沿空留巷圍巖變形規律及充填體穩定性分析

李建強

(山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048000)

隨著我國煤炭科學技術的發展，沿空留巷無煤柱開采技術成為煤礦安全高效生產的主要研究領域。沿空留巷技術可以減少巷道掘進工程量，提高煤炭資源回收率，同時也能優化采面通風方式，降低瓦斯積聚風險[1-2]。但由于留巷經歷了兩次采動影響，其圍巖變形劇烈，尤其是充填體在頂板結構運動中極易發生失穩。為準確掌握沿空留巷圍巖變形發生機制，本文以山西華潤大寧礦111-203工作面為背景，采用理論和有限元分析方法研究沿空留巷圍巖變形力源及應力場分布，并現場監測留巷充填體變形情況，分析充填體在采動影響下的穩定性。

1 基本概況

山西華潤大寧礦111-203綜采面位于二采區東部，南北長1 444.5 m，東西寬244.5 m。工作面東部為已回采的111-202綜采工作面，西部為待準備的111-204綜采工作面，南部為二采區回風巷，北部為停采線及二采區的1、2、3號橫巷。工作面主采3號煤層，煤層埋深217.1～447.8 m，平均埋深415 m，其頂底板煤巖力學性質如表1所示。

表1 工作面頂底板煤巖力學參數

111-203綜采工作面2401巷從31橫貫開始實施沿空留巷工程，長度約1 416 m，留巷巷寬為1.5 m，留巷巷高為實際成巷高度。根據沿空留巷設計方案，充填墻采用高水材料留設，材料水灰比為1.5∶1，充填體規格為：長×寬×高=4 m(3 m、2 m)×1.2 m×3.5 m。沿空留巷施工過程見圖1所示。本工作面實行區段留巷施工，遇橫貫后進行充填封閉，防止工作面乏風分流至留巷區。203工作面回采完成后，在204工作面回采時拆除橫置充填體。

2 沿空留巷圍巖變形規律

2.1 留巷力源分析及變形階段劃分

根據采場礦壓理論，在工作面推進過程中，上覆直接頂巖層逐步垮落并填充采空區，而老頂巖層在推進長度達到初次來壓步距后，在采空區內周期性形成“O-X”破斷特征，并在巷道靠采空區側上方形成“砌體梁”穩定結構，如圖2所示。由于沿空留巷位于采場邊緣，因此采空區端頭“砌體梁”結構的自穩性，特別是弧形三角塊(B塊)的穩定性，是決定留巷圍巖(及充填體)變形程度的關鍵力源。

圖1 沿空留巷施工過程

圖2 沿空留巷頂板結構及應力分布特征

此外，沿空留巷自掘進成巷、充填留巷到采后封巷的全壽命服務周期內，需要經歷掘進階段的擾動影響和兩次工作面的采動影響，所以巷道圍巖的變形過程是一個階段性加載卸載的受載過程。根據沿空留巷在不同時期的服務特點，可將其圍巖變形特征分為如圖3所示的4個階段[3-4]。

圖3 沿空留巷圍巖變形階段劃分

1) 巷道掘進變形階段：受成巷開挖擾動應力影響，巷道斷面附近圍巖出現應力集中現象，并造成開挖影響范圍內產生塑性變形。此后開挖擾動影響逐漸遠離，圍巖應力逐漸平衡，巷道圍巖變形趨于穩定。綜合來看，該階段因掘進擾動影響有限，且巷道內支護作用顯著，圍巖變形通常較小，變形期也相對較短。

2) 超前采動影響變形(采前變形)階段：工作面推進過程中，由于支承壓力影響，巷道圍巖應力平衡態再次破壞，圍巖塑性區范圍在第一階段基礎上明顯擴大，圍巖變形顯著增長。該影響區一般位于工作面前方100 m范圍內，尤其在工作面前方20 m范圍內礦壓現象明顯。

3) 沿空留巷漸次變形階段：留巷初期，受強采動應力影響，巷道變形速度較上階段明顯加劇，并在工作面后方附近達到峰值。此后，隨著工作面逐漸推進，在一定時期內受采空區頂板周期性垮落影響，巷道變形速度也表現出漸次衰減性變化。該階段內留巷的支護方式和充填體的承載性能是決定巷道圍巖變形程度最關鍵的因素。

4) 圍巖變形穩定階段：當工作面遠離一定范圍后，采動影響基本結束，采空區頂板巖層結構基本穩定，由于擾動應力源的消失，所以后續留巷圍巖變形趨于穩定。

2.2 數值模擬

根據工作面賦存特征和表1所示的頂底板煤巖力學參數，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型[5]，模型尺寸為420 m×350 m×110 m，模型左側為111-204備采工作面，右側為111-203回采工作面，回采過程中在2401巷進行沿空留巷作業，巷道尺寸為5.5 m×3.5 m，充填體規格為4 m×1.2 m×3.5 m。通過連續開挖運算得出工作面采動應力場分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，工作面開挖后，采空區邊緣出現了與超前支承壓力類似的應力分布曲線，即自采空區側向深部煤體應力呈先增后減趨勢，但采空區邊緣支承壓力峰值明顯大于超前支承壓力峰值，且其整體呈“陡而高”特征，而超前支承壓力曲線表現為“緩而低”特征。分析原因為超前支承壓力處于動態遷移過程中，應力轉移不穩定，所以峰值較小且曲線相對緩和，而邊緣應力已處于相對穩定的頂板空間結構中，淺部煤體承載強度有限，應力已轉移至深部煤體中，所以應力曲線偏陡。同時沿空留巷處于支承應力降低區，說明其位置正處于采空區邊緣頂板斷裂后形成的拱形結構下方，從而有效弱化了留巷負載，這也是沿空留巷實施的關鍵理論基礎。此外可以看出，隨著工作面的逐漸推移，采空區應力逐漸趨近至原巖應力狀態，表明采空區內垮落巖體逐漸壓實后重新承載了覆巖自重荷載。

3 充填體變形監測

沿空留巷充填體的穩定性直接決定了巷道服務周期和后期返修量，為分析留巷后充填體在工作面推進過程中的變形特征，對隨工作面推進而間續逐段實施的充填體設置相應測站，觀測其橫向、縱向變形量，得出變形曲線如圖5、6所示。

圖4 工作面推進過程中應力場分布情況

圖5 充填體變形量

從圖5可以看出，隨著工作面逐漸遠離，留巷充填體縱向及橫向變形表現出先迅速增大后逐漸穩定的趨勢，并在距工作面110 m后，其縱向變形穩定在149 mm，橫向變形穩定在93 mm，從而說明工作面回采對沿空留巷的擾動影響范圍約為110 m。根據圖6可知，變形速度曲線也表現為先增后減趨勢，最大縱向變形速率出現在距工作面20 m左右，最大速率達到11.7 mm/d，最大橫向變形速率出現在距工作面40 m處，最大速率達到6.2 mm/d，可以看出采動作用在70 m范圍，尤其是距工作面40 m范圍內對充填體影響較大，此后隨著工作面遠離，頂板結構逐漸穩定，充填體變形速率逐漸趨于零。

圖6 充填體變形速度

4 結 語

1) 根據沿空留巷位置和頂板結構特征，理論分析得出了留巷圍巖變形的關鍵力源是老頂弧形三角塊(B塊)的穩定性；同時根據留巷不同時期服務特點，劃分成四個變形階段：巷道掘進變形階段、超前采動影響變形階段、沿空留巷漸次變形階段、圍巖變形穩定階段。

2) 根據數值模擬結果，采空區邊緣應力分布曲線為先增后減趨勢，其峰值大于超前支承壓力峰值，且整體呈“陡而高”特征；同時驗證了沿空留巷處于支承應力降低區的關鍵理論基礎。

3) 根據對充填體縱橫向變形觀測得出，隨著工作面遠離，留巷充填體縱向及橫向變形均表現出先迅速增大后逐漸穩定的趨勢，最大縱、橫向變形分別穩定在149 mm和93 mm；而變形速度曲線也整體表現為先增后減趨勢，最大縱、橫向變形速率為11.7 mm/d和6.2 mm/d，此后充填體變形速率逐漸趨于零。