“三软”煤层沿空留巷模拟研究

摘要：本文针对“三软”煤层复杂顶板围岩条件下应用沿空留巷技术，应用FLAC对“三软”煤层沿空留巷前后的矿压显现规律进行了数值分析。研究表明，对“三软”煤层复杂顶板条件下应用沿空留巷技术时，顶板下沉量得到控制，充填体应具有足够的可缩量以适应老顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩的承载能力；同时，充填体还应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减缓留巷顶板过大的下沉量。此种条件下，沿空留巷技术行之有效。

关键词：三软煤层；沿空留巷；充填；模拟；矿山压力

1概述

沿空留巷技术20世纪50年代在我国开始使用以来，一直是我国煤炭开采的重要技术发展方向。沿空留巷技术能够较好地实现无煤柱护巷、合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、取消孤岛工作面及缩短搬家时间、防止发火。沿空留巷技术是有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的一项重大护巷技术，而且它也是矿山进行采煤方法改革、实现前进式和往复式开采、实现Y型通风方式、治理工作面瓦斯超限难题的最有效途径［1-5］。

2工程概况

工作面上顺槽巷道属于深井大跨度“三软”煤层回采巷道，顶板赋存条件变化频繁，巷道局部地段矿压显现强烈，强烈的动压影响对巷内支护和巷旁充填体的强度、刚度和整体稳定性提出了很高的要求，特别是对巷内支护材料的适应性、对充填材料的早期强度和抗变形性等提出了巨大的挑战。

3计算模型的建立

根据地质资料，采用平面应变计算模型来模拟巷道在回采和留巷期间围岩的变形过程，将围岩视为分层各向同性弹性介质。计算模型尺寸长×宽=100m×51m，巷道宽×高=5.0m×3.4m。模型的左、右及下边界均为位移固定约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷［6-8］。模型中各层物理力学参数见表1。

4模拟结果分析

4.1超前采动影响期间的计算结果分析

（1）超前采动影响下巷道围岩应力分布情况，如图1所示。

（a）垂直应力分布

（b）水平应力分布

图1超前采动影响下应力分布

从图1可以看出，巷道周边应力基本在10MPa的低应力范围区域，高应力分布在离巷道较远的区域，形似双耳状，这正是由于锚杆锚索形成的预应力承载梁的作用，使得高应力向巷道两侧深部围岩转移的结果。巷道肩角受到的水平剪切作用较强，但总体应力值并不是很大，与垂直应力相差不大。

（2）超前采动影响下巷道变形情况、变形曲线及四周最大位移量分别见图2、图3和表2。

从图2—图3中可以看出，回采时巷道在超前采到应力的影响下，回采期间四周的位移量明显增大，顶板下沉量急剧增加，底鼓破坏的趋势也较明显。巷道四周最大位移量发生在顶板，到达了645.5mm，巷道两帮及顶底移近量分别高达947.1mm和998.1mm。因此，这种情况下要对局部巷道进行采前维护，顶板管理尤其重要，超前加强支护一定要使用初撑力较高的单体支柱。

4.2留巷期间的计算结果分析

（1）留巷期间巷道围岩弹塑性区及应力分布情况，如图4所示。

图4留巷期间围岩弹塑性区

从图4分析可知，留巷期间巷道四周出现了大量的塑性区及拉应力区。先在巷道上帮部的外围形成了拉应力区，内围形成了塑性区，这是由于帮部急剧的变形导致的结果。留巷时巷道顶板的进一步下沉，在顶板中间出现了拉应力，但是由于锚杆和锚索的存在避免了拉应力的进一步扩张，保护了顶板的稳定。同时充填墙体的上下肩角处也相应地存在拉应力，这不仅与顶板下沉和底鼓有关系，而且也与充填材料的性质有很大的关系。从图1可以看出，巷道及采空区都处在应力降低区内，这是因为随着回采后直接顶板的冒落、老顶的回转下沉破断，以及“三角块”的形成，有效承担了上覆岩层的重量，保护了巷内支护免受上覆岩层自重应力作用的结果。

（2）留巷期间巷道围岩变形曲线及最终位移量分别见图5和表3。

根据图5和表3可以看出，顶板下沉量进一步增大到了731.3mm，之后趋于稳定。充填墙体在垮落顶板的压力下压缩量为394.4mm，模拟充填墙体高度为3.4m，压缩量达到了11.6%。因此，充填体应具有足够的可缩量（要达到11.6%）以适应老顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩（老顶岩梁及冒落矸石）的承载能力；同时，充填体还应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减缓留巷顶板过大的下沉量。

结语

针对“三软”煤层复杂顶板条件下应用沿空留巷技术，利用FLAC模拟分析了沿空留巷巷道超前采动影响期间和留巷期间矿压显现规律。研究表明，顶板下沉量得到控制，充填体应具有足够的可缩量（要达到11.6%）以适应老顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩（老顶岩梁及冒落矸石）的承载能力；同时，充填体还应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减缓留巷顶板过大的下沉量。研究证明，沿空留巷技术行之有效。

参考文献：

［1］康红普，张晓，王东攀，等.无煤柱开采围岩控制技术及应用［J］.煤炭学报，2022，47（1）：16-44.

［2］华心祝，杨朋.深井大断面沿空留巷底板变形动态演化特征研究［J］.中国矿业大学学报，2018，47（3）：494-501.

［3］邓雪杰，董超伟，袁宗萱，等.深部充填沿空留巷巷旁支护体变形特征研究［J］.采矿与安全工程学报，2020，37（1）：62-72.

［4］马念杰，郭晓菲，赵志强，等.均质圆形巷道蝶型冲击地压发生机理及其判定准则［J］.煤炭学报，2016，41（11）：2679-2688.

［5］高喜才，马腾飞，范凯，等.复合顶板切顶沿空留巷围岩变形分区及耦合支护技术［J］.煤炭工程，2021，53（7）：36-41.

［6］柏建彪，张自政，王襄禹，等.高水材料充填沿空留巷应力控制与围岩强化机理及应用［J］.煤炭科学技术，2022，50（6）：36-41.

［7］王方田，尚俊剑，赵宾，等.切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术［J］.岩石力学与工程学报，2022，40（11）：2296-2305.

［8］王凯，杨宝贵，王鹏宇，等.软弱厚煤层沿空留巷变形破坏特征及控制研究［J］.岩土力学，2022，43（7）：1913-1960.

［9］唐芙蓉，马占国，杨党委，等.厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究［J］.采矿与安全工程学报，2019，36（6）：1128-1136.

作者简介：苏士杰（1982—），男，汉族，河南濮阳人，硕士，高级工程师，从事冲击地压研究与治理。