堅硬頂板條件下厚煤層沿空留巷最優(yōu)巷高參數(shù)研究

張建超，楊 森

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

沿空留巷是實現(xiàn)煤炭資源安全、高效開采的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是對于高瓦斯厚煤層，沿空留巷能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯共采[1-3]。近年來，隨著我國西部厚煤層開采量增加，厚煤層沿空留巷成為1個研究熱點，薛俊華[4]等利用數(shù)值模擬方法，分析了厚煤層沿空留巷過程中沿空巷道圍巖應(yīng)力變化。華心祝[5]等通過分析沿空留巷過程中煤體自身承載作用和巷內(nèi)支護對留巷體系穩(wěn)定性的影響，建立了考慮相應(yīng)因素的力學(xué)模型。謝生榮[6]等通過利用UDEC數(shù)值模擬，提出了巷旁、巷內(nèi)聯(lián)合支護方法。韓昌良[7]等通過分析大采高沿空留巷側(cè)向頂板的運動特點，提出了大采高沿空留巷“頂-墻-底”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)。馮吉成[8]等運用理論分析和數(shù)值模擬方法，確定了深井大采高沿空巷道采空側(cè)留設(shè)煤柱的合理寬度。許永祥[9]通過數(shù)值模擬，分析了采用高預(yù)應(yīng)力錨固支護對大采高沿空留巷穩(wěn)定性的影響。張東升[10]等根據(jù)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究了采用空間錨栓加網(wǎng)技術(shù)對留巷體系圍巖變形的控制效果。謝文兵[11]采用數(shù)值模擬分析方法，對厚煤層綜放開采沿空巷道圍巖移動規(guī)律進行研究。姚亞虎[12]等提出了卸壓爆破和圍巖強化相結(jié)合的堅硬頂板沿空留巷控制技術(shù)煤層沿空留巷技術(shù)進行了研究。王永志[13]利用數(shù)值軟件對堅硬厚層頂板下沿空留巷穩(wěn)定性問題進行了研究。池秀文[14]等對堅硬頂板在薄煤層眼沿空留巷問題進行了研究。這些研究成果對提升厚煤層沿空留巷技術(shù)有著重要的意義。

但是從整體上講，厚煤層特別是堅硬頂板下厚煤層沿空留巷技術(shù)在我國還未取得廣泛的應(yīng)用，對工程實際中存在的一些問題未能進行科學(xué)的解釋。同時現(xiàn)有的研究多數(shù)集中在對厚煤層或堅硬頂板單一工程環(huán)境下的沿空留巷問題進行研究，較少對堅硬頂板下厚煤層復(fù)雜環(huán)境下沿空留巷問題進行研究。特別是堅硬頂板下厚煤層沿空留巷合理巷高方面的研究較少，出現(xiàn)了由于留巷高度不合理造成的留巷失敗、煤炭資源采出率低等問題。因此對堅硬頂板下厚煤層沿空留巷合理留巷高度問題進行研究能夠為相似條件下的沿空留巷留巷高問題提供理論借鑒，從而提升該種工程條件下留巷體系的穩(wěn)定性和安全性。

1 工程概況

沿空巷道所在工作面埋深在470～550 m之間，平均埋深為515 m，留巷所屬工作面長度為230 m，煤層平均厚度在6.5 m，屬于厚煤層，傾角在3°~7°之間，平均傾角為5°，賦存條件較為簡單，工作面采用綜采方法。留巷區(qū)域煤層基本頂為6 m厚的細砂巖，堅固性系數(shù)f=8，直接頂為粗砂巖，平均厚度為2 m，堅固性系數(shù)為6，從整體上看，沿空留巷所在區(qū)域?qū)儆趫杂岔敯搴衩簩印Ｏ锏涝诰蜻M完成后立即進行錨網(wǎng)索支護。巷旁充填體系采用鋼筋混凝土，充填墻體寬度3 m。根據(jù)開采要求，留巷寬度4 m。

2 厚煤層沿空留巷覆巖運動與破斷特征

根據(jù)已有研究，采用關(guān)鍵層理論對沿空留巷頂板破斷進行分析是合適的。對于堅硬頂板下厚煤層沿空留巷來講，最主要的關(guān)鍵層為煤層基本頂。沿空巷道上方側(cè)向頂板破斷過程如圖1。

自開切眼至回采過程中，首先在采空區(qū)及工作面前方的煤體上方，基本頂出現(xiàn)斷裂，形成平行斷裂線A1和A2。同時工作面兩側(cè)短邊方向也產(chǎn)生斷裂，形成斷裂線B1和B2，隨著破斷頂板在沿空留巷側(cè)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，形成斷裂線C，與前期形成的斷裂線貫通，在沿空巷道上方形成弧形三角塊。隨著工作面回采的進行，在沿空巷道上方形成一系列弧形三角塊。因此對沿空留巷體系來講，側(cè)向弧形三角塊的破斷與運動對留巷體系的穩(wěn)定性有著重要的影響。研究表明，沿空留巷側(cè)向頂板在煤層上方側(cè)向弧形三角塊斷裂位置位于沿空留巷煤幫彈塑性交界位置。對于厚煤層沿空留巷，煤體彈塑性交界位置與沿空巷道煤體側(cè)的距離X0可以按照式(1)進行計算[15]。

圖1 沿空留巷側(cè)向頂板破斷過程

式中：h為采高；C、φ為煤層與頂板巖層的交界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角；α為煤層傾角；px為煤幫的支護阻力；λ為沿空巷道所在區(qū)域的側(cè)壓系數(shù)；H煤層埋深；ρ為煤層上方巖層的平均密度；K為應(yīng)力集中系數(shù)。

從上式可知，在同一工程環(huán)境當中，煤體上方弧形三角塊的斷裂位置距沿空巷一側(cè)的距離隨著采高的增加呈現(xiàn)線性增長。當采高過大時，弧形三角塊的斷裂位置距離巷道表面較遠，使得沿空巷道位于采空側(cè)頂板下方，巷道穩(wěn)定性大大降低。因此堅硬頂板厚煤層沿空巷道，合理的采高將降低沿空巷道變形量，提升留巷成功率。

3 不同采高條件下沿空巷道圍巖承載與變形特征

3.1 數(shù)值計算模型建立

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，利用FLAC3D模擬軟件建立計算模型。模型的尺寸為長×寬×高=200 m×100 m×44 m，模型各巖層屬性見表1。模型計算采用摩爾-庫倫屈服準則，上方施加12.5 MPa的垂直應(yīng)力，除上邊界以外，其它邊界固定。數(shù)值模擬中留巷的高度分別為 3.0、4.0、4.5、5.0、6.0 m，巷道高度與采高相同，巷道沿頂板掘進。

3.2 不同采高下沿空巷道圍巖承載特征

3.2.1 留巷頂板垂直應(yīng)力

不同采高條件下基本頂垂直應(yīng)力分布如圖2。由圖2可知，采高從3.0 m增加至6.0 m時，基本頂中的垂直應(yīng)力分布趨勢基本相同。但是隨著采高的增加，巷道正上方基本頂中的垂直應(yīng)力逐漸降低，而煤幫上方基本頂中最大垂直應(yīng)力沒有發(fā)生明顯變化，但是高應(yīng)力集中區(qū)距離巷道表面的距離從2.0 m增加至7.0 m。以上分析表明：當采高增加時，沿空巷道上方側(cè)向頂板破斷位置發(fā)生了明顯變化，從而造成沿空留巷上方基本頂垂直應(yīng)力發(fā)生變化。

表1 數(shù)值模擬模型各層巖層特征

圖2 不同采高下頂板垂直應(yīng)力

3.2.2 充填體垂直應(yīng)力

充填體內(nèi)部垂直應(yīng)力如圖3。由圖3可知，充填體中的最大垂直應(yīng)力和高應(yīng)力承載區(qū)域范圍隨著采高的增加而減小。且當采高超過4.5 m時，充填體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，充填體受力更加均勻，充填體的穩(wěn)定性提升。這表明當采高增加至合理高度（4.5 m）時，留巷上方側(cè)向頂板斷裂位置比較合理，沿空留巷上方頂板受力均勻，從而降低了由于側(cè)向頂板下沉在煤幫和充填體中形成的高應(yīng)力集中程度。

圖3 充填體內(nèi)部垂直應(yīng)力

3.3 不同采高下沿空巷道圍巖變形特征

3.3.1 沿空巷道頂板下沉量和底鼓量

不同采高下頂板下沉量和底板鼓起量如圖4。由圖4可知，當采高達到合理高度時頂板下沉量較小且底鼓量均迅速降低。當采高由4.5 m增加至5.0 m和6.0 m時，頂板下沉量為均為0.70 m，增加了0.18 m，底鼓量分別為0.04 m和0.02 m。表明采高達到合理采高（4.5 m）時沿空巷道頂板下沉量和底鼓量均較小，頂板底板圍巖體系較為穩(wěn)定。當采高超過合理采高時，頂板下沉量迅速增加，巷道有效使用高度迅速降低。

圖4 不同采高下頂板下沉量和底板鼓起量

3.3.2 沿空巷道煤幫和充填體側(cè)向位移

不同采高下煤幫和充填體側(cè)向變形如圖5。由圖5可知，當采高為4.5 m時，煤幫和充填側(cè)向位移基本不發(fā)生變化，均在0.10 m和0.30 m左右。當采高由4.0 m增加至4.5 m時，充填體側(cè)向位移為0.5 m，增加量了0.2 m，煤幫側(cè)向位移為0.18 m，增加了0.06 m。當采高增加至6.0 m，煤幫側(cè)向位移迅速增加至0.3 m。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是當采高超過某一值時，充填體和煤幫的穩(wěn)定性降低，在承受較小的荷載時即產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致留巷體系整體穩(wěn)定性降低。

3.3.3 巷道斷面收縮率

變形穩(wěn)定后巷道收縮率如圖6。由圖6可知，沿空巷道的斷面收縮率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。采高從3.0 m增加至4.5 m時，巷寬收縮率從20%降低為15%，巷高收縮率未發(fā)生明顯的變化，均在12%左右，整個巷道斷面收縮率從27%降低為18%。當采高從4.5 m增加至6.0 m，巷寬收縮率略微降低，但巷高收縮率明顯增加，從12%增加至22%，整個巷道斷面收縮率迅速增加，達到27%。從以上分析可知，當采高在4.5 m時整個巷道的斷面收縮率最小，巷道有效使用率最高。

圖5 不同采高下煤幫和充填體側(cè)向變形

圖6 變形穩(wěn)定后巷道收縮率

4 工程實踐

充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力如圖7。由圖7可知，在工作面回采期間，在工作面后方110 m范圍內(nèi)，巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為0.55 m，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，底板最大底鼓量為0.22 m，大于數(shù)值模擬的最大底鼓量。巷道煤幫和充填體的最大側(cè)向位移分別為0.25 m和0.26 m，其中煤幫側(cè)向位移大于數(shù)值模擬結(jié)果。但從總體上看，采高4.5 m時巷道變形穩(wěn)定后，巷道最小斷面能夠滿足生產(chǎn)要求，整個區(qū)域未出現(xiàn)由于大變形而造成的巷道失穩(wěn)。充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力如圖8，由圖8可知，在監(jiān)測期內(nèi)充填體內(nèi)部垂直應(yīng)的最大垂直應(yīng)力位于巷道中間位置，為32 MPa，與模擬結(jié)果相近。

圖7 巷道變形曲線

圖8 充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力

5 結(jié)論

1）在堅硬頂板厚煤層條件下，留巷高度對頂板側(cè)向斷裂位置有重要影響，合理的采高能夠提升沿空留巷體系的穩(wěn)定性。經(jīng)數(shù)值模擬研究，確定某礦6 m厚煤層的最優(yōu)巷高為4.5 m。

2）堅硬頂板厚煤層沿空留巷存在最優(yōu)巷高。最優(yōu)巷高下，沿空巷道圍巖應(yīng)力集中度降低，巷道變形穩(wěn)定后巷道斷面收縮率最低，留巷成功率高。

3）工程實踐表明，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬確定的沙曲礦堅硬頂板條件下厚煤層沿空留巷的最優(yōu)巷高為4.5 m。在該巷高參數(shù)下，留巷體系的整體變形量較小，留巷體系穩(wěn)定性和留巷成功率大大提升，滿足了礦井安全、高效生產(chǎn)的需要。