松软围岩条件下沿空留巷围岩变形与控制技术研究

王海龙

【摘 要】 文章以山西某矿4#煤层松软围岩沿空留巷为研究背景，采用数值模拟和现场实测的研究方法，基于对松软围岩沿空留巷表面变形规律研究和分析，提出了针对性加强支护方案。现场实测结果表明，采用加强支护措施后，松软围岩沿空留巷围岩变形得以有效控制，满足本工作面和下一工作面回采时复用的基本要求。

【关键词】 松软围岩;沿空留巷;围岩控制;锚杆支护

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）04-0009-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，沿空留巷技术凭借无护巷煤柱、低巷道掘进率、高煤炭采出率和低生产成本等优势，在我国各大矿区应用日益广泛。本文针对山西某矿4#煤层软岩沿空留巷围岩变形较大，支护困难的问题，采用数值模拟的研究方法，研究了软岩沿空留巷围岩变形规律，并提出针对性的围岩变形控制措施。

1工程概况

山西某礦现主采4#煤层，该煤层平均厚度为1.8m，平均埋深426m，平均倾角为6°，采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤法进行回采。4#煤层4204工作面沿煤层走向布置，其北侧为4202工作面（设计），南侧为4200采空区，西侧为西区回风巷，东侧为4116和4118采空区。4204工作面皮带运输巷采用沿空留巷的方法布置，该巷断面尺寸为4.5×3.2m（宽×高），巷旁充填体宽度为2m。

现场钻孔实测及地质资料表明该矿4#煤层内部有原生裂隙发育，且含有1～3层厚度为0.04～0.05 m的夹矸。4#煤层伪顶为0.4m厚的灰黑色炭质页岩，直接顶和直接底均为炭质泥岩，厚度分别为1.8m和2.9m，基本顶和基本底分别为细粒砂岩和炭质页岩，厚度分别为4.3m和2.0m。

2松软围岩沿空留巷数值模拟研究

基于该矿4#煤层4204工作面顶底板岩层条件通过FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，探究了松软围岩条件下沿空留巷围岩变形随工作面推进的变化规律，以期为松软围岩沿空留巷围岩支护提供依据。所建数值模型尺寸为220m×120m×80m（长×宽×高），模型边界条件分别为：四周边界固定水平方向位移，下部边界固定垂直方向位移，上部施加20MPa的均布载荷。在巷道顶底板和两帮中点处各布置一条测线，用以监测模型开挖过程中沿空留巷围岩变形随工作面推进的变化情况。图1为数值模型图，表1为各煤岩层力学参数。

松软围岩沿空留巷表面变形量随工作面推进的变化规律如图2所示。

由图2可知，在超前工作面40m至滞后工作面50m范围，沿空留巷顶底下沉量、底鼓量、煤体帮和充填体帮水平位移量分别增大至0.47、0.50、0.50和0.52m，而在滞后工作面50m至120m范围内，沿空留巷表面变形量无显著变化。故而，松软围岩沿空留巷表面变形量随工作面距离的增大总体呈现出先快速增长后趋于稳定的变化规律，即在超前工作面40m至滞后工作面50m范围内，沿空留巷表面变形量随工作面推进而快速增加;在滞后工作面50m以后，沿空留巷表面变形量随工作面推进基本趋于稳定。主要是因为超前工作面40m至滞后工作面50m范围内，在采动影响下，沿空留巷围岩初始应力平衡状态被打破，新的应力平衡状态尚未形成，此时工作面推进所形成的动态应力场改变了其初始应力场，导致沿空留巷顶底板中间部位在拉应力影响下发生受拉破坏，造成较剧烈的顶板下沉和底鼓;同时，随着工作面推进，采空区侧顶板悬露面积逐渐增大，悬露时间也逐渐延长，导致沿空留巷煤体帮和充填帮因受较大的侧向支承压力而发生加大的水平位移。在滞后工作面50m以后，随着顶板垮落，沿空留巷围岩新的应力平衡状态形成，此时沿空留巷围岩受采动影响相对较小，围岩受力状态基本稳定，所以该段沿空留巷表面变形相对稳定。

3松软围岩沿空留巷围岩控制方案

顶底板松软、煤体帮和充填体帮侧向应力高度集中是导致松软围岩沿空留巷围岩表面变形较大的主要原因。因此，本文基于松软围岩沿空留巷围岩变形的主要影响因素并结合数值模拟研究结果，提出了针对性的松软围岩沿空巷道加强支护方案，支护方案如图3所示。支护参数如表2所示。

4现场监测

为了掌握4204工作面沿空留巷（皮带运输巷）及该巷在二次使用期间围岩变形情况，采用矿用本安型激光测距仪对该巷围岩变形情况进行监测。留巷过程中每隔100m布置一个测站。沿空留巷表面变形监测仪护巷充填体构筑为监测起始点。根据对比各测站所监测的数据，本文取较为典型的2#测站所监测数据为例，对沿空留巷表面变形随工作面的推进的变化情况进行分析。沿空留巷表面相对移近量随距工作面距离的变化规律如图4所示，图4中“-”表示滞后工作面。

由图4可知，测点2所监测的沿空留巷表面相对移近量随工作面推进的变化规律总体上与数值模拟结果吻合，即沿空留巷表面相对移近量随工作面推进呈现出先快速增长后趋于稳定的变化规律。在滞后工作面0～300m范围内，沿空留巷表面相对位移量随工作面推进呈快速增长趋势;在滞后工作面300m时，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量分别由0m时的11.61mm和18.93mm增长至1052.90mm和992.96mm。在滞后工作面300～400m范围内，沿空留巷表面相对移近量随工作面推进无显著变化，基本趋于稳定;在滞后工作面400m时，沿空留巷顶底板移近量和两帮移近量分别为1064.51mm和1003.04mm。综上所述，采用本文所提出的松软围岩沿空留巷支护方案对4204工作面皮带运输巷进行支护施工后，该巷表面变形得到有效控制，能够满足在本工作面回采和4202工作面回采时复用的要求。

5结语

本文基于松软围岩沿空留巷围岩变形的主要影响因素并结合数值模拟研究结果，提出了松软围岩沿空巷道针对性的加强支护方案。现场实测表明本文所提出的加强支护方案有效控制了4204工作面皮带运输巷围岩变形，能够确保该沿空留巷满足4204工作面和4202工作面回采使用要求。

【参考文献】

[1]杨朋，华心祝，李迎富，等.深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析[J].岩土力学，2018，39（S1）：405-411.

[2]张自政，柏建彪，陈勇，等.浅孔爆破机制及其在厚层坚硬顶板沿空留巷中的应用[J].岩石力学与工程学报，2016，35（S1）：3008-3017.

[3]赵永明.煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术[J].山西能源学院学报，2017，30（3）：16-17.

[4]王茂盛，王萌，都海龙.厚层坚硬顶板工作面沿空留巷技术[J].煤炭科学技术，2013，41（6）：42-45.

[5]王永岩.软岩巷道变形与压力分析、控制及预测[J].岩石力学与工程学报，2004（1）：158.

[6]曹王建.综采工作面沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究[J].山西能源学院学报，2019，32（4）：6-8.

[7]张俊文.深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析[J].中国矿业大学学报，2017，46（2）：292-299.

[8]邓磊.松软破碎围岩条件下沿空留巷控制对策研究[J].矿业研究与开发，2017，37（7）：35-39.