综放开采沿空留巷围岩变形特征

魏 飞

(山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037104)

0 引言

无煤柱开采技术自被推广以来往往作为最优方案进行应用，它的提出成功解决了窄煤柱护巷过程中巷道维护困难、维护成本高等问题，同时宽煤柱护巷过程中优质资源被遗弃浪费的问题也得到了极大改善。而沿空留巷作为无煤柱开采的主要技术之一又因其资源回收率高，通风效果良好等优点更是被广泛应用。但是在应用过程中留巷围岩变形量大使巷道返修工程量大、维护费用高，严重制约了矿井高效生产，科技工作者也就此开展了大量的科研工作。谢文兵等[1-2]通过运用数值模拟对综放工作面留巷围岩的应力分布及变形规律进行了研究，得到了顶板、煤帮及支护体的变形演化特征，并提出基本顶断裂导致关键块发生运移是留巷围岩变形的根本原因。马立强[3]通过对综放工作面沿空留巷围岩力学模型的推导建立，对巷道变形机制从理论上进行了阐释，并对围岩稳定性进行了评价。侯朝炯等[4-6]通过矿山监测数据对留巷前、中、后不同时期的变形特征进行总结分析，并结合所得结果建立了不同时期留巷围岩的结构模型。王红胜等[7]分析巷道围岩变形规律，认为沿空巷道其基本顶断裂是其产生大变形的根本原因，并将基本顶断裂形式根据不同情况划分成四类。孙恒虎等[8]基于弹塑性力学理论对留巷顶板进行了简化，建立了顶板运动力学模型。李胜、王晓虎等[9-10]利用关键层理论对顶板下沉模型进行推导建立，给出了沿空留巷围岩稳定性的判别准则。在沿空留巷围岩变形机制研究及控制方面尽管已经卓有成效，但受煤矿复杂地质环境影响，巷围岩变形机制至今尚未形成共识，仍需对其进行深入研究。因此，以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景，从理论层面分析综放开采沿空留巷围岩大变形机理，结合数值模拟对沿空留巷围岩变形特征进行研究，以期保证矿井正常生产工作，并能为相似条件矿井提供技术参考。

1 工程地质概况

4102综放工作面地面标高+1 376.2～+1 408 m，井下标高+1 120～+1 140 m，平均埋深256 m，工作面走向长1 195.5 ～1 214.1 m，平均长1 204.8 m，倾向长148.5 m，平均煤厚为5.38 m，倾角1°～4°，平均3°，为近水平煤层，煤层结构简单，性质稳定。直接顶为15.37 m的中、细砂岩，普氏系数为8，老顶为12.28 m的粗、中砂岩，普氏系数为7.7，属坚硬顶板，直接底为泥岩，厚1.3 m。该工作面巷道支护形式为锚杆锚索金属网联合支护，在工作面回采前对留巷预先进行加固。巷旁充填体宽度为3 m，材料选择高强度膏体充填材料，并在充填体两侧布设钢筋进行加固处理。

2 沿空留巷围岩变形理论分析

2.1 沿空留巷围岩大变形机理分析

力学模型：根据矿压理论，随工作面推进，基本顶发生断裂，形成规则块体依次塌落形成“砌体梁”结构，即在留巷上方形成关键块[12]，相邻块体间发生相互作用并形成水平推力。依据4102综放工作面实际地质采矿条件建立力学模型，如图1所示，将关键块分别命名为块体A、B、C[13]。

变形过程：在成巷初期，推采距离小，基本顶未发生破断，巷旁支护体仅承担上方直接顶及其控制区域覆岩重力。当工作面推进至某一距离，基本顶发生破断，出现关键块结构，由于关键块B长度较大，随块体的运动不断发生回转变形，致使下方沿空留巷围岩承载力升高且变形量不断增大，直到块体B触矸后，巷道变形最终达到稳定。此时，从下一工作面到采空区范围内形成7个大小不等的应力区，而留巷位置受块体B回转影响由原低值应力区转变为较高应力区，特别是在巷旁支护体处出现了小幅度应力集中现象，由此巷旁支护体在较大载荷影响下发生大变形，高度及强度有所下降，留巷围岩也随着发生较大变形。

2.2 巷旁充填体支护阻力力学计算

随工作面开采，坚硬顶板岩层状态不断发生变化，巷旁充填体支护阻力随顶板岩层状态变化不断变化，因此在进行支护体宽度设计时需对顶板应力状态充分考虑，分别从支护初期及支护后期两个时段计算巷旁充填体支护阻力。

支护初期：在沿空留巷初期，基本顶由于下位岩体能够提供有效支撑尚未发生破断，充填支护体仅支撑附近破断直接顶，此时受力情况如图2所示，计算见式(1)

图2 支护初期充填体力学模型

(1)

式中：PZ1—充填体支护阻力，MPa；x0—实体煤支撑段，一般取巷道宽度4倍，m；c—巷道宽度，m；m—煤层厚度，m；n—采高倍数；γ0—直接顶岩石容重；a1—充填体宽度，m。

支护后期：当控顶范围达到一定程度，基本顶发生破断，此时支护体外侧支撑阻力增大，此时受力简图如图3所示，支护阻力求解见式(2)。

图3 支护后期充填体力学模型

(2)

式中：Pq—切顶阻力，MPa；h—直接顶厚度，m；Nc—空区侧剪应力，MPa；t0—回转时间，h；δy—煤体支护阻力，MPa；Tc—沿岩层方向的推力，kN；ΔSB—基本顶跨落前悬臂梁前端下沉量，m；q0—直接顶单位长度自重；a2—充填体宽度，m。

3 沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征

3.1 数值模型的建立

模型参数：基于FLAC3D建模原理，根据所选区域采矿地质条件，建立如图4所示的数值模型，模型的几何尺寸为400 m×1 300 m×300 m(长×宽×高)，模拟地层主要参数为：煤层厚5.38 m，埋深256 m，充填体宽度为3 m。根据计算分析的需要，同时考虑计算效率，对岩层厚度及性质进行了适当的简化；选取的岩层倾角较小，因此在进行建模分析时，岩层按照水平布置；在网格进行划分时采取了非均匀划分，在煤层及其顶底板附近网格划分较为密集，远离煤层的岩层网络划分较为稀疏。模型建立后，模型顶部为自由面，在水平方向的4个边界施加水平方向的位移约束，并限制底部垂直方向位移。

图4 数值模型

力学参数：本次数值模拟采用模型为库伦-摩尔模型。模拟过程中模型各层位岩性的力学参数来自现场试样进行室内力学试验后获得的参数，主要包括密度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度等，具体取值见表1。

3.2 围岩应力分布规律

垂直应力曲线：通过提取充填体不同时段的垂直应力曲线，如图5所示。发现在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa，随时间推移，垂直应力出现先升高当垂直应力达到3.22 MPa后下降的现象，当应力达到2.75 MPa时，基本不再发生变化。

表1 各岩层岩性参数

规律分析：由此可知在支护初期充填体能够较好地发挥支护能力，支护效果良好，当基本顶发生断裂后，支护体承担的重量增加，其垂直应力增加。由于支护体本身强度并不高，随支护阻力增加，支护体被压缩承载能力下降，但随着上覆岩层触矸其支护阻力不再发生变化。

图5 巷旁支护体应力-时间曲线

3.3 围岩变形特征

巷旁支护体最终水平变形云图，如图6所示。并进一步通过对充填体水平位移观测点数据进行提取，如图7所示。可以看出，巷旁支护体、实体煤帮均向巷道移进，但巷旁支护体向两侧发生鼓胀，巷帮移进更为显著，最终其变形量分别达到0.57 m、0.13 m，且其变化趋势与支护体时间-应力曲线变化趋势相吻合，随承载覆岩重力增加，围岩水平移进速率大幅提高，当关键块触矸稳定后，变形速率逐渐减小直至稳定。

图6 巷道围岩x向水平位移云图

图7 巷道两帮x向水平位移-时间曲线、巷旁支护体应力-时间曲线

4 结论

(1)从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形发生机理，发现关键块体B断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区，从而致使围岩发生大变形，同时分别从支护初期及支护后期两个时段建立了巷旁充填体受力模型。

(2)运用FLAC3D模拟软件研究分析了留巷围岩的应力分布规律及变形特征，结果表明在支护初期巷旁支护体支护效果良好，垂直应力为1.5 MPa，水平位移极小；随着基本顶发生断裂后，巷道围岩承担的重量增加，其垂直应力增加，达到3.22 MPa，变形速率也达到最大；随着上覆岩层触矸，巷道围岩垂直应力稳定在2.75 MPa，最终巷道两帮变形量分别达到0.57 m、0.13 m。