The influence of cutting roof parameters on stability of surrounding rocks under the condition of double cutting roof
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摘要:
以沙曲一矿4502工作面为例，利用理论分析、数值模拟及现场实测等手段对切顶参数对围岩稳定性的影响进行研究。结果表明：双切顶措施能减弱实体煤帮内部应力集中现象，有利于巷道围岩稳定，但切顶高度越大，巷道顶板垂直位移越大，不利于控制顶板变形量；一定的切缝角度有利于采空区顶板垮落，但切顶角度越大，应力集中峰值与巷道顶板下沉值越大，增大了锚索加固的难度；切顶高度与角度的选取应适中，最佳值分别为13 m和15°，切缝斜长13.5 m，现场实测与数值模拟结果具有较好的一致性。
Abstract:Taking 4502 working face of Shaqu No.1 Coal Mine as an example, the influence of roof cutting parameters on the stability of surrounding rock is studied by means of theoretical analysis, numerical simulation and field measurement. The results show that: the double roof cutting can weaken the stress concentration phenomenon inside the solid coal wall, which is beneficial to the stability of the surrounding rock of the roadway, but the larger the height of the roof cutting, the larger the vertical displacement of the roadway roof, which is not conducive to the control of the roof deformation. A certain angle of the roof cutting is beneficial to the collapse of the roof in the mining area, but the larger the angle of the cut roof, the larger the peak stress concentration and the value of the sinking of the roadway roof, which increases the difficulty of the anchor cable reinforcement. The height and angle of the roof cutting should be selected moderately, and the optimum value is 13 m and 15° respectively, when the oblique length of slit is 13.5 m, the results of field measurement and numerical simulation are in good consistency.
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目前沿空成巷主要工艺技术有充填法（高水、膏体材料巷旁充填、柔模混凝土巷旁充填、矸石混凝土巷旁充填）和切顶成巷等工艺技术[1-2]。切顶成巷“110工法”是我国煤矿技术改革的第三次探索，目前已经在国内得到了广泛的应用，并取得了很好的效果[3-5]。该工法采用预裂爆破技术，利用矿井压力切断采空区顶板与巷道顶板的应力连接，达到成巷、无煤柱开采的目的[6-8]。为研究切顶成巷条件下围岩运动规律，国内外对围岩结构运动演化与破坏规律进行了长期大量的研究，相继提出多种理论，其中具有代表性的有压力拱理论、悬臂梁理论、预成裂隙梁理论、铰接岩块理论、砌体梁理论、传递岩梁理论、薄岩板理论、关键层理论等[9-12]。切顶后，采空区顶板受上覆岩石的自重应力作用下陷，与巷道顶板之间存在一定的相互作用，造成顶板变形[13-14]。不同的切顶参数将对围岩的稳定性规律产生重要影响，然而目前研究相对较少。因此，本研究重点分析双切顶成巷条件下切顶参数对围岩稳定性的影响，可为接下来工作面巷道加固与采空区的瓦斯抽采提供理论依据。
1. 工程背景
4502综采工作面为山西华晋焦煤沙曲一矿五采区3+4#煤层首采工作面，4502工作面双切顶成巷示意图如图1所示。
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图 1 4502工作面双切顶成巷示意图Figure 1. Schematic diagrams of double cutting roof roadway in 4502 working face4502综采工作面两巷同时切顶卸压成巷，4502运输巷切顶成巷作为4503工作面运输巷，4502轨道巷进行切顶成巷作为4501工作面轨道巷。回采时，4502轨道巷为主进风巷，4502运输巷为辅助进风巷。4502工作面轨道巷长度为1107 m，运输巷长度1095 m，切眼长度为220 m，煤层平均厚度4.2 m。
采用倾斜长壁后退式采煤方法，综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板。采用爆破预裂技术实现切顶卸压成巷，成巷长度2000 m，开切眼仅切顶卸压不成巷。
2. 切顶参数对留巷围岩稳定性影响理论分析
2.1 切顶高度对巷道围岩稳定性的影响
切顶高度是切缝后巷道顶板到切缝末端的垂直距离。切顶高度应大于垮落带高度，若切顶太低，则不能充分地切断采空区顶板和巷道顶板间的应力转移，直接顶不能在下沉过程中完全切落，从而造成煤巷附近围岩应力与位移较大，不利于留巷稳定。因此，切缝高度的取值存在最小值，计算方法如下[15]：
$$ {H}_{{\mathrm{f}}}\geqslant \frac{{H}_{{\mathrm{c}}}-\Delta {H}_{1}-\Delta {H}_{2}}{{k}_{{\mathrm{p}}}-1} $$ (1) 式中：Hf为切缝高度，m；Hc为工作面采高，m；$ \Delta H $1为直接顶下沉量，m；$ \Delta H $2为底鼓量，m；kp为顶板碎胀系数。
根据现场实测与矿井资料数据，kp取1.4，Hc取4.2 m，在不考虑顶底板变形的情况下，计算得切缝高度应大于10.5 m。
2.2 切顶角度对巷道围岩稳定性的影响
切顶角度是切缝钻孔与垂线的夹角。切顶后，采空区覆岩在重力作用下下沉，与巷道顶板切顶面产生较大的摩擦阻力，不仅阻碍采空区顶板的垮落，也使导致巷道顶板变形较大。切缝向采空区侧偏转一定角度能减弱采空区顶板和巷道顶板之间相互作用，有利于顶板垮落，并减小其对巷道顶板的影响。如果切顶角度过小，则对采空区顶板和巷道顶板之间相互作用的减弱程度有限，顶板的垮落需要克服较大的摩擦阻力，不利于顶板的垮落，切顶角度通常按式（2）计算：
$$ \alpha \geqslant\varphi -\mathrm{arctan}\frac{R}{T} $$ (2) 式中：$ \alpha $为切顶角度，（°）；$ \varphi $为岩体内摩擦角，（°）；R为岩体所受剪切力，kN；T为岩体所受水平推力，kN。
R和T的取值可由式（3）计算[16]：
$$ R = qL,T = \frac{{q{L^2}}}{{2(h - \Delta S)}} $$ (3) 式中：q为顶板载荷集度，kN/m；L为顶板岩块长度，m；h为顶板厚度，m；$ \Delta $S为采空区侧顶板下沉量。
根据现场实测与矿井资料数据，取$ \varphi $=27°，h=6 m，$ \Delta $S=2 m，L=30 m，计算得切顶角度应大于12.1°。但如果切顶角度过大，会使巷道顶板短臂梁的长度增大，容易使顶板变形量增大，加大顶板加固工作的难度。
3. 双切顶成巷条件下围岩运动模型建立及参数设置
根据理论分析，切顶高度与切顶角度的选定不宜过大也不宜过小。为了探讨不同切顶参数对围岩稳定性的影响，使用FLAC3D建立模型，对未切顶及不同切顶高度与角度时围岩的应力、位移分布特征进行数值计算。研究切顶高度对巷道围岩稳定性的影响时，固定切顶角度为0°，设置切顶高度分别为11、13、15 m；研究切顶角度对巷道围岩稳定性的影响时，固定切顶高度为13 m，设置切顶角度分别为0°（切顶线长13 m）、15°（切顶线长13.5 m）、30°（切顶线长15 m）。
在模型的左右两侧、前后两侧及底面限制位移、速度为0。模型的上边界采用自由边界处理，并根据埋深在顶面施加均布载荷11.45 MPa，代替地层岩石自重。采用Mohr-Coulumb塑性模型进行计算，岩层相对位置与力学参数见表1，围岩运动数值模型如图2所示。
表 1 岩层的物理力学参数Table 1. Physical and mechanical parameters of rock strata岩石 厚度/
m体积模
量/GPa剪切模
量/GPa密度/
(t·m−3)摩擦角/
(°)黏聚力/
MPa抗拉强
度/MPa泥岩 12.50 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 砂质泥岩 6.27 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 泥岩 0.83 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 2#煤 1.07 8 4.80 1.300 20 2.6 2.4 细粒砂岩 2.60 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 粉砂岩 1.80 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 砂质泥岩 2.16 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 中粒砂岩 3.82 13 7.00 2.500 27 2.4 2.1 砂质泥岩 3.57 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 3+4#煤 4.20 8 4.70 1.300 20 0.6 0.5 细粒砂岩 2.12 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 泥岩 1.91 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 5#煤 3.60 8 4.84 1.350 20 0.6 0.5 泥岩 0.50 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 K3砂岩 2.33 13 7.00 2.700 30 2.6 2.4 泥岩 4.45 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 L5灰岩 6.02 14 9.00 2.730 40 3 2 4. 双切顶成巷切顶参数对围岩稳定性的影响
4.1 双切顶成巷切顶高度对巷围岩稳定性的影响
4种工况下围岩垂向应力云图如图3所示，4种工况下围岩垂向位移云图如图4所示，4种工况下围岩塑性区分布图如图5所示。
由图3可知：当未进行切顶卸压时，工作面开挖后，沿空留巷实体煤帮内部应力集中范围较大，垂直应力最大值21.7 MPa，且应力集中区距离巷帮较近，约6 m，容易导致煤壁片帮等不利现象，巷道及工作面上方垂直应力较高，容易导致巷道围岩变形，不利于巷道稳定；采取双切顶措施后，两侧沿空留巷实体煤帮内部应力集中范围较小，切顶高度分别为11、13、15 m时，垂直应力最大值分别为21.5、21.3、20.6 MPa，应力集中区距巷帮距离分别为10、12、13 m；巷道上方存在明显的卸压区，垂直应力平均值依此约为4.1、3.6、3.5 MPa，有利于巷道顶板稳定。可见，双切顶手段的实施使两侧沿空留巷实体煤帮内部应力集中范围减小，且随着切顶高度的增加，应力峰值逐渐减小、应力集中区与巷帮的距离逐渐增大，有效降低了煤壁片帮的可能性；切缝的存在使巷道与采空区顶板间的应力传播途径被切断，卸压程度随着切顶高度的增大而增大，对巷道维护及围岩稳定性起到积极作用。
由图4可知：未切顶时，巷道顶板受采空区上方岩层垮落影响较大，变形量在采空区侧较大，在实体煤侧较小，最大位移量约154 mm；采取双切顶措施后，巷道及采空区顶板的连续性被切断，除了使覆岩垮落更加充分外，也使2条巷道顶板具有独立的变形特征，切顶高度分别为11、13、15 m时，巷道顶板最大位移量分别为161、163、166 mm，均位于采空区侧，说明切顶高度越大，巷道顶板垂直位移越大。因此，切顶高度参数的选择应大小适中，过高的切顶高度会加大锚索加固的难度，使顶板变形量无法得到有效控制。
由图5可知，围岩的破坏形式主要为剪切破坏，且切顶高度参数对塑性区的影响主要有2个方面：①与未切顶相比，双切顶条件下2条巷道覆岩破坏范围增加，但破坏高度降低，切顶高度分别为11、13、15 m时，巷道覆岩破坏高度分别为59、57、55 m，这是由于切缝使采空区顶板与巷道顶板分离，从而使采空区顶板更容易垮落，垮落的岩体对上覆岩层起到了良好的支撑作用，使破坏不再向更高处传递；②与未切顶相比，双切顶条件下采空区覆岩垮落带高度增加，切顶高度分别为0、11、13、15 m时，垮落带高度分别为15、19、20、21 m，说明切顶使覆岩垮落更加充分。
4.2 双切顶成巷切顶角度对围岩稳定性的影响
不同切顶角度时围岩垂向应力云图和垂向位移云图如图6和图7所示。
切顶角度为0°时，采空区顶板位移较小，切顶角度为15°、30°时，采空区顶板位移较大，低应力区域相对较大，说明切顶角度的存在可以使顶板充分垮落，对采空区进行充填。切顶角度为0°时，实体煤帮内部垂直应力最大值21.3 MPa，切顶角度为15°时，垂直应力最大值21.8 MPa，切顶角度为30°时，垂直应力最大值22.1 MPa。表明应力集中峰值随切顶角度的增加而增大。切顶角度为0°、15°、30°时，巷道顶板垂直位移最大值分别为163、179、182 mm，表明切缝角度越大，巷道顶板垂直位移越大，这是因为切顶角度的增大虽能减弱采空区顶板和巷道顶板间的相互作用，但也增大了巷道顶板短臂梁的长度，使顶板更易变形，因此，切顶角度参数的选择应大小适中，过大的切顶角度会加大锚索加固的难度，使顶板变形量无法得到有效控制。
5. 现场验证
在沙曲一矿进行了现场试验，利用顶板离层指示仪对切顶高度为13 m、切顶角度为15°情况下4502工作面顶板进行位移监测。对距离工作面上端6 m和15 m处位移进行监测，采空区顶板巷道顶板2个范围（锚固范围以内和锚固范围以外）的位移值如图8所示。现场测试结果表明，切顶角度为15°时，深基点最大位移量为4.95 m，浅基点最大位移量为4.85 m，与数值模拟结果具有较好的一致性。巷道顶板离层量较小，表明在切顶高度为13 m、切顶角度为15°的工况下，恒阻锚索能够保证巷道稳定，实现切顶留巷。
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图 8 4502工作面采空区覆岩位移监测曲线Figure 8. Monitoring of overburden displacement in goaf of 4502 working face6. 结 语
1）相比于未切顶，双切顶可以减弱煤帮内部应力集中，减小应力峰值，使应力集中区远离巷帮，有利于巷道围岩稳定；切顶高度依次为11、13、15 m时，应力峰值逐渐减小、应力集中区与巷帮的距离逐渐增大，有效降低了煤壁片帮的可能性，但切顶高度越大，巷道顶板垂直位移越大，不利于控制顶板。
2）切顶角度的存在可以使顶板充分垮落，对采空区进行充填，但切顶角度依次为0°、15°、30°时，应力集中峰值与巷道顶板下沉值越大，增大了锚索加固的难度。切顶高度与角度的选取应适中，最佳值分别为13 m和15°，切缝斜长13.5 m。
3）现场实测切顶角度为15°覆岩位移，深基点最大位移量为4.95 m，浅基点最大位移量为4.85 m，与数值模拟结果具有较好的一致性。
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图 1 4502工作面双切顶成巷示意图
Figure 1. Schematic diagrams of double cutting roof roadway in 4502 working face
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图 8 4502工作面采空区覆岩位移监测曲线
Figure 8. Monitoring of overburden displacement in goaf of 4502 working face
表 1 岩层的物理力学参数
Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata
岩石 厚度/
m体积模
量/GPa剪切模
量/GPa密度/
(t·m−3)摩擦角/
(°)黏聚力/
MPa抗拉强
度/MPa泥岩 12.50 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 砂质泥岩 6.27 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 泥岩 0.83 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 2#煤 1.07 8 4.80 1.300 20 2.6 2.4 细粒砂岩 2.60 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 粉砂岩 1.80 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 砂质泥岩 2.16 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 中粒砂岩 3.82 13 7.00 2.500 27 2.4 2.1 砂质泥岩 3.57 10 6.00 2.400 25 1.6 1.4 3+4#煤 4.20 8 4.70 1.300 20 0.6 0.5 细粒砂岩 2.12 15 9.20 2.700 30 2.6 2.4 泥岩 1.91 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 5#煤 3.60 8 4.84 1.350 20 0.6 0.5 泥岩 0.50 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 K3砂岩 2.33 13 7.00 2.700 30 2.6 2.4 泥岩 4.45 10 6.00 2.300 23 1.5 1.3 L5灰岩 6.02 14 9.00 2.730 40 3 2 
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1. 郭爱军，龙新良. 矿用切顶机链臂结构数值分析及现场应用. 中国矿业. 2024(12): 244-250 . 
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