近距离煤层沿空留巷数值模拟研究

邵国良

（山西寿阳段王集团友众煤业有限公司，山西晋中045400）

近距离煤层沿空留巷数值模拟研究

邵国良

（山西寿阳段王集团友众煤业有限公司，山西晋中045400）

沿空留巷会受到掘进、回采和复用期间多次采动的影响，而保持其围岩稳定是留巷技术能否实现的基础和前提。采用UDEC数值模拟软件，针对友众煤矿3号煤层地质条件建立了模型，对巷道掘进、留巷期间的巷道表面收敛和围岩弹塑性区进行对比分析。结果表明，掘进期间的巷道支护形式难以承受留巷强动压的影响，因此，必须加固采前顶板，增大帮部锚固区，实行采前加固和采后治理的分阶段留巷方式。

近距离煤层；沿空留巷；UDEC；巷道围岩

沿空留巷不仅可以减少区段煤柱损失，还可以大量减少平巷掘进工程量，是缓解同一采区集中生产接替紧张局面的有效途径之一。对于近距离采空区下煤层的开采，采取无充填墙体沿空留巷技术可以取得良好的效果。本文以友众煤矿30102运输顺槽沿空留巷为工程背景，通过UDEC数值模拟，分析巷道掘进和留巷复用期间巷道支护方案的控制效果，从而指导留巷过程中围岩控制方案的设计。

1 工程地质条件

友众矿3号煤层位于山西组中部，煤厚1.20～2.65 m，平均厚度为2.05 m，煤层一般含1层夹矸，局部含2层夹矸，夹矸厚0.13～0.45 m。顶板为砂质泥岩、泥岩，节理发育，易冒顶，较难管理。底板砂质泥岩、泥岩。泥岩顶板和底板的抗压强度分别为265～896 kg/cm2和630～731 kg/cm2。

2 模型建立

本文采用UDEC软件对巷道掘进和留巷过程进行数值模拟研究。针对友众矿30104工作面具体的工程地质条件，假设围岩各项同性，建立相应的模型。

模型的尺寸长×宽＝355 m×100 m，巷道尺寸根据实际情况设置为宽×高＝4.2 m×2.6 m，位置为X∈（115.8，120），Y∈（39.51，42.11）。模型所采用的煤岩力学参数见表1.

巷道开挖后采用锚梁网的支护形式，支护参数为：顶板布置6根2.2 m长的锚杆，直径为20 mm，布置3根直径为15.24 mm的锚索；回采侧帮部布置4根1.6 m长的锚杆，直径为16 mm；非回采侧帮部布置4根1.8 m长的锚杆，直径为18 mm。巷道及支护模型如图1所示。

3 模拟结果分析

3.1 巷道表面收敛对比

巷道掘进及留巷重复采动阶段的围岩位移情况如图2所示。从图2（a）中可以看出，在掘进期间，巷道围岩位移以1 m范围为主，说明实施的巷道支护方案能够有效改善围岩应力，巷道浅部围岩的变形得到优先控制。巷道掘出后，围岩的最终变形量比较小，顶底板移近量为116 m，其中，顶板下沉量比较大，下沉量为88 mm；巷道两帮移近量比较小，仅为31 mm，两帮变形基本一致。由图2（b）可知，受留巷动压的影响和相邻2103工作面重复采动的影响，围岩位移深度达到10 m，巷道表面位移严重，支护结构整体失稳。顶板最大下沉量达到920 mm，浅部离层严重，因底板比较硬，底鼓量比较小，最大不到90 mm，实体帮煤体产生应力集中，移近量达到320 mm，巷道断面仅为掘进期间断面大小的1/2，巷道原支护形式无法保证巷道在强动压作用下的稳定性。因此，在动压影响前，必须采用行之有效的方案加固巷道，才能确保巷道的使用安全。

图2 围岩位移场分布图

3.2 弹塑性区对比

巷道开挖的卸荷作用对应力场有巨大扰动，会使得应力重新分布，导致巷道周边径向应力增大而切向应力减小，造成拉剪破坏，随着应力的转移，逐步形成破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区。在塑性区内，围岩会因大变形而发生结构损伤，围岩的力学性能也会随着巷道变形而出现劣化。顶板在锚杆索的支护作用下，塑性区很小，底板由于没有采取支护措施，塑性区范围将近1 m。回采侧与非回采帮部塑性区范围主要集中在上部煤体处，最大范围未超过1 m，如图3（a）所示。由图3（b）和图3（c）可知，2103工作面回采后，底板塑性区及其损伤范围在3.53 m之内，底板破坏严重。3101回采后，直接顶切顶及时，采空区冒落严实，由于采空侧无充填墙体，非回采侧实体煤压酥，塑性区范围明显增大，向深部延伸，达到8 m以上。围岩达到新的平衡以后，帮部中上部围岩深部3 m范围之内已全部压塑破坏，掘巷期间的支护的帮部锚杆基本失效。此外，由于30104工作面于2103采空区下回采，留巷顶板受此次采动与2103回采叠加的影响，相较于巷道掘进期间，顶板塑性区范围明显扩大，向深部延伸3 m以上。

图3 巷道围岩弹塑性区分布图

4 小结

30102运输顺槽巷道开挖后，巷道围岩变形量比较小，掘进期间支护形式已基本限制了浅部围岩的松动变形和剪胀变形。但是，对比巷道弹塑性区发现，此时，两帮塑性区范围比较大，究其原因，是两帮掘进期间，锚杆设计预紧力矩80 N·m过低，锚杆预紧力值比较低，主动支护效果已被降至最低。新掘巷道支护应采取一次支护最大化的原则。30104工作面回采后，底板损伤深度约2.04 m。30104工作面回采后，由于采空侧无充填墙体，非回采侧实体煤产生应力集中，煤体压酥，围岩达到新的平衡以后，帮部中上部围岩深部3 m范围之内已全部被压酥，遭到破坏，顶板剧烈下沉，最大值达到920 mm，浅部离层破坏严重，掘巷期间支护的帮部锚杆基本失效。掘进期间的巷道支护形式已难以承受留巷强动压的影响，所以，必须加固采前顶板，增大帮部锚固区，实行采前加固和采后治理分阶段的留巷方式。

［1］杨百顺，谢洪.综采沿空留巷充填墙体合理宽度的数值模拟研究［J］.煤炭工程，2011（4）：72-75.

［2］张炜，张东升，陈建本，等.极近距离煤层回采巷道合理位置确定［J］.中国矿业大学学报，2012，41（2）：182-188.

［3］张友谊.平煤二矿沿空留巷综合控制技术研究［J］.煤炭工程，2012（6）：46-48.

［4］刘洪林.沿空留巷围岩稳定机理及控制技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2011.

〔编辑：白洁〕

TD353

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.038

2095－6835（2017）18－0038－03

邵国良（1967—），男，山东海阳人，工程师，2009年毕业于山东科技大学，主要从事煤矿生产及技术管理方面的工作，先后担任山西寿阳段王集团友众煤业总工程师、生产矿长。