沿空留巷空间“小”结构稳定性控制研究及应用

杨计先

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 漳村煤矿，山西 长治 047100)

沿空留巷是在采空区边缘“低压区”，利用人工建造的充填体支撑顶板，将上工作面一条平巷保留，供下一工作面使用，做到少掘巷道，缩短接替面准备时间，实现无煤柱回采[1-5]。此外沿空留巷可以实现接替面Y型通风，解决回风隅角瓦斯积聚问题。针对综放面沿空留巷，国内外学者通过理论分析、相似模拟实验、数值模拟等方法进行了大量研究[6-12]。

郭育光[13]等通过现场观测，分析了巷旁充填体作用机理，推导出充填体的初期支护阻力、切顶阻力及后期支护阻力公式；张东升[14]等通过相似模拟实验，研究了基本顶破断规律、围岩变形特征，为充填体参数设计提供依据；马立强[15]等通过推导公式，研究了充填体-围岩相互作用机制，并提出综放巷内充填原位沿空留巷新技术；李化敏[16]研究了沿空留巷顶板围岩运动的过程及变形特征，提出了充填体支护阻力和合理压缩量的数学模型；陈勇[17]等建立了沿空留巷上覆岩层结构力学模型，利用数值模拟分析了不同巷旁支护体宽度时的沿空留巷维护效果。

早期综放面沿空留巷技术针对充填体支护阻力、宽度等参数研究较多，主要是将充填体假设为独立的存在，并未综合考虑留巷宽度、留巷支护强度、顶板强度等因素对沿空留巷空间结构稳定性的影响。近年来，大量学者开始针对综放面沿空留巷空间结构影响因素进行广泛研究。张农[18]等分析了沿空留巷围岩区域应力分布特征，提出了整体强化沿空留巷结构控制原理；王卫军[19]等通过建立公式，研究了顶板下沉量与支护阻力、顶煤厚度、顶煤弹性模量、巷道宽度之间的关系；卢小雨[20]等通过推导公式，研究综放面沿空留巷顶板下沉量与巷内支护阻力、巷旁支护阻力、直接顶厚度、充填体宽度、巷道宽度之间的关系；李胜[21]等分析了综放面沿空留巷直接顶强度、煤体强度、巷旁支护体强度、巷内支护阻力、关键块给定载荷、直接顶容重、顶煤容重、关键快破断位置、巷旁支护体宽度、巷道宽度、直接顶厚度、采高和顶煤厚度等因素对顶板下沉量的影响，并推导了顶板下沉量的公式；张培森[22]等通过数值模拟，研究了倾斜煤层综放面煤层刚度、充填体强度、煤层埋深对沿空留巷围岩位移和应力的影响。

上述研究虽然研究了不同因素对综放面沿空留巷空间结构的影响，但并未研究实际矿井条件下，如顶板强度、厚度等无法改变时，留巷空间“小”结构稳定性人为可控关键参数优化。沿空留巷空间“小”结构指留巷周围锚杆组合支护、锚杆与围岩组成的锚固体以及充填体组成的结构空间。基于此，利用数值模拟、极差分析及灰色关联度等方法，详细分析了沿空留巷充填体宽度、充填体强度、留巷宽度、采高及巷内支护强度等5个人为可控因素对留巷空间“小”结构稳定性的影响，提出了沿空留巷空间“小”结构稳定性控制关键方法，并以潞安漳村矿2308工作面为算例，详细分析了留巷充填体宽度、充填体强度、留巷宽度、采高及巷内支护强度等5个人为可控因素对留巷空间“小”结构稳定性的影响程度，为工作面沿空留巷设计提供依据。

1 留巷空间“小”结构稳定性关键参数控制

沿空留巷空间“小”结构稳定性关键参数控制，如图1所示。主要分为四个层面：①指标层，以顶板下沉量、两帮移近量、充填体最大应力参数作为沿空留巷效果评价指标；②因素层，研究充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度、充填体强度对留巷效果的影响；③方法层，利用数值模拟、极差分析、灰色关联度分析等方法，分析各因素对评价指标影响程度，确立沿空留巷空间“小”结构稳定性控制关键参数；④结果层，通过留巷空间“小”结构稳定性控制关键参数，指导沿空留巷方案设计，并对留巷效果进行评价。

图1 沿空留巷“小”空间结构稳定性控制

2 工程背景

漳村煤矿2308工作面地面标高+922～+964m，井下标高为+532～+592m，工作面宽度为238m，工作面设计推进长度400m。2308工作面所在煤层平均厚度为6.37m，煤层层理明显，节理、裂隙较发育，煤层倾角1°～4°，普氏硬度f=0.9，容重为1.35t/m3。工作面瓦斯相对涌出量为6.2m3/t，煤尘具有爆炸性，不易自燃。2308工作面区域的煤层地质柱状如图2所示。

图2 2308工作面区域煤层地质柱状

3 试验设计

3.1 模型变量参数选择

文献[23]研究表明，当巷内支护阻力、直接顶弹性模量、巷旁支护体弹性模量和巷旁充填体宽度越大时，沿空留巷空间变形量越小，结构越稳定；相反，当基本顶给定载荷、顶煤弹性模量、巷道宽度和关键块破断位置越大时，沿空留巷空间变形量越大，结构越容易失稳。为了使得沿空留巷空间变形量小，结构稳定，应当增加巷道顶板支护阻力，提高直接顶强度，增加充填体的宽度和强度，同时降低留巷上覆岩层的应力，减小顶煤的强度，缩小留巷的宽度，缩减关键块破断处离巷道的距离。

但是考虑到以上8个因素中，部分因素(如留巷上覆岩层的应力、关键块破断位置等)的改变会大大增加沿空留巷成本，因此本文中选取充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度和充填体强度等人为可控的小成本因素作为模型变量参数研究，实现留巷成本与留巷空间结构稳定性协调。

3.2 模型变量参数正交设计

综上分析，设计L16(45)型正交试验。用字母A，B，C，D，E分别代表充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度和充填体强度；用下标1，2，3，4分别代表各个因素的水平。

4 基于FLAC3D分析结果

4.1 模型参数

根据漳村煤矿3号煤层具体地质条件，采用FLAC3D模拟软件建立数值模型，工作面岩石物理力学参数见表1。模型尺寸为500m×360m×50m。根据现场地质条件，模型上部边界施加相应条件的垂直应力，四周及下部边界固定；模拟采用基于弹塑性理论的摩尔-库仑准则。

表1 岩石物理力学参数

4.2 模型变量取值

根据实际情况，选取充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度和充填体强度5个沿空留巷空间“小”结构稳定性关键参数的合理取值范围，见表2。

表2 模型关键参数取值

4.3 试验结果分析

参照正交设计表，在FLAC3D中建立16组计算模型，运行计算后，依次提取16组模型巷道顶底板下沉量、两帮移近量和充填体所受最大应力，整理后得到结果。

4.3.1 极差分析

对得到的数据进行处理，求得所列各因素在各指标下的极差，见表3。

表3 极差分析

通过极差分析可知，对于顶板下沉量，其因素影响程度大小为：充填体宽度>留巷宽度>采高>充填体强度>留巷顶板支护强度；对于两帮移近量，其因素影响程度大小为：留巷宽度>充填体宽度>采高>充填体强度>留巷顶板支护强度；对于充填体最大应力，其因素影响程度大小为：充填体宽度>留巷宽度>采高>留巷顶板支护强度>充填体强度。对充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度和充填体强度5个因素进行分析处理得到各因素对沿空留巷空间“小”结构稳定性影响因素的灵敏度，如图3所示。

4.3.2 灰色关联度分析

由上述极差分析可知，各个因素对各个评价指标的影响结果并不一致，只能分析出单个指标下哪个因素的影响最大，不能得出几个指标同时考虑时结构的最佳因素搭配水平，因此进行灰色关联度分析，考虑组合权重，求出最佳的因素水平。关联度的计算按照下述公式求解。

1)将评价指标的结果矩阵化，矩阵公式如：

式中，m为评价指标个数；n为试验方案个数。

2)按照均值法，各评价指标进行归一化处理：

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

3)设置参考指标矩阵，构建理想的参考指标矩阵(通常为各指标中的最大值)，记为：

4)关联系数。将理想方案作为参考序列，各个评价指标值作为比较序列，按式(4)求得各指标对应的关联系数。

整理后见表4。

5)权重计算。结合文献[24]的计算方法，按照熵值法计算求得各指标的客观赋值权重。

表4 指标层的灰色关联系数

对指标矩阵X归一化处理：

各指标的信息熵：

熵值法权重：

依据上述公式，求得顶板下沉量、两帮移近量、充填体最大应力的客观赋值权重分别为0.3397、0.3255和0.3347。

将主观权重和客观权重进行组合：

结合上述公式，求得顶板下沉量、两帮移近量和充填体最大应力的组合权重为0.4574、0.2922和0.2504。再结合表5的目标关联系数和求得的组合权重，按下式求得灰色关联度矩阵，按照平均求和的方法，求得各因素各水平的平均关联度，见表5。

表5 影响因素对指标层的平均关联度

由表5可知：充填体宽度为2m时，关联度最大为3.0598；留巷宽度为5m时，关联度最大为3.1436；采高为3m时，关联度最大为2.9548；留巷顶板支护强度为0.8MPa时，关联度最大为3.0262；充填体强度为3MPa时，关联度最大为3.0451。

综上所述，按照关联度得出的沿空留巷空间“小”结构稳定性最佳方案为充填体宽度为2m、留巷宽度为5m、采高为3m、留巷顶板支护强度为0.8MPa、充填体强度为3MPa。

4.4 最佳方案模拟

根据灰色关联度确定的沿空留巷空间“小”结构稳定性参数，对其数值模拟结果进行分析，如图4所示。

图4 最优参数模拟垂直应力

图5 最优参数模拟垂直位移

图6 最优参数模拟水平位移

由图4可知，采用沿空留巷空间“小”结构稳定性控制技术优化留巷重要参数后，“小”结构内煤柱侧围岩垂直应力远大于留巷底板围岩及充填体垂直应力，其中充填体及留巷底板围岩受到最大应力为0.1MPa，留巷顶板受到最大应力为8MPa，煤柱侧围岩受到最大应力为11MPa；由图5可知，留巷空间“小”结构内，围岩垂直变形量较小，其中留道顶板最大下沉量为700mm，留巷底板最大移近量为200mm，充填体最大下沉量600mm；由图6可知，留巷空间“小”结构内，围岩水平变形量较小，其中煤柱帮围岩最大移近量为300mm，充填体留巷侧最大移近量为100mm。

5 现场效果分析

在2308工作面留巷内布置测点监测留巷空间“小”结构稳定效果，如图7所示。监测内容为巷道表面位移和顶板锚索应力。

图7 测点布置方案

5.1 巷道表面位移监测分析

在留巷45m处布置测点，监测巷道表面位移，结果如图8所示。

图8 巷道围岩变形量

由图8可知，留巷初期围岩位移量较小；随着工作面回采，顶板及两帮位移量逐渐增大；随着充填体承载力的升高，留巷顶板下沉量逐步稳定于678mm，两帮移近量逐步稳定于350mm。

5.2 顶板锚索应力监测分析

分别在工作面后方15m、30m、45m巷道内设置3个测点，监测留巷顶板锚索应力，结果如图9所示。

图9 巷道顶板锚索应力变化规律

由图9可知，留巷内锚索应力较低，最大应力为47.8kN。距工作面越远，锚索应力值越高。距工作面45m处锚索应力达到47.8kN，而15m处锚索应力仅33.5kN。随工作面回采，工作面后方留巷内锚索应力升高，并逐渐趋于稳定。

综上可知，现场监测结果与数值模拟结果相吻合。工作面利用留巷空间“小”结构稳定性控制选取留巷主要参数，留巷效果明显。

6 结 论

1)充填体宽度、留巷宽度、采高、留巷顶板支护强度和充填体强度5个关键参数对沿空留巷空间“小”结构稳定性指标影响程度各不相同；基于灰色关联度和组合权重分析，应该合理选取留巷空间“小”结构稳定性参数。

2)利用留巷空间“小”结构稳定控制所选取的重要参数，通过数值模拟和现场监测，结果是合理的、一致的。

3)现场应用结果表明，留巷顶板最大下沉量为678mm，两帮最大移近量为350mm，留巷空间“小”结构稳定性明显。