沿空留巷围岩变形规律及充填体稳定性分析

李建强

(山西亚美大宁能源有限公司，山西 晋城 048000)

随着我国煤炭科学技术的发展，沿空留巷无煤柱开采技术成为煤矿安全高效生产的主要研究领域。沿空留巷技术可以减少巷道掘进工程量，提高煤炭资源回收率，同时也能优化采面通风方式，降低瓦斯积聚风险[1-2]。但由于留巷经历了两次采动影响，其围岩变形剧烈，尤其是充填体在顶板结构运动中极易发生失稳。为准确掌握沿空留巷围岩变形发生机制，本文以山西华润大宁矿111-203工作面为背景，采用理论和有限元分析方法研究沿空留巷围岩变形力源及应力场分布，并现场监测留巷充填体变形情况，分析充填体在采动影响下的稳定性。

1 基本概况

山西华润大宁矿111-203综采面位于二采区东部，南北长1 444.5 m，东西宽244.5 m。工作面东部为已回采的111-202综采工作面，西部为待准备的111-204综采工作面，南部为二采区回风巷，北部为停采线及二采区的1、2、3号横巷。工作面主采3号煤层，煤层埋深217.1～447.8 m，平均埋深415 m，其顶底板煤岩力学性质如表1所示。

表1 工作面顶底板煤岩力学参数

111-203综采工作面2401巷从31横贯开始实施沿空留巷工程，长度约1 416 m，留巷巷宽为1.5 m，留巷巷高为实际成巷高度。根据沿空留巷设计方案，充填墙采用高水材料留设，材料水灰比为1.5∶1，充填体规格为：长×宽×高=4 m(3 m、2 m)×1.2 m×3.5 m。沿空留巷施工过程见图1所示。本工作面实行区段留巷施工，遇横贯后进行充填封闭，防止工作面乏风分流至留巷区。203工作面回采完成后，在204工作面回采时拆除横置充填体。

2 沿空留巷围岩变形规律

2.1 留巷力源分析及变形阶段划分

根据采场矿压理论，在工作面推进过程中，上覆直接顶岩层逐步垮落并填充采空区，而老顶岩层在推进长度达到初次来压步距后，在采空区内周期性形成“O-X”破断特征，并在巷道靠采空区侧上方形成“砌体梁”稳定结构，如图2所示。由于沿空留巷位于采场边缘，因此采空区端头“砌体梁”结构的自稳性，特别是弧形三角块(B块)的稳定性，是决定留巷围岩(及充填体)变形程度的关键力源。

图1 沿空留巷施工过程

图2 沿空留巷顶板结构及应力分布特征

此外，沿空留巷自掘进成巷、充填留巷到采后封巷的全寿命服务周期内，需要经历掘进阶段的扰动影响和两次工作面的采动影响，所以巷道围岩的变形过程是一个阶段性加载卸载的受载过程。根据沿空留巷在不同时期的服务特点，可将其围岩变形特征分为如图3所示的4个阶段[3-4]。

图3 沿空留巷围岩变形阶段划分

1) 巷道掘进变形阶段：受成巷开挖扰动应力影响，巷道断面附近围岩出现应力集中现象，并造成开挖影响范围内产生塑性变形。此后开挖扰动影响逐渐远离，围岩应力逐渐平衡，巷道围岩变形趋于稳定。综合来看，该阶段因掘进扰动影响有限，且巷道内支护作用显著，围岩变形通常较小，变形期也相对较短。

2) 超前采动影响变形(采前变形)阶段：工作面推进过程中，由于支承压力影响，巷道围岩应力平衡态再次破坏，围岩塑性区范围在第一阶段基础上明显扩大，围岩变形显著增长。该影响区一般位于工作面前方100 m范围内，尤其在工作面前方20 m范围内矿压现象明显。

3) 沿空留巷渐次变形阶段：留巷初期，受强采动应力影响，巷道变形速度较上阶段明显加剧，并在工作面后方附近达到峰值。此后，随着工作面逐渐推进，在一定时期内受采空区顶板周期性垮落影响，巷道变形速度也表现出渐次衰减性变化。该阶段内留巷的支护方式和充填体的承载性能是决定巷道围岩变形程度最关键的因素。

4) 围岩变形稳定阶段：当工作面远离一定范围后，采动影响基本结束，采空区顶板岩层结构基本稳定，由于扰动应力源的消失，所以后续留巷围岩变形趋于稳定。

2.2 数值模拟

根据工作面赋存特征和表1所示的顶底板煤岩力学参数，采用FLAC3D软件建立三维数值模型[5]，模型尺寸为420 m×350 m×110 m，模型左侧为111-204备采工作面，右侧为111-203回采工作面，回采过程中在2401巷进行沿空留巷作业，巷道尺寸为5.5 m×3.5 m，充填体规格为4 m×1.2 m×3.5 m。通过连续开挖运算得出工作面采动应力场分布情况如图4所示。

从图4可以看出，工作面开挖后，采空区边缘出现了与超前支承压力类似的应力分布曲线，即自采空区侧向深部煤体应力呈先增后减趋势，但采空区边缘支承压力峰值明显大于超前支承压力峰值，且其整体呈“陡而高”特征，而超前支承压力曲线表现为“缓而低”特征。分析原因为超前支承压力处于动态迁移过程中，应力转移不稳定，所以峰值较小且曲线相对缓和，而边缘应力已处于相对稳定的顶板空间结构中，浅部煤体承载强度有限，应力已转移至深部煤体中，所以应力曲线偏陡。同时沿空留巷处于支承应力降低区，说明其位置正处于采空区边缘顶板断裂后形成的拱形结构下方，从而有效弱化了留巷负载，这也是沿空留巷实施的关键理论基础。此外可以看出，随着工作面的逐渐推移，采空区应力逐渐趋近至原岩应力状态，表明采空区内垮落岩体逐渐压实后重新承载了覆岩自重荷载。

3 充填体变形监测

沿空留巷充填体的稳定性直接决定了巷道服务周期和后期返修量，为分析留巷后充填体在工作面推进过程中的变形特征，对随工作面推进而间续逐段实施的充填体设置相应测站，观测其横向、纵向变形量，得出变形曲线如图5、6所示。

图4 工作面推进过程中应力场分布情况

图5 充填体变形量

从图5可以看出，随着工作面逐渐远离，留巷充填体纵向及横向变形表现出先迅速增大后逐渐稳定的趋势，并在距工作面110 m后，其纵向变形稳定在149 mm，横向变形稳定在93 mm，从而说明工作面回采对沿空留巷的扰动影响范围约为110 m。根据图6可知，变形速度曲线也表现为先增后减趋势，最大纵向变形速率出现在距工作面20 m左右，最大速率达到11.7 mm/d，最大横向变形速率出现在距工作面40 m处，最大速率达到6.2 mm/d，可以看出采动作用在70 m范围，尤其是距工作面40 m范围内对充填体影响较大，此后随着工作面远离，顶板结构逐渐稳定，充填体变形速率逐渐趋于零。

图6 充填体变形速度

4 结 语

1) 根据沿空留巷位置和顶板结构特征，理论分析得出了留巷围岩变形的关键力源是老顶弧形三角块(B块)的稳定性；同时根据留巷不同时期服务特点，划分成四个变形阶段：巷道掘进变形阶段、超前采动影响变形阶段、沿空留巷渐次变形阶段、围岩变形稳定阶段。

2) 根据数值模拟结果，采空区边缘应力分布曲线为先增后减趋势，其峰值大于超前支承压力峰值，且整体呈“陡而高”特征；同时验证了沿空留巷处于支承应力降低区的关键理论基础。

3) 根据对充填体纵横向变形观测得出，随着工作面远离，留巷充填体纵向及横向变形均表现出先迅速增大后逐渐稳定的趋势，最大纵、横向变形分别稳定在149 mm和93 mm；而变形速度曲线也整体表现为先增后减趋势，最大纵、横向变形速率为11.7 mm/d和6.2 mm/d，此后充填体变形速率逐渐趋于零。