沿空留巷宽度对围岩变形影响的模拟分析

王尚鑫

（山西汾西矿业集团双柳煤矿， 山西 柳林 033300）

1 工作面概况

1.1 工作面参数

某煤矿24208工作面标高376～456 m，位于北二采区，东面至北轨大巷，西面为开拓区，南面为正在回采的24207工作面，北面的4号煤工作面未施工，仅上覆的22201工作面正在回采。24208工作面回采长度1 500 m，工作面倾斜长度260 m。煤层厚度3.5～4.3 m，平均厚度4.12 m，开采煤层有益厚度为4.07 m，煤层倾角4°。

1.2 煤层顶底板情况

1）煤层顶板。煤层直接顶为泥岩，灰黑色泥岩，含植物碎片化石，上部有菱铁矿，局部含砂，平均厚度5.6 m；老顶为灰色中砂岩，有可见大量的白云母碎片，顶部渐粗，平均厚度4.5 m。

2）煤层底板。直接底为中砂岩，灰色中砂岩，可见大量的白云母碎片，顶部渐粗，平均厚度1 m；老底为黑色粉砂岩，有植物碎片化石，平均厚度1.58 m[1]。

2 模型的建立及模拟方案

2.1 模型建立

以24208沿空留巷胶带巷为实际工程背景建立的几何模型，根据圣维南原理巷道围岩影响范围为3～5倍的巷道截面，工作面一侧由于对称性取工作面的一半长度，模型具体尺寸为长120 m，宽120 m，高65 m，网格划分为分析巷道围岩的应力和变形对巷道周围网格进行加密。锚杆用植入式桁架模拟，锚杆间排距为800 mm×800 mm，顶板锚杆长2 500 mm，两帮锚杆长2 000 mm。巷道高度3 900 mm。隔离墙宽度为1 mm，采用C30的混凝土。

对24208工作面煤体实地取样测试，同时参考邻近24207工作面的各岩层参数为依据确定。模型中所采用的煤层岩体物理力学参数见表1。

表1 数值模拟岩层及支护材料力学参数

2.2 数值计算方案

数值模拟过程中采用施工阶段分析来模拟煤层开挖和隔离墙的支护，煤层开挖70 m，分14步开挖，每步开挖5 m，隔离墙紧随煤层开挖相差一步进行支护[1-2]。考虑不同留巷跨度对围岩稳定性影响，设置数值计算方案如下。巷道高度3.9 m，相同支护条件下留巷跨度为3.5 m，4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，7 m时，分析工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m的最大垂直应力分布规律，最大水平应力分布规律，最大剪切应力分布规律，顶板和煤帮最大变形量分布规律，围岩塑性区分布规律[2]。

3 数值模拟计算结果分析

3.1 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩剪切应力分布规律

计算平衡后，取巷道顶板靠近煤帮的上帮角所在单元的节点输出巷道顶板剪切应力数据[3]，不同跨度工作面后方巷道顶板最大剪切应力值如下页表2所示。由表2可知：随着跨度的增加，巷道顶板的剪切应力峰值增大，基本按线性规律变化，当跨度达到5.5 m后增加幅度明显高于3.5～5.5 m之间的增加幅度；跨跨度增加，围岩剪切应力峰值向围岩深部转移，且集中范围不断扩大，巷道顶板靠近帮角和巷道顶板上方一定距离应力集中程度最高，底板和煤帮剪切应力集中程度小。

表2 工作面后方不同跨度巷道顶板剪切应力峰值

3.2 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩垂直应力分布规律

工作面开挖40 m后，考虑跨度对围岩垂直应力动态分布规律的影响，分别对工作面后方5m、10m、20 m、40 m实体煤体和隔离墙垂直应力进行分析。

同理根据模拟结果统计出工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m不同跨度煤帮和隔离墙垂直应力峰值及煤帮应力峰值距煤壁的距离数据分别见表3、表4、表 5所示。

表3 工作面后方不同跨度实体煤帮垂直应力峰值

表4 工作面后方不同跨度隔离墙垂直应力峰值

表5 工作面后方不同跨度煤帮垂直应力峰值与煤壁的距离

由表2可知煤帮附近垂直应力集中程度较大，集中范围不断扩大，在工作面后方40 m当跨度从3.5 m增加到7 m时，煤帮应力集中系数从3.3增加至3.9，增加幅度较大。

由表3、表4可知随着跨度的增加，煤帮垂直应力峰值和隔离墙垂直应力峰值基本按线性规律变化，随着工作面的向前推进，工作面后方40 m较工作面后方5 m煤帮垂直应力峰值从33.4 MPa减小至20.1 MPa，减小幅度51.2%；隔离墙垂直应力峰值从41.4 MPa减小至28.2 MPa，减小幅度46.1%。工作面后方随着跨度的增加，煤帮垂直应力和隔离墙垂直应力成增加的趋势，当跨度从3.5 m增加至5.5 m时增加幅度较为平稳，当跨度从5.5 m增加至6 m时，垂直应力产生突变，应力增加幅度明显增加。主要是由于跨度增加，巷道上方处于小结构之中的顶板岩层自重增加，当跨度进一步增加到5.5 m时，老顶关键块形成的岩梁结构也可能会失去平衡，从而使一部分荷载加在煤帮和充填体上[4]。

由表5可知，随着跨度的增加，煤帮垂直应力集中程度最大的点距离煤壁的距离成减小的趋势，但基本保持在2～3 m的范围内。

3.3 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩水平应力分布规律

取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m不同跨度顶板水平应力峰值分析沿空留巷跨度对围岩水平应力动态分布规律的影响，数值模拟结果统计出的工作面后方不同跨度顶板水平应力峰值如表6所示。

表6 工作面后方不同跨度顶板水平应力峰值

由表6可知，随着工作面的向前推进，在工作面后方0～20 m，顶板水平应力随着离工作面的距离越大而增加，且增加幅度较工作面后方20～40 m大；随着跨度的增加，顶板水平应力峰值呈现减小的趋势，并且当跨度在3.5～5.5 m时减小幅度较为平稳，当跨度从5.5 m增加到6 m时，顶板水平应力发生突变，当跨度在6 m以后，水平应力峰值变化不大。

3.4 沿空留巷期间不同跨度工作面后方顶板煤帮变形分布规律

计算平衡后，对于不同跨度取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m巷道上方左右角点所在块体输出节点的位移，得出的实体煤和顶板的下沉量如下页表7、表8所示。

由下页表7、表8可知，随着距离工作面的距离越来越大，工作面后方巷道顶板、煤帮最大下沉量呈增大的趋势，工作面后方40 m时顶板、煤帮下沉量最大，由沿空留巷矿压显现规律知工作面后方40 m左右后方围岩变形达到稳定。

表7 工作面后方不同跨度顶板下沉量

表8 工作面后方不同跨度实体煤帮下沉量

3.5 沿空留巷期间不同跨度工作面后方围岩塑性区分布规律

数值模拟结果可以看出，不同跨度煤帮塑性区范围在工作面后方40 m时最大，并在40 m后方达到稳定状态。以等效塑性区半径反映煤帮塑性区的范围，工作面后方40 m煤帮塑性区半径变化随跨度的变化曲线如图1所示。

由图1可得，煤帮塑性区范围随巷道跨度的增加而扩大，当巷道跨度小于5 m时，煤帮等效塑性区半径在226 mm左右，基本保持不变，当跨度达到5.5 m时，塑性区范围发生突变。荷载重新分布过程中，由于集硬效应，使荷载主要集中在刚度较大的煤帮和充填体上，由于煤帮处于沿空留巷围岩形成的小结构范围内，主要受到断裂拱内的岩梁作用，而关键块在岩层中的断裂位置随着跨度的增加会保持在某一固定值，所以煤帮受到的岩梁力在巷道发生破坏前不会产生很大变化，随着跨度增加，煤帮受到的力会增加，但增加幅度不会很大，当跨度到达5.5 m时，老顶关键块形成的稳定结构可能会失稳致使一部分荷载加在煤帮上，塑性区范围会产生一定程度突变[5]。

4 结论

1）跨度增加，围岩剪切应力峰值向围岩深部转移，且集中范围不断扩大，巷道顶板靠近帮角和巷道顶板上方一定距离应力集中程度最高，底板和煤帮剪切应力集中程度小。巷道顶板剪切应力峰值随着跨度的增加而增加，当跨度在5.5 m时，顶板剪切应力峰值产生一定程度的突变。巷道顶板靠近煤帮的帮角为剪切应力破坏的危险点。

图1 工作面后方40 m煤帮塑性区等效半径变化随跨度的变化曲线

2）工作面后方随着跨度的增加，煤帮垂直应力和隔离墙垂直应力成增加的趋势，当跨度从3.5 m增加5.5 m时增加幅度较为平稳，当跨度从5.5 m增加至6 m时，垂直应力产生突变，应力增加幅度明显增加。随着跨度的增加，煤帮垂直应力集中程度最大的点距离煤壁的距离成减小的趋势，但基本保持在2～3 m的范围内。

3）沿空留巷工作面后方水平应力在巷道左边角隅处一定范围内应力集中程度大，随着巷道跨度的增加，顶板水平应力集中程度大的范围区域成增大的趋势，并向实体煤帮方向扩展，当跨度从3.5 m增加到7 m时，顶板水平应力集中程度最大的点从长1 m范围增加至7 m范围。

4）随着巷道跨度的增加，巷道上方顶板的下沉量基本呈直线增长的趋势，且增大幅度较大，煤帮的下沉量基本呈直线增长的趋势，但增加幅度不大。

5）巷道围岩塑性区主要在煤帮和隔离墙上较为发育，塑性区在煤帮处呈半椭圆形发展，隔离墙上部岩层塑性区范围随巷道跨度的增加有所增大；煤帮塑性区范围随巷道跨度的增加而扩大，当巷道跨度小于5 m时，煤帮等效塑性区半径基本保持不变，当跨度达到5.5 m时，塑性区范围发生突变。