綜采沿空留巷無煤柱開采技術(shù)研究

摘 要：沿空留巷無煤柱開采屬于綠色開采技術(shù)，是目前圍巖控制研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文分析了錨噴+立柱+橫梁支護(hù)方式下圍巖位移隨巖體完整程度（龜裂系數(shù)）的變化特征，研究了工作面回采過程中圍巖的變形規(guī)律。

關(guān)鍵詞：綜合開采 沿空留巷 應(yīng)力 變形 龜裂系數(shù)

1 引言

目前，在沿空留巷技術(shù)方面，大量學(xué)者已經(jīng)開展了大量的研究。侯朝炯等[3]認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度是沿空巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，提出了沿空留巷的穩(wěn)定性原理；繆協(xié)興[4]基于以有限變形力學(xué)理論，分析了不同支護(hù)方式對沿空軟巖巷道的影響規(guī)律；張農(nóng)等[5]分析了開采區(qū)側(cè)圍巖的應(yīng)力傳遞特征，總結(jié)了“三位一體”的無煤柱沿空留巷技術(shù)。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文分析了錨噴+立柱+橫梁支護(hù)方式下圍巖位移隨圍巖完整程度（龜裂系數(shù)）的變化特征，研究了工作面回采過程中圍巖的變形規(guī)律。本文的研究成果可為近似地質(zhì)條件的沿空留巷提出強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1 工程概況

以某礦的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)開展綜采沿空留巷無煤柱技術(shù)研究，其15#煤的地層基本參數(shù)如表1所示，其中14#煤層厚度較薄且含硫量較大不適宜開采。目前主采煤層為15#煤層，15#煤共三層，總平均厚3.67m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自下而上有兩層夾石，總平均厚度3.22m，煤質(zhì)較好，節(jié)理發(fā)育。

2.2 模型基本參數(shù)

15#號煤層及頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果如表2所示。分別考慮圍巖強(qiáng)度龜裂系數(shù)q為1，0.8，0.5和0.3建立圍巖體模型。模型長83.7 m，寬50 m，高為33.53 m，共有155800個(gè)三維單元，164934個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示。采用錨噴+立柱+橫梁的支護(hù)方式（圖1b），兩幫采用Ф20 mm×2.2 m錨桿支護(hù)，間距800 mm，排距850 mm，采空區(qū)一側(cè)增加Ф150 mm立柱支護(hù)，頂部采用Ф18 mm×1.8 m錨桿+Ф17.8 mm×7.2 m錨索+橫梁支護(hù)，錨桿間距和排距均為850 mm，兩排錨桿間加錨索支護(hù)，間距2000 mm，排距850 mm。

數(shù)值模擬的計(jì)算流程如下：

第1步：建立考慮巖層分布、巷道與開采面間距等的數(shù)值模型；

第2步：考慮不同的龜裂系數(shù)q，然后對模型進(jìn)行加壓和自重應(yīng)力場計(jì)算；

第3步：一次性開挖巷道，并對其頂層和兩幫進(jìn)行支護(hù)，然后計(jì)算至平衡；

第4步：對煤層開采工作面前方20m的巷道進(jìn)行立柱和橫梁預(yù)支護(hù)施工；

第5步：每次將煤層開采工作面向前方推進(jìn)1m，研究工作面前方巖層的支撐應(yīng)力分布以及附近巷道的頂板和幫部收斂變形情況。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 龜裂系數(shù)對圍巖變形的影響規(guī)律

評價(jià)巖體質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)包括普氏系數(shù)法、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD法）、彈性波速分類（龜裂系數(shù)法）、巖石地質(zhì)學(xué)分類（RMR法）等[6]，本文選用了適用于巖體變形分析的龜裂系數(shù)法來分析巖石強(qiáng)度對無煤柱沿空巷道變形的影響規(guī)律，通過龜裂系數(shù)q改變模型中圍巖的體積模量和剪切模量，q取值分別為1、0.8、0.5和0.3。

不同龜裂系數(shù)下，開采面前方煤體的豎直應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，即前方煤體豎直應(yīng)力沿采面推進(jìn)方向呈“單峰”形分布，煤體在距開采面約2.5 m處出現(xiàn)豎直應(yīng)力最大值。

當(dāng)煤層開采工作面向前推進(jìn)了30 m后，圖3給出了沿開采面推進(jìn)方向，不同龜裂系數(shù)下巷道頂板和右?guī)椭行膸r體的變形分布曲線。

3.2 采面推進(jìn)對圍巖變形破壞的影響

（1）采面前方煤體的豎直應(yīng)力分布

隨著采面的向前推進(jìn)，開采工作面前方煤體的豎直應(yīng)力也雖呈“單峰”形分布，其峰值應(yīng)力一般出現(xiàn)在工作面前方3～5 m處，但其峰值應(yīng)力卻變化較大，引起這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋洪_采后方頂板巖體一端“懸空”，一端固定于開采面煤體，類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此工作面向前推進(jìn)過程中，后方頂板巖體的懸空長度隨之增大，導(dǎo)致開采面前方煤體峰值點(diǎn)應(yīng)力將逐漸增大；當(dāng)懸空長度達(dá)到一定程度時(shí)，開采面附近煤體將達(dá)到承載極限值，此時(shí)，前方煤體峰值應(yīng)力最大；如繼續(xù)推進(jìn)，則懸空長度會繼續(xù)增大而引起工作面附近煤體發(fā)生屈服或失穩(wěn)，煤體應(yīng)力得到一定釋放，此時(shí)，峰值應(yīng)力反而減小。因此，隨著開采工作面的向前推進(jìn)，工作面前方煤體的峰值應(yīng)力將呈先增大又減小的變化規(guī)律。

（2）巷道頂板巖體的變形分布

開采工作面不同推進(jìn)長度時(shí)巷道頂板巖體的沉降曲線如圖5所示。

隨著采面推進(jìn)距離的增大，采面前方巷道頂板巖體變形變化不大，但后方頂板巖體變形則逐漸增大；當(dāng)采面推進(jìn)距離小于24 m時(shí)，采面后方巷道頂板巖體變形增長速率相對減小，但當(dāng)采面推進(jìn)距離大于24 m時(shí)，采面后方巷道頂板巖體變形增長速率開始急劇增長，說明此時(shí)采面后方頂板巖體懸空長度達(dá)到極限，出現(xiàn)周期來壓，頂板發(fā)生垮落。

4 結(jié)論

本文分析了工作面回采過程中沿空巷道圍巖的應(yīng)力和位移特征，研究了圍巖應(yīng)力和位移隨巖石完整程度的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）沿空巷道圍巖的應(yīng)力特征與龜裂系數(shù)無關(guān)；而圍巖變形量隨龜裂系數(shù)的減小而增大，與龜裂系數(shù)q=1.0相比，q分別為0.8、0.5和0.3時(shí)頂部巖體最大變形分別增大了約60%、200%和500%。

（2）不同工作面推進(jìn)距離的條件下，圍巖的豎直應(yīng)力隨距工作面距離呈現(xiàn)出了“單峰”形分布，其峰值應(yīng)力先增大后減小，在24 m處達(dá)到最大值。

（3）巷道大變形主要出現(xiàn)在工作面后方，且當(dāng)采面推進(jìn)距離大于24 m時(shí)，采面后方巷道頂板巖體變形增長速率急劇增長。

參考文獻(xiàn)：

[1] 錢鳴高， 許家林， 王家臣. 再論煤炭的科學(xué)開采[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2018（1）.

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[3] 黃志丹. 沿空留巷技術(shù)在綜采工作面條件下的應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 科研， 2016（12）：00001-00001.

作者簡介：侯廣志（1983-），男，河南省延津縣，山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍關(guān)煤業(yè)有限公司 研究方向：采礦工程。