綜放沿空留巷變形與影響因素數值模擬分析

吳 鋒

（山西汾西礦業集團南關煤業，山西 晉中 031300）

1 數值計算模型及有關參數

1.1 深厚表土綜放沿空掘巷數值計算模型

以某礦2302工作面沿空留巷為原型，建立如圖1所示的數值計算模型。模型兩側為滑動支承，底部為固定支承。

圖1 綜放沿空留巷數值計算模型

1.2 有關參數確定

數值模擬相關參數主要有模型尺寸、巖體力學參數、回采參數及沿空掘巷尺寸等。根據關鍵層理論，將關鍵層以上巖層簡化為均布載荷施加在數值計算模型上邊界，主關鍵層以下巖層全部構建。根據厚表土層的特點，工作面寬度（220m）不需要完全模擬。考慮到邊界影響及上述要求，本模型范圍取300m×84m。工作面埋深800m，傾斜長度130m，割煤高度3.5m，放煤高度5.5m；沿空留巷尺寸寬×高＝4.5m×3.5m，沿底板掘進。巖層的物理力學參數（見表1）來自巖石力學實驗。

表1 巖層的物理力學參數

2 模擬方案建立

綜放沿空留巷圍巖穩定性受多個因素影響，如充填體強度、充填體寬度、端頭不放頂煤距離等。這些因素的作用使綜放沿空留巷圍巖產生具有不同特征的變形。

1）充填體強度對沿空留巷圍巖變形的影響。充填體強度是影響沿空留巷充填體穩定性的關鍵參數。確定合理的充填體材料配比，是保證充填體初期強度和后期強度的關鍵，模擬過程選擇充填體強度為6MPa與8MPa兩種情況。

2）充填體寬度對沿空巷道圍巖變形的影響。合理的充填體寬度既能保證巷旁充填體的穩定性，又能取得巷旁支護較好的經濟效果。國外巷旁充填體寬度通常為采高的0.6～1.0倍，我國學者分析大量工程實踐發現，當充填體寬高比為4∶5時，有利于充填體本身的穩定。因此，數值模擬煤柱寬度：2、2.5、3、4m。

3）工作面端頭不放頂煤寬度對沿空巷道圍巖變形的影響。模擬不放頂煤寬度對沿空巷道圍巖變形的影響，為護巷煤柱合理寬度的確定提供基礎。模擬不放頂煤寬度：15、12、9、6、3、0m。

4）基本頂特征對沿空留巷圍巖變形的影響。基本頂特征包括基本頂厚度、位置、斷裂步距等，這些參數決定著基本頂的回轉角。基本頂回轉角越大，沿空巷道圍巖變形越大。模擬基本頂距離煤層10m、15m、20m；模擬基本頂斷裂步距：15m、20m、25m。

3 綜放沿空留巷變形特征與影響因素分析

3.1 充填體強度對沿空留巷圍巖變形的影響

圖2所示為不同充填體強度對應的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，關鍵塊回轉下沉，當充填體強度6MPa時，關鍵塊回轉角大，巷道實體煤幫發生坍塌，充填體變形嚴重從而失去承載能力；充填體強度8MPa時，關鍵塊回轉角相對較小，巷道圍巖變形較小，穩定性較好。

圖2 不同充填體強度對應的圍巖變形效果圖

基于上述模擬結果可以看出，充填體強度對沿空留巷巷道圍巖變形具有關鍵性的影響。充填體達到一定的強度后能夠有效地控制關鍵塊的回轉下沉，保持頂板的完整性，保證巷道圍巖的穩定性［1］。

3.2 充填體寬度對沿空巷道圍巖變形的影響

圖3所示為工作面回采階段不同充填體寬度對應的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當關鍵塊回轉下沉，充填體寬度2m時，關鍵塊回轉角大，巷道實體煤幫發生坍塌，充填體變形嚴重從而失去承載能力；當充填體寬度2.5m、3m時，關鍵塊回轉角相對較小，穩定性較好，雖然沿空巷道實體煤幫變形較大，但沒有發生坍塌，充填體變形較小，仍具有承載能力；當充填體寬度4m時，巷道圍巖變形小，巷道穩定性好，但是充填體寬度越大，充填費用越高。

圖3 不同充填體寬度對應的圍巖變形效果圖

基于上述模擬結果可以看出，在工作面回采階段，充填體寬度對沿空留巷巷道圍巖變形具有重要影響。隨工作面推進關鍵塊回轉下沉，充填體寬度與巷道圍巖變形量成反比關系，充填體寬度越小，巷道圍巖變形量越大，巷道充填體寬度越大，巷道圍巖變形量越小。

3.3 上區段工作面端頭不放頂煤距離對沿空巷道圍巖變形的影響

下頁圖4所示為不放煤距離不同時的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當不放煤距離為12m時，沿空巷道兩幫變形明顯，但巷道整體穩定；當不放煤距離為8m時，巷道兩幫變形嚴重，底鼓明顯，發生失穩；當不放煤距離為4m時，巷道發生炸幫；當不放煤距離為0時，巷道發生失穩。因此，從沿空巷道圍巖控制的角度考慮，上區段工作面端頭不放煤距離應不小于12m。

基于以上模擬結果分析，不放頂煤寬度對綜采放頂煤沿空留巷圍巖的穩定性具有重要的影響。端頭支架頂煤不放，間接起到煤層直接頂作用，頂煤垮落，充實沿空留巷附近采空區，有利于減小關鍵塊回轉下沉量，減小附加在充填體上的載荷，與充填體一起共同作用，有利于形成良好的充填體——圍巖共同承載體系。

圖4 不放頂煤距離對應的沿空巷道圍巖變形效果圖

3.4 基本頂特征與沿空巷道圍巖變形之間的關系

圖5所示為基本頂位置不同時沿空巷道圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當基本頂距煤層6m時，沿空巷道實體鼓幫嚴重，沿空幫鼓幫量較小；當基本頂距煤層15m時，沿空巷道兩幫都有鼓幫現象，但鼓幫量較小。圖6所示為基本頂斷裂步距不同時沿空巷道圍巖變形效果圖。從圖6中可以看出，基本頂斷裂步距為15m時沿空巷道兩幫變形明顯，而基本頂斷裂步距為25m時沿空巷道兩幫變現不明顯。另外，從圖5、圖6中還可以看出，基本頂到煤層的距離越小，基本頂回轉角度越大；基本頂斷裂步距越小，回轉角度越大。

因此，基本頂對沿空巷道圍巖變形的影響與回轉角有關，基本頂回轉角越大，沿空巷道兩幫鼓幫量及頂板下沉量越大。而基本頂的斷裂步距是通過綜放采場基本頂在周期來壓時的斷裂模式和周期來壓步距確定的。因此，基本頂的斷裂步距與采高、直接頂厚度、周期來壓步距、放出率、直接頂碎脹系數有關，間接指導不放頂煤距離。

圖5 基本頂位置不同時沿空巷道圍巖變形效果圖

圖6 基本頂斷裂步距不同時沿空巷道圍巖變形效果圖

4 結語

通過分別模擬不同因素對沿空留巷圍巖變形特征的影響，得出2302工作面沿空留巷各技術參數：充填體強度8MPa，充填體寬度2.5～3m，不放頂煤距離12m以上。同時，分析了基本頂特征對沿空圍巖變形特征的影響，基本頂距煤層15m時，沿空巷道兩幫都有鼓幫現象，但鼓幫量較小，基本頂斷裂步距為25m時沿空巷道兩幫變現不明顯。

［1］ 錢鳴高，李鴻昌.采場上覆巖層活動規律及其對礦山壓力的影響［J］.煤炭學報，1982（2）：1－12.