沿空留巷預制充填采空區數值模擬研究

李曉明

（西山煤電（集團）有限責任公司， 山西 太原 030053）

近些年來，隨著工業化發展的不斷加速，能源的消耗量逐年增大，我國開始綠色能源使用，如風能水能的大力開發也逐步成為我國能源消耗的目標。但由于我國的綠色能源并不能完全滿足我國生產的需求，煤炭資源仍是我國目前為止最大的能源消耗。考慮到我國煤炭資源的不斷開采，能源消耗過快，我國提出高產量和高品質的煤炭開采[1]。沿空留巷技術可以較好的減小巷道的掘進量，增大煤礦的出煤率。但沿空留巷采空區的上覆巖層受到工程擾動會對工作面造成較大的沖擊，造成工作面開采的安全隱患[2，3]。眾多學者對此類問題作出了一定的研究對沿空留巷的上覆巖層進行切頂卸壓。本文通過對沿空留巷的巖層進行預制斷裂角度的數值模擬研究[4]，分析了不同斷裂角度下的巷道頂板和沿空留巷采空區側的上覆巖層下沉情況，給出了比較合理的斷裂角度設計值，并研究了利用沿空留巷的巖體垮落填充采空區，增加了巷道穩定性，為沿空留巷的采空區上覆軟弱巖層受工程擾動造成的問題提供了一定的技術指導和理論指引。

1 沿空留巷建模過程

受到工作面煤層的開采影響，巷道的變形量增大，上覆巖層的結構發生下沉。由于沿空留巷一般位于采空區的周邊，巷道的上覆巖層從下向上依次發生垮落，造成巷道的圍巖周期來壓。在巖層的多次垮落后，巷道的圍巖受到擾動強度直線下降，造成沿空留巷的長久變形。煤層的傾角不同施行斷頂填充沿空留巷會有著不同的規律。研究更高位的上覆巖層斷裂規律對巷道頂板斷裂充填沿空留巷的圍巖變形機理有著重要的作用。

巷道的上覆巖層是由泥巖和砂質泥巖為主要成分的軟弱巖層，此類巖層的強度低，巖層的承載能力較弱，受到開采工作面的工程擾動，巖體發生破碎，維護較為困難，在進行工作面推進后，較弱的巖層不會出現大面積的懸頂，發生及時垮落。本文利用離散元模擬軟件3DEC 對巷道的頂板的運動作出一定的研究。根據現場的巖層特性進行二維數值模型建模，模型的長度為80 m，模型高度32.5 m，開采的厚度為2 m，煤層的平均埋深為200 m。圖1 為轉化的斷裂巖體充填沿空留巷的開采系統示意圖。

圖1 開采系統巷道布置示意圖

因為煤層的埋深達到了200 m，上覆巖層的平均密度為2 500 kg/m3，計算可得模型的上覆巖層的載荷為5 MPa，對模型的上邊界的施加5 MPa。模型的使用摩爾-庫倫準則作為模型的屈服準則，準則如下：

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；c為巖石的粘結力；α 為巖體的內摩擦角。當f＞0 時，材料的內部會發生剪切破壞現象。摩爾-庫倫屈服極限準則可以較好的對巖石內部的結構破壞進行監測。對模型進行網格參數進行設置，第一層為砂質泥巖彈性模量為6.5 GPa，剪切模量8.6 GPa，抗壓強度為2.1 MPa，內聚力為1.2 MPa，內摩擦角為32°。第二層為煤層，煤層的彈性模量為1.5 GPa，剪切模量2.0 GPa，抗壓強度為1.2 MPa，內聚力為0.9 MPa，內摩擦角為24°，依次對模型的各層屬性進行設置，設置完成的模型網格圖如圖2 所示。

圖2 離散元模型示意圖

2 模擬結果分析

對軟弱頂板進行預裂，受到周期來壓和上層巖體彎曲載荷作用下，軟弱巖層發生垮落，隨后上層巖層發生斷裂。上覆巖層的垮落會對巷道造成巨大的沖擊載荷，所以對頂板進行預裂。本文設定斷頂線向工作面的偏轉方向為正向，設定偏轉角為-5°、0°、5°三種，研究不同的斷頂線下的厚煤層軟弱頂板的垮落機理，沿空留巷的巖層垂直方向的位移圖如圖3所示，其中棕色的點為塊體間的滑移面。

圖3 不同斷裂角度下頂板垮落圖

當斷頂角為-5°時，隨著工作面進行推進時，由于斷裂線偏向巷道方向，所以上覆巖層會向著采空區發生一定的彎曲，由于頂板會對上覆巖層的軟弱巖層起到一定的支撐力，軟弱巖層隨著工程的擾動和工作面的推進下沉量明顯增大，頂板由于載荷增大使得巷道的頂板發生離層現象，且離層現象明顯增大。當斷頂角為0°，斷裂線會切斷沿空留巷和采空區頂板的聯系，在采空區的上覆巖層發生垮落的過程中，巷道與采空區頂板和沿空留巷會產生的一定的摩擦力，采空區的頂板由原先的固結結構改變為了鉸接，倆者間的摩擦力會對沿空留巷的采空區側發生一定的磨損現象。當斷頂角為5°時，由于采空區的頂板與沿空留巷的頂板的連接較好的發生了切斷，隨著工作面的推進，阻隔了沿空留巷的上覆頂板發生垮落后對巷道的圍巖造成的沖擊，斷裂線的偏轉方向朝著采空區，所以沿空留巷的垮落頂板會對巷道的采空區起到很大的支撐作用，很好的保證了巷道的穩定性，保障了工作面員工的安全。

厚煤層軟弱頂板發生垮落填充沿空留巷取決于煤層的彎曲和垮落的劇烈程度，對沿空留巷的圍巖變形與采空區巖層垮落進行一定的分析，通過對上覆巖層的位移的到巖層的運動和變形進行研究。圖4 為煤層的頂板下沉量、巷道的頂板和采空區頂板的下沉量關系。

圖4 沿空留巷周邊頂板的下沉曲線

根據圖4 可以看出，當斷頂角為-5°時，隨著工作面的推進，沿空留巷的采空區跨落后對巷道的圍巖具有一定的擠壓作用，當計算步數在2 500 步以下時，巷道和采空區側的下沉量持續增大，最大的下沉量分別達到了950 mm 和1 700 mm，當計算步在2 500～4 000 的過程中，由于采空區的巖層發生垮落，載荷明顯減小，下沉量明顯趨于穩定，可知切頂后的采空區側的巖層與沿空留巷的頂板間產生鉸接作用。當斷頂角為0°時，實體煤側的上覆巖層的最大下沉量達到了200 mm，對比斷頂角為-5°時的實體煤側的上覆巖層的最大下沉量降低了200 mm，考慮到軟弱頂板在發生垮落時與沿空留巷的頂板發生一定摩擦，巷道的頂板與采空區頂板沒有形成鉸接結構，發生下沉垮落。巷道和采空區側的下沉量與斷頂角為-5°的下沉量無明顯的區別，最大的下沉量分別達到了850 mm 和1 700 mm。當斷頂角為5°時采空區側的頂板下沉量明顯較為平穩，呈現出一次函數的趨勢，采空區的頂板垮落對巷道的頂板有著明顯的支護作用，巷道的頂板下沉量明顯下降，最大下沉量減小到了350 mm，較斷裂角-5°的下沉量900 mm和斷裂角0°的850 mm 有著明顯的下降，保證了巷道的正常使用。

3 結論

1）根據斷頂角為-5°、0°、5°的模擬研究發現，當斷頂角為5°時，沿空留巷頂板與采空區側的頂板的連接被切斷，阻隔了采空區的垮落對巷道圍巖的沖擊。

2）斷頂角為5°時，沿空留巷的變形量明顯較小，且切頂后沿空留巷的承載能力明顯增強，完整性明顯更好，更好地保證了沿空留巷的使用。

3）根據沿空留巷周邊頂板的下沉曲線研究可以發現，隨著斷頂角從-5°到0°然后到5°的不斷增加，巷道頂板的下沉量逐漸減少，實體煤側的上覆巖層的下沉量也從400 mm 降低到了150 mm，沿空留巷側的巖層垮落有效的支護了巷道頂板的穩定性。