倾斜煤层沿空留巷围岩变形破坏演化规律

顾国民

(四川广旺能源发展(集团)有限责任公司，四川 广元 628000)

0 引言

我国西南部煤炭资源大多以倾斜煤层为主，倾斜煤层矿井占比高达80%[1-2]。由于倾斜煤层成煤条件特殊，大多为优质的焦煤、无烟煤等，属于我国赋存较少的稀缺煤种。同时由于其煤层资源赋存不均，大部分矿井在开采倾斜煤层时都存在采掘关系紧张的问题。因此采用沿空留巷技术提高煤炭采出率、缓解工作面接替紧张。实践表明，倾斜煤层由于赋存条件复杂，采掘过程中往往出现矿压显现剧烈、巷道维护困难等问题[3-4]。倾斜煤层沿空留巷矿压显现规律不同于普通沿空留巷，巷道稳定性受采动影响程度更大，煤层倾角、综放开采覆岩活动共同对沿空留巷稳定性产生影响，巷道围岩变形破坏问题日益突出。

国内外学者对此开展了大量研究。例如，刘湖亭[5]利用FLAC3D数值模拟软件模拟了沿空留巷围岩塑性变形特征，结果表明，超前工作面30 m及滞后工作面150 m内巷道受力集中，变形较大；钱志良[6]利用理论分析和数值模拟分析了变厚煤层沿空留巷的围岩变形情况和应力分布规律，发现煤层厚度增大，顶板下沉量增大，充填体所需支护阻力、充填宽度和回转角度增加；武精科等[7]通过现场调研与理论分析相结合的方法得出顶板支护结构稳定性弱、跨度大、倾斜角度大和顶帮协同承载能力低是造成其变形破坏的主因；丁伟伟[8]通过数值模拟研究了缓倾斜煤层沿空留巷矿压规律，发现随着工作面推进，沿空留巷围岩变形会逐渐趋于稳定；苗旺[9]采用数值模拟研究了煤层倾角对深部综放工作面沿空留巷围岩的影响，认为顶板下沉量随着煤层倾角的增大而减小，底板底鼓量随着煤层倾角的增大而增加；王浩等[10]运用数值模拟的方法研究了煤层倾角对围岩塑性破坏的影响，发现随煤层倾角的增大，留巷围岩的塑性破坏程度加剧，巷道两帮及底板塑性区范围明显增大；李鑫等[11]采用数值模拟研究沿空留巷塑性区分布，认为顶底塑性区增大的特点是沿着垂直于岩层的方向增大，两帮塑性区增大的特点是沿煤层分布方向增大；李季等[12]采用理论分析和数值模拟等综合研究方法得出采空区侧向围岩应力场的主应力方向会发生显著变化，从而导致深部沿空巷道围岩形成非均匀塑性区。

以上研究从各方面研究了倾斜煤层沿空留巷煤层倾角和工作面推进距离等因素对围岩塑性破坏都具有显著影响，同时也对塑性区的分布特点进行了研究，但却并未得到沿空留巷整个服务周期内的塑性区演化规律。因此，以龙门峡南矿3131机巷沿空留巷为工程背景，采用数值模拟方法，揭示倾斜煤层沿空留巷塑性区演化规律，以期为沿空留巷围岩控制提供理论指导。

1 工程概况

龙门峡南矿3131工作面地面标高+845～+930 m，位于龙王洞背斜西翼313采区。工作面煤层厚度0.8～2.0 m，平均煤厚1.6 m，煤层倾角28°～32°，平均倾角30°，煤层顶底板地质综合柱状图如图1所示。

图1 龙门峡南矿地质柱状图Fig.1 Geological histogram of Longmenxia South Mine

3131机巷沿煤层顶板掘进，所在煤岩层倾角较大，断面呈梯形状，受多次采动作用，围岩应力场复杂，变形破坏较为严重。矮帮侧顶板下沉量大于高帮侧顶板下沉量，高帮变形量明显大于矮帮变形量，底板两侧发生不同程度底鼓，巷道围岩表现出明显的非均匀变形破坏特征，变形破坏素描如图2所示。

图2 3131机巷变形素描Fig.2 Deformation sketch of 3131 mechanical roadway

对于3131机巷作为沿空留巷使用来说，其服务周期包括掘进阶段、一次采动影响阶段、留巷阶段和二次采动影响阶段。在掘巷阶段之后，3131机巷沿空留巷还会受2次采动影响，其具体变形破坏特征与演化规律还需进一步详细研究。

2 变形破坏数值模拟

2.1 模型建立

利用FLAC3D数值模拟软件，建立如图3所示计算模型。模型尺寸为350 m×100 m×236 m(长×宽×高)，模型上表面施加10 MPa等效载荷。数值模型采用弹塑性本构模型，破坏准则采用Mohr-Coulomb准则，模型模拟沿空留巷全服务周期内塑性区分布特征。模型中的岩层物理力学参数参见表1。

表1 岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

图3 数值模拟计算模型Fig.3 Numerical simulation calculation model

2.2 围岩塑性区分布形态

数值模拟首先模拟倾斜煤层沿空留巷掘进阶段围岩塑性区分布形态，如图4所示。由图可知，掘巷阶段巷道围岩塑性区呈现非均匀破坏特征。巷道高帮顶角周围和矮帮底角周围塑性区范围较大，巷道顶板塑性区最大破坏深度靠近矮帮一侧，其最大破坏深度为2.5 m。巷道矮帮塑性区最大破坏深度为1 m，巷道高帮塑性区最大破坏深度为2 m，巷道底板塑性区最大破坏深度为2.5 m。

图4 掘巷阶段塑性区分布形态Fig.4 Distribution pattern of plastic zone in tunneling stage

倾斜煤层沿空留巷受一次采动影响围岩塑性区分布形态如图5所示。由图可知，受一次采动影响，巷道围岩塑性区非均匀破坏程度明显增加，并且沿煤层方向扩展，巷道顶板塑性区最大破坏深度靠近矮帮一侧，其最大破坏深度仍为2.5 m，但其范围增大；巷道矮帮和底板塑性区最大破坏深度均无明显变化，巷道矮帮塑性区最大破坏深度为1 m，巷道底板塑性区最大破坏深度为2.5 m，巷道高帮塑性区最大破坏程度沿煤层方向扩展。

图5 一次采动影响阶段塑性区分布形态Fig.5 Distribution pattern of plastic zone in primary mining influence stage

图6为一次回采结束后留巷阶段巷道围岩塑性区分布形态。由图可知，巷道围岩塑性区非均匀破坏程度继续增加，巷道高帮侧塑性区急剧扩展并与第1个工作面采空区贯通，巷道顶板塑性区最大破坏深度范围增加，并且沿煤层方向扩展范围较大，巷道矮帮塑性区最大破坏深度增大为1.5 m，巷道底板塑性区最大破坏深度范围增加，巷道矮帮底角周围塑性区继续向深部扩展。

图6 留巷阶段塑性区分布形态Fig.6 Distribution pattern of plastic zone in roadway retained stage

倾斜煤层沿空留巷受二次采动影响围岩塑性区分布形态如图7所示。由图可知，巷道围岩塑性区依然呈非均匀破坏特征，相较于上一阶段，巷道顶底板塑性区破坏深度和破坏范围变化不明显，巷道高帮塑性区由于发生贯通也无显著变化，但巷道矮帮周围塑性区则沿煤层方向逐渐向第2个工作面侧发生严重扩展。

图7 二次采动影响阶段塑性区分布形态Fig.7 Distribution pattern of plastic zone in secondary mining influence stage

3 围岩变形破坏演化规律

结合不同阶段塑性区分布形态进行分析可知，倾斜煤层沿空留巷在掘进阶段，由于只受掘进影响未受采动影响，塑性区破坏不明显，巷道围岩较为稳定。在受一次采动影响时，塑性区破坏范围向矮帮侧发生一定程度的扩展。留巷阶段，采空区上覆直接顶垮落，老顶断裂，致使巷道围岩塑性区破坏深度增大且塑性区破坏和采空区贯通。二次影响阶段，巷道围岩塑性区破坏和采空区贯通，同时沿着下一个工作面方向大幅延伸。巷道围岩塑性区形态在受重复采动影响下呈现非均匀扩展特征。巷道在掘进—一次采动—留巷—二次采动全过程，围岩塑性区演化规律如图8所示。

图8 沿空留巷服务周期内塑性区演化规律Fig.8 Evolution law of plastic zone in gob-side retaining roadway service cycle

4 结论

(1)倾斜煤层沿空留巷服务周期内围岩塑性区分布形态呈现非均匀特征，不同位置塑性区扩展呈现差异化特征。

(2)掘进阶段和一次采动阶段，塑性区破坏范围向矮帮侧扩展；留巷阶段和二次采动阶段，巷道围岩塑性区破坏深度增大且塑性区破坏和采空区贯通，同时沿着下一个工作面方向大幅扩展。