閻旭耀

摘 要：本文針對馬蘭礦18507工作面受相鄰工作面采動影響較大，所以在18507工作面實施沿空留巷的方式并采用切頂卸壓技術(shù)減小頂板及巷幫壓力，通過3DEC數(shù)值模擬對不同切頂高度條件下巷道的位移變化進行模擬，并在現(xiàn)場進行監(jiān)測，結(jié)果表明方案實施效果良好。

關(guān)鍵詞：沿空留巷;切頂卸壓;數(shù)值模擬;載荷壓力

1 引言

沿空留巷有助于提高資源的回收效率，減少煤體損失，該項無煤柱護巷技術(shù)在采煤工作中有著十分重要的作用，從掘進開始到完成二次采動，在這個階段由于服務(wù)時間較長同時受到兩次采動應(yīng)力的影響，導(dǎo)致圍巖會出現(xiàn)較大的變形，特別是雖然圍巖在留巷期間位于工作面?zhèn)认驂毫档蛥^(qū)，不過受到裂隙發(fā)育的影響，導(dǎo)致圍巖的承載性能被削弱，而導(dǎo)致較大的支護難度通過切頂卸壓手段能夠?qū)?yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道巖層的深部地區(qū)，降低巷旁所承擔(dān)的集中應(yīng)力，能夠增強巷道的穩(wěn)定性。利用炸藥爆破對頂板進行預(yù)裂，運用頂板周期來壓沿空切頂，從而形成對工作面上覆巖層堅硬頂板的支撐結(jié)構(gòu)，有效控制老頂?shù)南鲁梁突剞D(zhuǎn)變形，達到卸壓目的。此前眾多學(xué)者對展開研究郭鵬飛，張國鋒，陶志剛對堅硬軟弱復(fù)合頂板切頂卸壓沿空留巷爆破技術(shù)進行深入研究。本文以馬蘭礦18507工作面為研究背景，對不同壓裂參數(shù)下砂巖頂板的壓裂情況進行分析，為治理堅硬頂板問題提供依據(jù)。

2 礦井概況

馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，井田面積為 104.4 km2，設(shè)計年生產(chǎn)能力4.0Mt，主要開采8# 煤層。8#煤層平均厚度3.2m，平均傾角為5°，煤層埋深908m，工作面走向長度為1205m，煤層頂板較為堅硬。需要對回采工作面進行切頂卸壓，保證回采工作安全順利。

2.1 數(shù)值模型的構(gòu)建

為了研究切頂卸壓參數(shù)對卸壓效果的影響，本文建立二維砂巖模型，進行定向水力壓裂，以獲得不同預(yù)制裂縫角、不同預(yù)制裂縫長度及不同鉆孔直徑下砂巖起裂的起裂壓力、裂縫張開度變化規(guī)律。

構(gòu)建的數(shù)值模型長寬高分別為500×500×1mm，在模型的中心位置預(yù)制鉆孔，鉆孔的圓心為模型的中心。在建模過程引入cohesive單元，cohesive單元是一種虛擬單元，其不具有力學(xué)屬性，利用cohesive單元進行預(yù)制裂縫。模型結(jié)構(gòu)建立后進行網(wǎng)格劃分，由于鉆孔壁附近為應(yīng)力及變形的集中區(qū)域，所以對模型鉆孔附近進行細化，在其余位置進行適當(dāng)?shù)拇只?。模型網(wǎng)格劃分完成后，設(shè)置模型的邊界條件，限制模型XY方向的位移，對模型的上下左右進行固定約束設(shè)置。繼而設(shè)置模型的力學(xué)參數(shù)，按煤層頂板實際彈性模量、泊松比、滲透率、泄漏系數(shù)、斷裂韌度及允許最大位移等力學(xué)參數(shù)對模型進行賦值。最后設(shè)置模型的應(yīng)力環(huán)境，根據(jù)實際地質(zhì)情況設(shè)置Z方向的垂直應(yīng)力為10MPa，在模型的XY方向分別設(shè)施加垂直于邊界的均布載荷6MPa和8MPa，應(yīng)力差為2MPa，完成模型的建立。

2.2 數(shù)值模擬計算

選定預(yù)制裂縫角分別為15°、30°、45°、60°、75°及90°，起裂壓力及裂縫張開度隨預(yù)制裂縫角的變化曲線如圖1所示。

從圖1（a）可以看出，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)預(yù)制裂縫角為15°時，此時砂巖的起裂壓力最小為13.2MPa;當(dāng)預(yù)制裂縫角為90°時，此時砂巖的起裂壓力最大為16.8MPa，較預(yù)制裂縫角15°增大了3.6MPa。這是由于隨著預(yù)制裂縫角的增大，最大水平主應(yīng)力與預(yù)制裂縫的夾角越大，最大水平主應(yīng)力對預(yù)制裂縫尖端的起裂限制作用越強，巖石沿著預(yù)制裂縫起裂的困難程度增加，砂巖的起裂壓力增加。

從圖1（b）可以看出，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖起裂后的裂縫張開度呈現(xiàn)增大的趨勢，預(yù)制裂縫角15°、30°、45°、60°、75°及90°的裂縫張開度分別為0.1mm、0.108mm、0.15mm、0.118mm、0.121mm和0.125mm。這是由于隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖的起裂壓力增加，鉆孔內(nèi)部聚集的能量越多，在砂巖沿預(yù)制裂縫尖端起裂瞬間，能量釋放的也就越多，釋放的能量用于裂縫的擴展與裂縫的張開，所以裂縫的張開度隨著預(yù)制裂縫角的增大而增大。選定預(yù)制裂縫長度分別為5mm、8mm、10mm、12mm和15mm，起裂壓力及裂縫張開度隨預(yù)制裂縫長度的變化曲線如圖2所示。

從圖2a可以看出，隨著預(yù)制裂縫長度的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)減小的趨勢，預(yù)制裂縫長度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的起裂壓力分別為15.5MPa、15.2MPa、14.8MPa、14.2MPa，13.4MPa。這是由于隨著預(yù)制裂縫長度的增大，預(yù)制裂縫尖端附近的應(yīng)力集中更加明顯，裂縫沿著預(yù)制裂縫尖端起裂需要的起裂壓力越低。

從圖2b可以看出，隨著預(yù)制裂縫長度的增大，砂巖起裂的裂縫張開度逐步減小，預(yù)制裂縫長度5mm、8mm、10mm、12mm、15mm的裂縫張開度分別為0.118mm、0.117mm、0.115mm、0.111mm，0.109mm。這是由于隨著預(yù)制裂縫長度的增大，巖石的起裂壓力減小，巖石瞬間釋放的能量也就越小，所以裂縫的張開度逐步減小。

選定鉆孔直徑分別為25mm、30mm、40mm、50mm，隨著鉆孔直徑的增大，砂巖的起裂壓力呈現(xiàn)減小的趨勢，鉆孔直徑為25mm、30mm、40m、50mm的起裂壓力分別為14.8MPa、14.2MPa、13.8MPa、13.4MPa。這是由于隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔壁的應(yīng)力集中更加明顯，應(yīng)力在鉆孔壁附近重新分布，起裂壓力隨鉆孔直徑的增大而減小。

3 結(jié)論

結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬等方法對對砂巖定向水力壓裂進行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)制裂縫角的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力越大，裂縫起裂的裂縫張開度越大。通過對砂巖定向水力壓裂進行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)制裂縫長度的增大，砂巖起裂需要的起裂壓力減小，裂縫起裂的裂縫張開度減小。隨著鉆孔直徑的增大，巖石的起裂壓力呈現(xiàn)增大的趨勢。

參考文獻：

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