綜放開采沿空留巷圍巖變形特征

魏 飛

(山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037104)

0 引言

無煤柱開采技術自被推廣以來往往作為最優方案進行應用，它的提出成功解決了窄煤柱護巷過程中巷道維護困難、維護成本高等問題，同時寬煤柱護巷過程中優質資源被遺棄浪費的問題也得到了極大改善。而沿空留巷作為無煤柱開采的主要技術之一又因其資源回收率高，通風效果良好等優點更是被廣泛應用。但是在應用過程中留巷圍巖變形量大使巷道返修工程量大、維護費用高，嚴重制約了礦井高效生產，科技工作者也就此開展了大量的科研工作。謝文兵等[1-2]通過運用數值模擬對綜放工作面留巷圍巖的應力分布及變形規律進行了研究，得到了頂板、煤幫及支護體的變形演化特征，并提出基本頂斷裂導致關鍵塊發生運移是留巷圍巖變形的根本原因。馬立強[3]通過對綜放工作面沿空留巷圍巖力學模型的推導建立，對巷道變形機制從理論上進行了闡釋，并對圍巖穩定性進行了評價。侯朝炯等[4-6]通過礦山監測數據對留巷前、中、后不同時期的變形特征進行總結分析，并結合所得結果建立了不同時期留巷圍巖的結構模型。王紅勝等[7]分析巷道圍巖變形規律，認為沿空巷道其基本頂斷裂是其產生大變形的根本原因，并將基本頂斷裂形式根據不同情況劃分成四類。孫恒虎等[8]基于彈塑性力學理論對留巷頂板進行了簡化，建立了頂板運動力學模型。李勝、王曉虎等[9-10]利用關鍵層理論對頂板下沉模型進行推導建立，給出了沿空留巷圍巖穩定性的判別準則。在沿空留巷圍巖變形機制研究及控制方面盡管已經卓有成效，但受煤礦復雜地質環境影響，巷圍巖變形機制至今尚未形成共識，仍需對其進行深入研究。因此，以山西鋪龍灣煤業有限公司4102綜放工作面為工程背景，從理論層面分析綜放開采沿空留巷圍巖大變形機理，結合數值模擬對沿空留巷圍巖變形特征進行研究，以期保證礦井正常生產工作，并能為相似條件礦井提供技術參考。

1 工程地質概況

4102綜放工作面地面標高+1 376.2～+1 408 m，井下標高+1 120～+1 140 m，平均埋深256 m，工作面走向長1 195.5 ～1 214.1 m，平均長1 204.8 m，傾向長148.5 m，平均煤厚為5.38 m，傾角1°～4°，平均3°，為近水平煤層，煤層結構簡單，性質穩定。直接頂為15.37 m的中、細砂巖，普氏系數為8，老頂為12.28 m的粗、中砂巖，普氏系數為7.7，屬堅硬頂板，直接底為泥巖，厚1.3 m。該工作面巷道支護形式為錨桿錨索金屬網聯合支護，在工作面回采前對留巷預先進行加固。巷旁充填體寬度為3 m，材料選擇高強度膏體充填材料，并在充填體兩側布設鋼筋進行加固處理。

2 沿空留巷圍巖變形理論分析

2.1 沿空留巷圍巖大變形機理分析

力學模型：根據礦壓理論，隨工作面推進，基本頂發生斷裂，形成規則塊體依次塌落形成“砌體梁”結構，即在留巷上方形成關鍵塊[12]，相鄰塊體間發生相互作用并形成水平推力。依據4102綜放工作面實際地質采礦條件建立力學模型，如圖1所示，將關鍵塊分別命名為塊體A、B、C[13]。

變形過程：在成巷初期，推采距離小，基本頂未發生破斷，巷旁支護體僅承擔上方直接頂及其控制區域覆巖重力。當工作面推進至某一距離，基本頂發生破斷，出現關鍵塊結構，由于關鍵塊B長度較大，隨塊體的運動不斷發生回轉變形，致使下方沿空留巷圍巖承載力升高且變形量不斷增大，直到塊體B觸矸后，巷道變形最終達到穩定。此時，從下一工作面到采空區范圍內形成7個大小不等的應力區，而留巷位置受塊體B回轉影響由原低值應力區轉變為較高應力區，特別是在巷旁支護體處出現了小幅度應力集中現象，由此巷旁支護體在較大載荷影響下發生大變形，高度及強度有所下降，留巷圍巖也隨著發生較大變形。

2.2 巷旁充填體支護阻力力學計算

隨工作面開采，堅硬頂板巖層狀態不斷發生變化，巷旁充填體支護阻力隨頂板巖層狀態變化不斷變化，因此在進行支護體寬度設計時需對頂板應力狀態充分考慮，分別從支護初期及支護后期兩個時段計算巷旁充填體支護阻力。

支護初期：在沿空留巷初期，基本頂由于下位巖體能夠提供有效支撐尚未發生破斷，充填支護體僅支撐附近破斷直接頂，此時受力情況如圖2所示，計算見式(1)

圖2 支護初期充填體力學模型

(1)

式中：PZ1—充填體支護阻力，MPa；x0—實體煤支撐段，一般取巷道寬度4倍，m；c—巷道寬度，m；m—煤層厚度，m；n—采高倍數；γ0—直接頂巖石容重；a1—充填體寬度，m。

支護后期：當控頂范圍達到一定程度，基本頂發生破斷，此時支護體外側支撐阻力增大，此時受力簡圖如圖3所示，支護阻力求解見式(2)。

圖3 支護后期充填體力學模型

(2)

式中：Pq—切頂阻力，MPa；h—直接頂厚度，m；Nc—空區側剪應力，MPa；t0—回轉時間，h；δy—煤體支護阻力，MPa；Tc—沿巖層方向的推力，kN；ΔSB—基本頂跨落前懸臂梁前端下沉量，m；q0—直接頂單位長度自重；a2—充填體寬度，m。

3 沿空留巷圍巖應力分布規律及變形特征

3.1 數值模型的建立

模型參數：基于FLAC3D建模原理，根據所選區域采礦地質條件，建立如圖4所示的數值模型，模型的幾何尺寸為400 m×1 300 m×300 m(長×寬×高)，模擬地層主要參數為：煤層厚5.38 m，埋深256 m，充填體寬度為3 m。根據計算分析的需要，同時考慮計算效率，對巖層厚度及性質進行了適當的簡化；選取的巖層傾角較小，因此在進行建模分析時，巖層按照水平布置；在網格進行劃分時采取了非均勻劃分，在煤層及其頂底板附近網格劃分較為密集，遠離煤層的巖層網絡劃分較為稀疏。模型建立后，模型頂部為自由面，在水平方向的4個邊界施加水平方向的位移約束，并限制底部垂直方向位移。

圖4 數值模型

力學參數：本次數值模擬采用模型為庫倫-摩爾模型。模擬過程中模型各層位巖性的力學參數來自現場試樣進行室內力學試驗后獲得的參數，主要包括密度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內摩擦角、抗拉強度等，具體取值見表1。

3.2 圍巖應力分布規律

垂直應力曲線：通過提取充填體不同時段的垂直應力曲線，如圖5所示。發現在支護初期巷旁支護體垂直應力為1.5 MPa，隨時間推移，垂直應力出現先升高當垂直應力達到3.22 MPa后下降的現象，當應力達到2.75 MPa時，基本不再發生變化。

表1 各巖層巖性參數

規律分析：由此可知在支護初期充填體能夠較好地發揮支護能力，支護效果良好，當基本頂發生斷裂后，支護體承擔的重量增加，其垂直應力增加。由于支護體本身強度并不高，隨支護阻力增加，支護體被壓縮承載能力下降，但隨著上覆巖層觸矸其支護阻力不再發生變化。

圖5 巷旁支護體應力-時間曲線

3.3 圍巖變形特征

巷旁支護體最終水平變形云圖，如圖6所示。并進一步通過對充填體水平位移觀測點數據進行提取，如圖7所示。可以看出，巷旁支護體、實體煤幫均向巷道移進，但巷旁支護體向兩側發生鼓脹，巷幫移進更為顯著，最終其變形量分別達到0.57 m、0.13 m，且其變化趨勢與支護體時間-應力曲線變化趨勢相吻合，隨承載覆巖重力增加，圍巖水平移進速率大幅提高，當關鍵塊觸矸穩定后，變形速率逐漸減小直至穩定。

圖6 巷道圍巖x向水平位移云圖

圖7 巷道兩幫x向水平位移-時間曲線、巷旁支護體應力-時間曲線

4 結論

(1)從理論層面分析了沿空留巷圍巖大變形發生機理，發現關鍵塊體B斷裂回轉使留巷位置由低值應力區變為高值應力區，從而致使圍巖發生大變形，同時分別從支護初期及支護后期兩個時段建立了巷旁充填體受力模型。

(2)運用FLAC3D模擬軟件研究分析了留巷圍巖的應力分布規律及變形特征，結果表明在支護初期巷旁支護體支護效果良好，垂直應力為1.5 MPa，水平位移極小；隨著基本頂發生斷裂后，巷道圍巖承擔的重量增加，其垂直應力增加，達到3.22 MPa，變形速率也達到最大；隨著上覆巖層觸矸，巷道圍巖垂直應力穩定在2.75 MPa，最終巷道兩幫變形量分別達到0.57 m、0.13 m。