深部高强锚注切顶自成巷方法与验证.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o I ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 深部高强锚注切顶自成巷方法与验证 王 琦1 ’2 ，张朋1 ’2 ⋯，蒋振华1 ’2 ⋯，何满潮2 ，李术才1 ，王悦1 ’2 ⋯，江贝1 ’2 1 ．山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南2 5 0 0 6 l ；2 ．中国矿业大学 北京 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 3 ．山东天勤工程科技有限公司，山东菏泽2 7 4 7 0 0 摘要针对深部高应力回采巷道围岩控制难题，以我国最大采深矿井山东泰安孙村煤矿为工 程背景，对传统沿空掘巷、锚杆 索 支护巷道进行监测分析，结果表明巷道围岩变形量大，破坏范 围广，锚杆大部分处于强度劣化区内，难以发挥支护作用，锚索受力大，接近极限破断力。为解决上 述问题，系统开展了不同煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度等影响因素下的数值试验 研究，建立了顶板应力释放率、侧向支承压力提升率与围岩变形控制率等定量评价指标，对比分析 了多种因素下切顶自成巷与沿空掘巷矿压变化规律与围岩控制机制。基于此，提出了深部高强锚 注切顶自成巷方法，利用高强锚注提高巷道顶板完整性，利用顶板预裂切缝切断采空区与巷道顶板 之间的应力传递，使巷道处于应力降低区。为进一步验证该方法的合理性，利用自主研发的地质力 学模型试验系统，开展了模型试验对比研究，高强锚注切顶自成巷围岩应力比沿空掘巷平均降低 2 0 ．8 ％，围岩变形量为后者的4 5 ．1 ％，应力释放与围岩控制效果明显。结合上述研究，提出了相应 的工程建议，并在孙村煤矿2 2 1 5 工作面进行了现场应用，监测表明该方法有效控制了巷道围岩变 形，实现了无煤柱开采。 关键词切顶卸压；高强锚注；无煤柱开采；围岩控制；矿压变化规律 中图分类号T D 3 5 3 ；T D 8 2 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 3 8 2 1 6 A u t o m a t i cr o a d w a yf o r m a t i o nm e t h o db yr o o fc u t t i n gw i t hh i g hs t r e n g t h b o l t - g r o u t i n gi nd e e pc o a lm i n ea n di t sV a l i d a t i o n W A N GQ i l ”，z H A N GP e n 9 1 ’2 ⋯，J I A N GZ h e n h u a l 2 ⋯，H EM a n c h a 0 2 ，L IS h u c a i l ，W A N GY u e l ，2 ⋯，J I A N GB e i l ’2 1 ．尺部衄n c ＆n 把r0 ，＆o 把如儿赫甜口n d r 州Ⅱm fE n ∥n 卵一昭，5 硼d o 增‰i 抛邝妙，A n 帆 2 5 0 0 6 l ，C i n o ；2 ．＆n 把‰yk 6 0 m ￡o ，y 如r ＆o 脚c Ⅱn 池n 蒯 D e 印u n 出俘r o 砌魄i ，聊矗昭。吼i 肥踟i 抛”渺矿胁n i 昭n 以7 k 凡o f 嗍7 B e 彬愕 ，曰e 舛昭1 0 0 0 8 3 ，∞i 肥；3 ．5 血，渤增丁k 叼m 魄i n 卵r i 昭n c ∞f o ∥ c 0 ．，删．，月Ⅲ2 7 4 7 0 0 ，吼i M A b s t r a c t S u r r o u n d i n gr o c kc o n t m li sab i gc h a l l e n g ei nh i g hs t r e s sm i n i n gm a d w a yo fd e e pc o a lm i n e ．T oa d d r e s st h i s i s s u e ，S u n c u nC o a lM i n e ，t h ec o a lm i n ew i t ht h el a r g e s tm i n i n gd e p t hi nC h i n a ，i st a k e na se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n dt o m o n i t o ra n da n a l y z et h et r a d i t i o n a lg o b s i d ee n t r yd r i v i n gw i t hb o l ta n dc a b l es u p p o r t i n g ．T h er e s u l ts h o w st h a tt h es u r m u n d i n gm c kd e f o 咖a t i o ni sl a 唱ea n dt h es u r m u n d i n gr o c kd a m a g es c o p ei sw i d e ．M o s to ft h eb o l tb o d yi si nt h e s t r e n g t hd e g m d a t i o nz o n e ，w h i c hm a k e si td i f h c u l tt op l a yi t sb 0 1 t i n gr 0 1 e ．T h es t r e s so fa n c h o rc a b l ei sl a r g e ，w h i c hi s c l o s et ot h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ea n c h o rc a b l e ．F o rt h ea b o v ep r o b l e m s ，t h en u m e r i c a lt e s t so fd i f k r e n tp i l l a r 收稿日期2 0 1 9 一l l 一2 5修回日期2 0 2 0 一0 3 2 5责任编辑黄小雨D o I l o ．1 3 2 2 5 ／jc nk i j c c s ．2 0 1 9 ．1 6 2 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 2 0 7 4 1 6 4 ，4 2 0 7 7 2 6 7 ；山东省重大科技创新工程资助项目 2 叭9 s D z Y 0 4 作者简介王琦 1 9 8 3 一 ，男，山东临沂人，教授，博士生导师。E m a i l c h i n a w a n g q i 1 6 3 ．c o m 引用格式王琦，张朋，蒋振华，等．深部高强锚注切顶自成巷方法与验证[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 3 8 2 3 9 7 ． w A N GQ i ，z H A N GP e n g ，J I A N Gz h e n h u a ，e ta I ．A u t o m a t - cr o a d w 8 yf o r m a t i o nm e t h o db ym o fc u t t i n gw i t hh i g h s t r e n g t hb o l t g m u t i n gi nd e e pc o a lm i n ea n di t sv a l i d a t i o n [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 3 8 2 3 9 7 移动阅读 万方数据 第2 期 王琦等深部高强锚注切顶自成巷方法与验证 3 8 3 w i d t h ，i n s i t us t r e s sl e v e l ，s t r e n 昏ho fr o o fs u r r o u n d i n gr o c ka n dr o o fc u t t i n gh e 培h tw e r es y s t e m a t i c a l l yc a 耐e do u t ．T h e q u a n t i t a t i V ee V a l u a t i o ni n d e x e ss u c ha sm o fs t r e s sr e l e a s er a t e ，s i d ea b u t m e n tp r e s s u r ei n c r e a s er a t ea n ds u r m u n d i n g m c kd e f o r m a t i o nc o n t m lr a t ew e r ee s t a b l i s h e d ．T h ev a r i a t i o nl a wo fm i n i n gp r e s s u r ea n dt h es u Ⅱo u n d i n gm c kc o n t r o l m e c h a n i s mi nb o t ht h ea u t o m a t i c a l l yf o 彻e dr o a d w a yb yr o o fc u t t i n ga n dt m d i t i o n a lg o b s i d ee n t r yd r i V i n gu n d e rV a r i o u sf a c t o r sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ．O nt h i sb a s i s ，t h ea u t o m a t i cr o a d w a yf o r m a t i o nm e t h o db ym o fc u t t i n gw i t h h i g hs t r e n g t hb o l t - g r o u t i n gi nd e e pc o a lm i n ew a sp r o p o s e d ．T h i sm e t h o di m p r o V e st h ei n t e g r i t yo ft h er o o fs u r r o u n d i n g m c kb yh 唔hs t r e n 酐hb o l t g m u t i n ga n dc u t so f ft h es t r e s st m n s f e rb e t w e e nt h eg o a fr o o fa n dr o a d w a yb yr o o fp r e s p l i t t i n gc r a c k ，m a k i n gt h er o a d w a yi nt h es t r e s sr e d u c t i o nz o n e ．I no r d e rt ov a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h i sm e t h o d ，am o d e l t e s tw a sc a r r i e do u tb yu s i n gt h eg e o m e c h a n i c a lm o d e lt e s ts y s t e mi n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d ．T h ea v e I ‘a g es t r e s so fs u r I u u n d i n gm c k i na u t o m a t i c a l l yf o 肿e dr o a d w a yb yr o o fc u t t i n gw i t hh i g hs t r e n g t hb 0 1 t g r o u t i n gi s2 0 ．8 ％l o w e rt h a n t h a t i ng o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ，a n dt h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o H n a t i o ni s4 5 ．1 ％o ft h a ti ng o b - s i d ee n t r yd r i V i n g ．T h e e f 亿c t o fs t r e s sr e l e a s ea n ds u Ⅱo u n d i n gr o c kc o n t r 0 1i na u t o m a t i c a l l yf o 唧e dr o a d w a yb ym o fc u t t i n gw i t hh 培hs t r e n 斟h b o l t g r o u t i n gi so b v i o u s ．B a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h ec o r r e s p o n d i n ge n g i n e e r i n gr e c o m m e n d a t i o n sw e r ep u tf o r w a r d a n dt h em e t h o dw a sa p p l i e dt ot h e2 2 1 5w o r k i n gf a c eo fS u n c u nC o a lM i n e ．T h e6 e l da p p l i c a t i o na n dm o n i t o r i n gs h o w t h a tt h em e t h o dc a ne f k c t i v e l yc o n t r 0 1t h ed e f b r n l a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka n da c h i e v ec o a lm i n i n gw i t hn o p i l l a r ． K e yw o r d s r o o fc u t t i n ga n dp r e s s u r er e l e a s i n g ；h i g hs t r e n 昏hb o l t g r o u t i n g ；c o a lm i n i n gw i t hn o p i l l a L r ；s u n ．o u n d i n g m c kc o n t r 0 1 ；m i n i n gp r e s s u r el a w 煤炭在我国一次能源消费中占主体地位。传统 长壁开采方法，回采1 个工作面，需掘进2 条巷道并 留设1 个区段保护煤柱，上覆岩层回转变形导致煤柱 处应力集中，极易出现围岩大变形、支护构件破断失 效等现象，危及安全生产。同时留设的煤柱无法采 出，造成资源浪费。3J 。 针对上述问题，何满潮等H 1 提出了切顶卸压无 煤柱自成巷开采技术，通过顶板定向预裂切缝，切断 采空区与巷道顶板间矿山压力传递，采空区顶板岩层 在自重及矿山压力作用下垮落，形成矸石巷帮，从而 实现切顶卸压自动成巷。众多学者对切顶卸压无煤 柱自成巷技术进行了大量研究一3 | 在理论分析方 面，王亚军等1 运用能量理论与位移变分方法分析 了切顶卸压自成巷顶板变形规律及其影响因素，提出 了顶板切缝高度的设计方法；马新根等∞1 建立了力 学模型，计算分析了切顶卸压自成巷顶板变形规律及 巷道控制要求。在数值模拟方面，孙晓明等1 通过 分析薄煤层工作面回采过程中顶板受力状态，确定了 薄煤层切顶卸压自成巷关键参数。T A 0z h i g a n g 等旧1 利用数值模拟软件研究了切顶卸压自成巷“短 梁”的应力分布规律。在现场试验方面，w A N G Q ∥、朱珍0 。等对不同地质条件下切顶卸压自成巷 关键技术进行了工程试验，有效控制了围岩变形，取 得了良好的成巷效果。上述学者通过理论分析、数值 模拟、现场试验等方法研究了切顶卸压自成巷技术， 有力推动了该技术在浅部煤矿的应用。 随着浅部煤炭资源的日益枯竭，煤炭开采逐渐向 深部发展，高地应力、极软岩、断层破碎带等复杂地质 条件增多，巷道围岩破碎，控制困难，顶板垮落等安全 事故频发4 ‘17 I 。为解决上述问题，众多学者进行了 大量研究‘1 8 _ 29 | 。w A N GQ i 等‘1 8 - 1 9 1 建立了锚注围岩 界面抗剪强度理论公式，并结合工程现场提出了锚注 破碎围岩与浆液有效扩散范围的确定方法。周波 等Ⅲ1 通过数值模拟与现场试验验证了锚注支护可有 效提高断层破碎带煤巷围岩承载和抗变形能力。江 贝等心通过现场试验揭示了不同锚注参数对围岩和 支护体系的影响规律。 基于此，笔者分析了深部采区传统沿空掘巷围岩 变形破坏机制，结合切顶卸压自成巷开采技术与锚注 支护技术提出了深部高强锚注切顶自成巷方法，开展 了高强锚注切顶自成巷与沿空掘巷的数值对比试验 和地质力学模型试验，明确了2 种开采方法下巷道围 岩控制机制和矿压变化规律，提出了相应的工程建 议，并在现场成功应用。 1 深部巷道变形破坏分析 1 ．1 工程概况 孙村煤矿位于山东省泰安市，最大开采深度 为15 0 1m ，最大地应力为3 7 ．9M P a ，为我国开采深 度最大的矿井。 该矿2 采区2 号煤平均煤层厚2 ．5m ，直接顶为 2 ．5m 粉砂岩，基本顶为7 ．0m 砂岩，直接底为3 ．0m 细粒砂岩，基本底为3 ．om 粉砂岩，如图1 所示，主要 岩层的物理力学参数见表1 。巷道采用传统留小煤 万方数据 煤炭学报 柱沿空掘巷的方法，煤柱宽5m ，巷道净高2 ．5m ，净 宽3 ．8m 。顶板采用锚索 锚杆的支护方式，锚索型 号为西2 2m m 50 0 0m m ，锚杆型号为西2 0I n m 28 0 0m n 、；两帮采用锚杆支护，型号为西2 0f 1 1 n 1 20 0 0m m 。锚杆 索 问排距均为l0 0 0n n 8 0 0m m ． ，、o J 早膛／m7 7 ， 3 lO砂7 l ．4l j 煤 7 ． 砂_ 25粉砂7 2 ．5 2 l j 煤 3 ． 细粒砂冉 3 ． 粉砂， { 0 930 煤 3O粉砂7 f 3 ． 砂， 4 7粉砂7 图lT 作面概况 g ．1W ，I k i l l gf a t ‘Ps i I u a t i ’ 表l 岩体物理力学参数 T a b l e1 P h y s i c a Ja n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s 受高地应力‘j 开挖扰动影响，使用上述传统巷道 掘进与支护方法的巷道围岩极为破碎，变形量大，网 兜与锚杆 索 破断现象严重，冒顶事故时有发生，如 图2 所示。 罔2 巷道的变肜破坏 l 僻2 1 小m l a t i J l H Ⅲ 1f a i l L I l P 1 I t 1 1 Pl I Ⅲ1 w a y 1 ．2 巷道监测与破坏机制分析 为明确该巷道的变形破坏机制，选取其典型断面 监测围岩收敛变形、支护构件受力与顶板松动破碎范 旧。顶底移近j _ I ￡、两帮收敛量与锚杆 索 受力监测 结果如图3 所示。顶板中部与左右两侧各施打1 个 6m 钻孑L ，利用钻孔窥视仪对钻孔内围岩进行探测， 根据探测结果将顶板围岩分为强度劣化区、强度恢复 区和原岩强度区，其中窥视钻孔中黑色填充为裂隙分 布区域，白色为完整区域，具体分区如图4 所示。 图3典型断而收敛变形与支护构件受力 F 酶3C o n v e r g e n 1 e 【l e h m a t i o ntJ ft y p i ‘a ls e 1 t i o na f l 【ls t m s s “ 吼l l ’p o l “n g1 1 1 e m b e r s 一 饕 墙 ＼f ． 窥视钊 图4 巷道顶板分Ⅸ I 碡4 l { 1 f - d i v i s ‰1o ft h e1 1 m 【1 w a y 由图3 ，4 分析可知 1 从巷道掘进期问到回采期间，巷道收敛变形 持续增加。开挖3 0d 内巷道表面位移增速快；第 3 0 ～6 0 天巷道表面位移增速减缓。变形整体呈现H } “顶底移近量 两帮收敛量”的特征，顶底移近量达 6 2 ．1 ．Ⅱ1 ，两帮收敛盘达5 7 ．2 m 。 2 锚杆安装后，其受力先增大后减小，最终趋 于稳定。安装1 5c 1 内锚杆受力迅速升高，最大达到 1 5 2 ．2k N ；第1 5 ～2 5 天，锚杆受力开始下降；3 3 1 后 锚杆受力基本不变，为1 0 3 ．5k N 左右。锚索受力一 直擎上升趋势，第6 0 天锚索受力达3 7 1 ．1k N ，该类 锚索极限破断力为4 l lk N ，强度使用率达到9 0 ．3 ％。 3 巷道顶板内部整体松动破坏范围大，围岩强 度减弱明显。其中，强度劣化区在0 ～3 ．1m ，围岩f J 分破碎，裂隙极其发育，强度劣化严重；强度恢复区在 誓淄婺麓羹。 ．4．i丁捌w2“划T划u。| f ■■■曩■l O 5 0 5 0 2 2 3 3 4 万方数据 第2 期王琦等深部高强锚注切顶自成巷方法与验证 3 8 5 3 ．1 ～4 ．9m ，岩体较完整，存在少量微裂隙；原岩强度 区范围在4 ．9m 以外，围岩完整，无明显裂隙。 根据上述监测结果，分析巷道变形破坏的主要原 因为①受大埋深和开挖扰动的影响，巷道处在高地 应力环境中，传统的留煤柱沿空掘巷方法，无法有效 释放高应力，煤柱处应力集中，使得原本破碎的煤柱 产生更大的变形破坏；②巷道采用锚索 锚杆的支护 形式，锚杆大部分处在强度劣化区内，难以发挥支护 作用，锚索受力过大，接近极限破断力，安全储备低。 在该种支护条件下，围岩松动劣化范围进一步扩大， 巷道围岩大变形现象愈发严重，顶板控制更加困难。 2 深部巷道控制机制数值对比试验 矿山压力是导致上述问题发生的主要根源，切顶 卸压自成巷技术作为一种新型的煤矿开采方法，可有 效释放围岩应力，在浅部煤矿中得到了大量应用。但 在深部高应力顶板破碎巷道中的适应性，仍需要进一 步研究。本节以2 2 1 5 工作面为研究对象系统开展深 部高应力沿空掘巷与切顶自成巷对比以及切顶自成 巷自身对比两大类数值试验。 2 ．1 方案设计 沿空掘巷与切顶自成巷对比方案包括A 类方 案 不同煤柱宽度 、B 类方案 不同地应力 ；切顶自 成巷自身对比方案包括C 类方案 不同顶板围岩强 度 、D 类方案 不同切顶高度 。A ～D 类方案均以 现场巷道断面尺寸、原始锚网支护为不变量，依次以 煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度为变 量，固定另外3 个变量进行模拟，具体方案如下 A 类方案 不同煤柱宽度对比方案 。该类方案 主要对比沿空掘巷不同煤柱宽度和切顶无煤柱等条 件下巷道围岩变形和应力变化规律，以煤柱宽度为变 量，编号分别为A 。，其中江1 ～5 ，分别对应煤柱宽度 为3 ，5 ，8 ，1 5 ，0m ，其中A ．～A 。方案代表沿空掘巷方 案，A ，方案代表切顶自成巷方案，切顶高度为8m ，具 体方案见表2 。 表2 煤柱宽度对比方案 T a b l e2 C o m p a r i s o ns c h e m eo fc o a lp i I l a rw i d t h B 类方案 不同地应力对比方案 该类方案主 要对比不同地应力条件下留煤柱沿空掘巷和切顶自 成巷的围岩变形和应力变化规律，以地应力大小为变 量，编号分别为B i √ 1 1 0 。其中- 『 1 ～5 分别对应 沿空掘巷 该矿现场5m 煤柱方案，A 方案 条件下 地应力等级为0 ．7 5 ，1 ．0 0 ，1 ．2 5 ，1 ．5 0 ，1 ．7 5 ；．『 6 ～1 0 分别对应切顶无煤柱自成巷 A ，方案 条件下地应力 等级为o ．7 5 ，1 ．o ，1 ．2 5 ，1 ．5 0 ，1 ．7 5 ，具体方案见表3 。 表3 不同地应力对比方案 T a b l e3 C o m p a s o ns c h 咖eo fi n - s i t us t r e 鹳l e V e l c 类方案 不同顶板围岩强度对比方案 该类 方案主要模拟注浆对巷道顶板围岩的加固作用，通过 顶板围岩强度系数的增加模拟围岩强度的提高，以巷 道顶板围岩强度为变量，编号分别为c 。，其中，．| } 1 ～ 5 ，分别对应顶板围岩强度系数为1 ．0 ，1 ．1 ，1 ．2 ，1 ．3 ， 1 ．4 ，具体方案见表4 。 表4 顶板围岩强度对比方案 T a b l e4 C o m p a r i s o ns c h e I 眦o fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e n g t h D 类方案 不同切顶高度对比方案 该类方案 主要针对切顶自成巷核心参数一切顶高度进行模拟 分析，以切顶高度为变量，编号分别为D ，其中z 1 5 ，分别对应切顶高度为4 ，6 ，8 ，l o ，1 2m ，具体方案见 表5 。 万方数据 煤炭学报 表5 切顶高度对比方案 T a b l e5 C o m p a r i s o ns c h e m eo fr o o fc u t t i n gh e i g h t 2 ．2 模型建立与监测方案 根据现场地质情况，利用F I A c3 1 ’数值软件进行 数值计算，模型尺寸为2 8 0m 7 0m 7 0m 宽高 厚 ，模型体底部边界垂直方向同定，左右边界水平 方向固定，x ，】／方向应力为2 3 ．4M P a ，z 方向应力为 1 9 ．4M P a ，上方施加1 8 ．4M P a 的补偿应力，模拟上 覆岩层白重的影响，模型体各岩层物理力学参数与现 场一致，模型体如图5 所示。 图5 模，趔体与边界条件，J i 恿 } 1 i g ．5D j a g r d I no f l I l e l1 o j ya n db oL I f l 1 a r yc 1 n f l i 【i o n s 在距模型前表面3 5n ，处设置监测断面，其中巷 道顶板和实体煤帮的监测点编号分别为R ⋯，， s 。。 m l 或2 ，分别代表沿窄掘巷和切顶自成巷；，z 为测点编号 ，各监测点具体布设方式和位置如图5 ， 6 所示， a 监测ⅨI b 监测K I I 图6 数值模拟监测力‘案 F i g ．6M o n i t o l ’i 1 1 9s c h e l l l P o f1 1 u Ⅲ一 ’a 1 蜘ⅢJ a t i o n 2 ．3 评价指标的建立 为更好地分析不同方案巷道围岩应力变化规律 与控制机制，建立侧向支承压力提升牢6 。、顶板应力 释放率k ．，和匿I 岩变形控制率叼D Ⅲ等定量评价指 标。 1 侧向支承压力提升率瓦，即巷道开挖稳定 后煤柱帮与实体煤帮侧向支承压力比原岩应力增大 的百分比，计算公式为 6 ～， 竺乎l 。。％ 1 其中，6 。为“”方案中巷道侧向支承压力提升率，表 示儿”方案巷道侧向支承压力相对于原岩应力的提高 程度，6 。越高，代表巷道煤柱帮与实体煤帮应力集 中程度越大。其中，“为不同方案编号，H 为A ～D ， 分别代表设计的4 类方案，“ 为不同方案的子方案， 囵豁测 单位m A ，c ，D 类力‘案t 、 l ～5 ，B 类方案F l ～1 0 。以6 、 为例，表示A l 方案侧向支承压力提升率。s 。⋯，、为 “”方案巷道的侧向支承压力峰值，M P a ；s 。⋯为川， 方案巷道的原岩应力，M P a 。 2 顶板应力释放率6 ，，，即巷道开挖稳定后顶 板应力比原岩应力降低的卣分比，计算公式为 h ，，2 式中，6 扎，为z z ”方案中巷道顶板第r 测点顶板应力 释放率，表示Ⅲ，方案中巷道顶板第，‘测点顶板应力 相对于原岩应力减小程度，6 。越高，代表巷道顶板 该处卸压效果越好；r 为巷道顶板上部测点，r l ～9 ； R 。，为M z ，力‘案巷道顶板第r 测点处的顶板应 力，M P a 。 3 围岩变形控制率7 7 ，，，即巷道开挖稳定后顶 万方数据 第2 期 土琦等深部『、5 强锚注切顶白成巷方法1 j 验证 3 8 7 板变形量比同类方案顶板最大变形量减小的百分比， 计算公式为 _ r 一n 钾。 二竺生二兰1 0 0 ％ 3 叼， 。2 i - ～I u u ％ 【j ∥⋯a 、 式中， 7 玑为M ”方案巷道H 习岩变形控制率，表示“z ，方 案相对于，z 方案中巷道顶板变形艟最大的子方案巷 道围岩变形控制提高程度，7 7 玑．越高，代表巷道围岩 控制效果越明显；D 。为㈣力‘案巷道顶板变形 量，m m ；D 。。．、为z ，方案中所有子方案巷道顶板最大 变形量，r n n 、。 2 ．4 结果分析 2 ．4 ．1 不同煤柱宽度对比 A 类 方案结果分析 此类方案 A 。～A ， 以煤柱宽度为变啭进行刈‘比 分析，各方案煤柱和实体煤帮侧向支承』1 i 力变化曲线 如图7 所／J ；，巷道顶板应力变化曲线如图8 所示。为 综合对比分析各方案巷道同岩应力变化和变形控制 规律，对各评价指标进行汇总，如同9 所示，图9 中顶 板应力释放率选取巷道顶板3 ，7 测点作为顶板浅部 和深部典 1 4 代表点进行评价。 4 5 4 0 芷3 5 苫3 0 裔2 5 餐2 0 詈1 5 善1 0 5 O A ，方案 3m 煤拄A ，方案 3m 煤柱 一A ，方案 5m 煤柱 一A ，方案 5 m 煤柱 图7不同煤柱宽度的侧向支承压力变化曲线 l 飞．7 V m ‘i a t i _ 1 1I “刊e 小⋯1 1 1 e n 【⋯P s s L l r ew 曲【l i 艉l Ⅵ1 l a 11 i l k l rw i 1 t h 图8小同煤往宽度的巷道顶板应力变化曲线 g ．8 V 州撕I m ‘ f l ㈨fs t l ’e H sw i t ht Ⅲ衙㈨t 1 ‘州p i l l a rw i 1 1 1 1 8 0 6 0 摹 兰4 0 ●一 ～ 2 0 O - 侧向支承压力提升率昏。 顶板应力释放率‰。， 一顶板』、t 力释放率嘞．． 围岩变形控制率场、， A lA 二A jA 4 A ‘ 方案编号 图9 不同煤柱宽度的定量评价指标 F ’i g ．9Q u a n I i I z l l i V ee V a I u a t i o ni n 1 P x e so ft l i f } P r e n t ‘ a Ip l l l a r w i 1 l } 1 1 侧向支承压力对比分析。 ①沿空掘巷方案压力峰值特征分析随着煤柱 宽度的增大，巷道左侧煤柱帮和右侧实体煤帮在向深 部发展的过程中，侧向支承压力整体呈现先增大后减 小的“J E 对称”特征。在煤柱宽度为3 ～5n ，时，侧向 支承H i 力峰值位于实体煤侧；在煤柱宽度为8 ～1 5m 时，侧向支承压力峰值转移至煤柱侧。 ②切顶广{ 成巷与沿空掘巷压力峰值对比分析 沿空掘巷方案 A ．～A 。 实体煤帮侧向支承』K 力提升 率平均值为5 8 ．0 ％，最大峰值为3 3M P a ，各力‘案压力 峰值均距离巷道实体煤帮表面3m 左右；切顶自成巷 方案 A ， 实体煤帮侧向支承压力提升率为3 6 ．2 ％， 峰值为2 7 ．2M P a ，压力峰值距离巷道实体煤帮表面 6m 左右。以} 结果表明，切顶卸压可有效减小巷道 实体煤帮侧向支承压力峰值，并使其向深部转移。 2 顶板卸压效果对比分析。 ①切顶自成巷与沿空掘巷顶板卸压区域对比分 析A l ～A ；各力‘案巷道顶板距离巷道表面越远，顶板 应力越大，应力变化越趋近于稳定。沿空掘巷方 案 A ，～A 。 顶板应力在距离巷道表面6m 左右时基 本趋于原岩应力；切顶自成巷方案 A 。 顶板应力在 距离巷道表面l2m 时仍未达到原岩威力。这表明切 顶卸压呵使得巷道顶板上方产牛更大的卸压区，巷道 顶板刖岩更易控制。 ②切顶自成巷与沿空掘巷顶板卸压程度对比分 析沿夺掘巷方案 A ，～A 。 顶板应力释放率平均值 和切顶闩成巷方案 A ， 顶板应力释放率在顶板浅部 3 测点处分别为1 6 ．2 ％，6 5 ．2 ％，在顶板深部7 测点 处分别为3 ．6 ％，2 2 ．3 ％，后者相同位置测点处的应 力释放率明显高于前者。这表明在切顶作用下，顶板 应力得到有效释放，且距离巷道表面越近，顶板卸压 效果越明显。 3 围岩变形控制对比分析。 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 ①沿窄掘巷方案围岩变形控制特征在煤柱宽 度为3 ～1 5n ，时，围岩变形控制，红分别为0 ，3 9 ．3 ％， 2 9 ．1 ％，1 8 ．5 ％，．‘矗现“5n 1 煤柱方案 8m 煤柱方案 1 5m 煤柱方案 3 一n 煤柱方案”的特征。 ②切顶自成巷与沿卒掘巷Ⅲ岩变形控制效果对 比分析沿窄掘巷方案 A 、～A 。 围岩变形控制率平 均值与切顶自成巷方案 A ； 围糟变形控制率分别为 2 1 ．7 ％，5 1 ．7 ％，后者明显高于前者。这表明顶板预 裂切缝切断了采空区与巷道顶板问的应力传递，使得 巷道处于应力降低区，巷道围岩变形得到有效控制。 综合A 类方案分析可知，‘j 沿空掘巷相比，切顶 自成巷通过预裂切顶使得顶板形成更大的卸压区，实 体煤帮侧向支承压力降低，峰值向深部转移，巷道顶 板围岩更易控制，实体煤帮更加稳定。 2 ．4 ．2 不同地应力对比 B 类 方案结果分析 此类力。案 B ，～B m 以地应力大小为变量进行对 比分析，沿空掘巷方案 B ．～I { ； 与切顶自成巷方 案 B 。～B 】I ， 实体煤帮侧向支承 压力变化曲线如图 1 0 所示。沿空掘巷方案与切顶f 1 成巷力‘案巷道顶板 应力变化曲线如图1 1 所示。为综合对比分析各方案 巷道围岩应力变化和变形控制规律，对符评价指标进 行汇总，如图1 2 所示，图1 2 中顶板应／J 释放率选取 4 3 5 叠3 0 芝 j 2 5 嚣2 0 叫l5 l 叵 重l O 5 距灾体煤帮删 离／m a 1 并} _ 抽} { 搂 趴’爻体煤押f 趴离／m b 切顶i7 i 成巷 图1 0 不同地J 、j f 力条件的侧向支承压力变化曲线 F i g ．10 V a I ．i d l i t 1 1o fs i I Pn 1 u l n l e Ip r e s s uJ _ Pw i I h 1 i “0 |