帮围岩应力演化规律在不同曲率半径的切缝下巷道两帮的垂直应力分布如图4所示。图4巷道两帮垂直应力分布图在采动影响下，切缝曲率半径影响着巷道围岩的应力分布。由模拟结果可知，当切缝曲率半径发生变化时，实体煤帮和煤柱帮的垂直应力会发生较大的变化。当切缝的曲率半径小于16 m时，由于切缝曲率半径较小，切落的岩体难以整体垮落，巷道两侧应力集中较为显著。当切缝的曲率半径为16 m时，采空区垮落堆积的岩体与煤柱对巷道上覆岩层形成了有效的承载体系，有效缓解悬顶效应的同时实现了对巷道围岩主动卸压。当切缝的曲率半径超过16 m时，切缝曲率半径的增大未能使实体煤帮和煤柱帮的垂直应力有大幅度降低，同时较大的曲率半径也增加了顶板发生回转失稳的风险。（3）巷帮围岩应力对比与分析为了进一步研究巷道围岩稳定性，当切缝的曲率半径被确定为16 m时，建立了切顶、不切顶以及直线切顶3种情况下的模拟方案（当切缝为直线，切顶高度为16 m，切顶角度为10）。巷道上覆岩层垂直应力分布如图5所示。图5巷