張山松，李志華

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

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深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律研究

張山松1,2，李志華1,2

(1.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

[摘要]以淮南某礦沿空留巷工作面地質(zhì)條件為背景，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，研究了不同留巷跨度、充填體寬度、采高對深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在巷道頂板堅硬、底板較軟的情況下，巷道跨度和充填墻體寬度對底鼓影響劇烈，而頂板和墻體的穩(wěn)定受采高影響較大。底板穩(wěn)定性成為留巷成功的關(guān)鍵因素，必須通過選擇合適的巷道跨度和墻寬，并且與采高相適應(yīng)，最大限度地減小底鼓量，維持頂板和墻體穩(wěn)定。數(shù)值模擬結(jié)果與工程實例中所表現(xiàn)出的實際情況一致。研究成果為該礦及類似條件的沿空留巷工作面安全高效開采提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]沿空留巷；圍巖穩(wěn)定性；深部圍巖變形；數(shù)值模擬

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.011

[引用格式]張山松，李志華.深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：39-42.

沿空留巷是無煤柱開采普遍使用的一種護巷方式，它是煤礦開采技術(shù)的一項重大改革，該技術(shù)具有能提高煤炭采出率、增加生產(chǎn)連續(xù)性、改善巷道維護和降低掘進率等技術(shù)優(yōu)勢，對避免因煤柱和丟煤等引起的井下災(zāi)害有明顯的效果[1]。由于沿空留巷要經(jīng)受兩次采動的強烈影響[2]，巷道圍巖活動劇烈，巷道維護難度較大，且我國煤炭未來開采的主要儲量由集中于淺部延伸至深部[3]，隨著采深的增大，巷道圍巖變形量大且采場礦壓顯現(xiàn)強烈[4]。因此，為了更好地服務(wù)深部沿空留巷工作面開采，有必要對深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律進行研究。影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的因素很多，如圍巖巖性、地應(yīng)力、巷道斷面形狀和尺寸、直接頂和老頂強度、充填體寬度、煤層厚度等[5]。本文以淮南某礦工作面煤層地質(zhì)條件為背景，采用FLAC數(shù)值模擬軟件，模擬分析了不同留巷跨度、充填體寬度以及采高對工作面回采后沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響。

1工作面概況

工作面設(shè)計傾向長度220m，可采走向長度2596.3m，平均煤厚2.54m,煤層傾角3～10°，平均5°，可采儲量 2.031Mt。工作面標高-765.8～-656.2m，地面標高+23.5～+24.6m。煤層直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖；偽頂主要為炭質(zhì)泥巖；基本頂大部分為砂巖，底板一般為泥巖。工作面為該礦首次采用沿空留巷、Y型通風方式。

2數(shù)值計算模型

2.1　計算模型建立

根據(jù)實際的煤層埋深以及巖層分布情況建立數(shù)值計算模型。該工作面煤層傾角3~ 10° ，平均為5°，為近水平煤層，所以在數(shù)值模擬中簡化為水平煤層。整個模型在空間上的尺寸x方向為180m,y方向上為80m。整個模型共21200個單元。模型計算采用摩爾-庫倫準則。數(shù)值模擬采用的煤巖力學參數(shù)見表1。

表1　模型巖層屬性

2.2　模擬方案及步驟

本次數(shù)值模擬主要是研究沿空留巷巷道寬度、采高、充填體寬度對回采后沿空留巷圍巖變形量的影響。具體模擬計算方案如下：

(1)建立初始模型。在采高3.5m、巷道高度3.5m、巷道寬度5.0m、充填體寬度3.0m的情況下，依照井下沿空留巷開采順序進行模擬。第1步開挖巷道，巷道頂板和兩幫采用左旋超高強預(yù)拉應(yīng)力錨桿配合鋼帶、鋼塑網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為φ20mm×2500mm，模型運算平衡。第2步開挖采場，在留巷段使用φ180mm×3000mm圓木打2排點柱，模型運算平衡。

(2)變換初始模型中巷道跨度為3m，4m，5m，進行數(shù)值模擬試驗。

(3)變換初始模型中充填體寬度為2m，3m，4m，5m，進行數(shù)值模擬試驗。

(4)變換初始模型中采高為1m，3m，5m，進行數(shù)值模擬試驗。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1　留巷跨度對巷道穩(wěn)定性的影響

以初始模型為基礎(chǔ)，分析留巷圍巖變形量隨跨度變化時的情況。模型重新調(diào)整原則為：充填體支護參數(shù)、采高、巖層物理力學屬性均保持不變，僅改變巷道跨度。重建2個模型，跨度分別為3m，4m，5m(已在初始模擬中模擬)。圖1為不同跨高比下工作面開采后圍巖位移矢量圖及塑性區(qū)分布圖，圖中 “0”表示受拉破壞的巖體，“×”表示屈服后又恢復(fù)彈性狀態(tài)的巖體， “*”表示受剪切破壞或體積破壞的巖體，巷道圍巖變形量統(tǒng)計見表2。留巷跨度對巷道圍巖變形量的影響見圖2。

圖1　不同跨高比留巷圍巖塑性區(qū)及位移矢量

巷寬/m頂板下沉量/mm底鼓量/mm墻體移近量/mm煤幫移近量/mm頂?shù)装逡平?mm兩幫移近量/mm3462.6261.5424.4590.6724.11015.04488.9371.7493.5549.4860.61042.95536.1400.4547.8547.8936.51095.6

圖2　留巷跨度對巷道圍巖變形量的影響

由表2、圖1和圖2分析可知，隨著巷道跨度的增加，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平烤兴黾?，煤幫移近量隨跨度的增加反而略有減小。巷道頂板下沉量、底鼓量隨著巷道跨度的增加而增加。由于巷道頂板為堅硬的細砂巖，所以頂板下沉量較小，受巷道跨度的影響較小；巷道底板為軟弱的泥巖，底鼓量大于兩幫及頂板的變形量，受巷道跨度的影響很大。巷道跨度由3m增加到5m，頂板下沉量增加了73.5mm，底鼓量增加了138.9mm，墻體移近量增加了123.4mm,同時當巷道高度超過3m時，圍巖變形對跨度降低的變化更為敏感[6]。因此，當留巷高度不變時，在滿足便于運輸和安全生產(chǎn)的條件下，最大限度降低留巷跨度，能夠大幅降低頂?shù)装逡平亢蛪w移近量，有效地保持圍巖承載性能，特別是當?shù)装鍘r性較軟時，能很大程度地降低底鼓量，增強留巷效果。

3.2　充填體寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

巷旁支護體寬度設(shè)計是沿空留巷巷旁支護的一個重要參數(shù)，它不僅影響著巷旁支護體本身的穩(wěn)定性，而且對留巷圍巖的穩(wěn)定性也有重要的影響，還涉及到沿空留巷的經(jīng)濟效益與勞動強度。

模型調(diào)整原則為：以初始模型為基礎(chǔ)，其他參數(shù)和力學屬性不變，僅改變充填體寬度分別為2m， 3m(已在初始模擬中模擬)，4m，5m，重建3個模型。圖3為不同充填體寬度下工作面回采后沿空留巷圍巖位移矢量圖及塑性區(qū)分布圖，巷道圍巖變形量統(tǒng)計見表3，充填體寬度對巷道圍巖變形量的影響見圖4。

圖3　不同充填體寬度留巷圍巖塑性區(qū)及位移矢量

充填體寬/m頂板下沉量/mm底鼓量/mm墻體移近量/mm煤幫移近量/mm頂?shù)装逡平?mm兩幫移近量/mm2623.3281.1599.6578.5904.41178.13533.3390.5540.3539.5923.81079.84535.1644.1516.1582.71179.21098.85470.2768.2438.7581.61238.41020.3

圖4　充填體寬度對巷道圍巖變形量的影響

通過表3、圖3和圖4可以看出，在充填體寬度增加的過程中，頂板下沉量、充填墻體移近量和煤幫移近量有略微的降低，幅度很小，而巷道底鼓量卻呈現(xiàn)出快速增長趨勢，特別是當充填墻體寬度達到3m以后，變形更加劇烈，致使巷道的破壞加劇。根據(jù)文獻[7]可計算出充填體寬度應(yīng)不小于1.7m，若充填體寬度過小，充填墻體受壓變形嚴重，留巷很難成功[8]。又由數(shù)值模擬結(jié)果可知，在硬頂軟底的地質(zhì)條件下，底鼓量受跨度影響很大，底板的穩(wěn)定性成為留巷成功的關(guān)鍵因素。因此，在保證充填墻體穩(wěn)定的情況下，應(yīng)盡可能地降低充填墻體寬度，提高留巷效益的同時，更能保證底板的穩(wěn)定性。

3.3　采高對巷道圍巖穩(wěn)定性影響

模型調(diào)整原則為：以初始模型為基礎(chǔ)，巷道斷面形狀及尺寸不變，當巷道高度超過采高時采用挖底的方式布置，充填體支護參數(shù)不變，充填體高度與采高相同，巖層物理、力學屬性保持不變，僅改變采高。重建3個采高分別為1m，3m，5m的模型。圖5為不同采高工作面回采后沿空留巷圍巖位移矢量圖及塑性區(qū)分布圖。

圖5　不同采高留巷圍巖塑性區(qū)及位移矢量

表4為不同采高時巷道圍巖變形量。再根據(jù)兩巷頂?shù)装逡平俊蓭鸵平康玫讲煌筛呦孪锏雷冃瘟孔兓P(guān)系曲線，如圖6所示。

表4　巷道圍巖變形量統(tǒng)計

圖6　采高對巷道圍巖變形量的影響

由表4和圖6可看出，巷道頂板下沉量和充填墻體移近量隨采高的增加而快速增加，幅度較大，底鼓量和煤幫移近量增加幅度較小，且當采高達到3m以后，底鼓量的變化不明顯，而充填墻體移近量和頂板下沉量分別增加了277.5mm，215.9mm。同時通過圍巖位移矢量圖可以看出隨著采高的增加，充填體高度增加，其穩(wěn)定性大幅降低，說明在硬頂軟底的地質(zhì)條件下，采高對底板和煤幫的影響相對較小，但能對頂板和充填墻體造成較劇烈的影響，采煤工作面采高越大，其對巖層活動的影響范圍及幅度就越廣[9]。因此，在采高較大時，充填體寬度必須適當?shù)卦黾硬拍鼙ＷC充填體的承載性能，并最大限度地保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4工程實例

淮南謝一礦512(5)工作面位于該礦51采區(qū)，煤層埋深-700~-780m,工作面走向1688m,傾斜長為150~240m,平均值為195m,煤層厚度平均為1.0m ,頂板為砂巖，底板為泥巖。根據(jù)該礦地質(zhì)條件和開采條件，確定了巷旁充填體的合理寬度為2.52m,留設(shè)巷道寬度為5.0m。由圖2知，巷道寬度為5m時，巷道圍巖變形均比較緩慢；由圖4知，當充填體墻寬為2.52m時，底鼓量增加緩慢，有利于保持底板的穩(wěn)定性；由圖6知，采高為1m時，巷道圍巖變形量較小，對巷道圍巖穩(wěn)定性影響不大。沿空留巷后，實測數(shù)據(jù)表明在工作面后方30m內(nèi)，工作面?zhèn)软敯逑鲁了俣炔怀^35.2mm/d,實體煤側(cè)頂板下沉速度不超過28.0mm/d，兩幫變形速度不超過19.4mm/d;頂板下沉量達到601.3mm，底鼓量達到475.2mm，煤幫位移量約為586.0mm。在工作面后方70m后，頂板上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉趨于穩(wěn)定，圍巖變形趨于穩(wěn)定，留巷后巷寬約為4.1m,巷高約為2.8m,充填墻體沒有出現(xiàn)明顯開裂和破壞現(xiàn)象，巷道變形在控制范圍內(nèi)，滿足了本工作面的回風及安全回采需要，達到了預(yù)期留巷要求。

5結(jié)論

本次模擬的工作面頂板為堅硬的砂巖，底板為軟弱的泥巖。由數(shù)值模擬的結(jié)果可知，巷道跨度和充填體寬度對底板的影響大于對巷道頂板和兩幫的影響，且巷道開挖后，往往只加固巷道頂板和煤幫，底板不采取任何處理措施，成為巷道支護的一個薄弱部位。對于頂板堅硬，底板軟弱的圍巖條件，底板的穩(wěn)定性成為沿空留巷成功的重要因素。同時，巷道頂板和充填墻體的穩(wěn)定受采高的影響較大。因此，應(yīng)當通過選擇合適的巷道跨度和充填體寬度，并且與采高相適應(yīng)，才能最大程度地減小底鼓量，維持頂板和充填墻體的穩(wěn)定，保證巷道圍巖穩(wěn)定性，提高留巷效果。

[參考文獻]

[1]梁洪光，沈健，李建中.無煤柱開采技術(shù)在徐莊生建煤礦的應(yīng)用[J].煤礦開采，2011，16(2)：35-37.

[2]錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010.

[3]謝和平，周宏偉，薛東杰，等.煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J].煤炭學報，2012,37(4)：535-541.

[4]謝和平，周宏偉，劉建鋒，等.不同開采條件下采動力學行為研究[J].煤炭學報，2011,36(7)：1067-1074.

[5]李迎富，華心祝.沿空留巷支護結(jié)構(gòu)可靠度分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2011,31(3)：76-81.

[6]韓昌良，張農(nóng)，錢德雨，等.大采高沿空留巷頂板安全控制及跨高比優(yōu)化分析[J].采礦與安全工程學報，2013，30(3)：348-354.

[7]孫恒虎，趙炳利.沿空留巷的理論與實踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

[8]丁新平，馬振乾，王朋朋，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性分析及墻體寬度的確定[J].煤礦現(xiàn)代化，2012(4)：27-29.

[9]薛俊華，韓昌良.大采高沿空留巷圍巖分位控制對策與礦壓特征分析[J].采礦與安全工程學報，2012,29(4)：66-73.

[10]李志華.采動影響下斷層滑移誘發(fā)煤巖沖擊機理研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2009.

[11]李志華，竇林名，陳國祥，等.采動影響下斷層沖擊礦壓危險性研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2010(4)：490-495，545.

[責任編輯：姜鵬飛]

Surrounding Rock Stability Variation of Deep Roadway Retained along Gob

ZHANG Shan-song1,2，LI Zhi-hua1,2

(1.Energy & Safety School，Anhui University of Science & Technology，Huainan 232001，China； 2.Educational Ministry’s Key Laboratory of Coalmine Safety & High-efficiency Mining，Huainan 232001，China)

Abstract：Applying FLAC numerical software，the influence of different roadway spans，stowing body widths，and mining heights on surrounding rock stability of deep roadway retained along gob in a mine was researched.Results showed that roadway span and stowing wall width strongly influenced floor heave，and mining height large influenced the stability of roof and wall under the condition of hard roof and soft floor.Floor stability became key factor of successfully retaining roadway along gob.It was necessary that reducing floor heave and keeping roof and wall stable by selecting rational roadway span and wall width which was adaptable for mining height.Numerical result was accordance with field observation.This could provide reference for safe and high-efficiency mining face with retaining roadway along gob.

Keywords：retaining roadway along gob；surrounding rock stability；deep surrounding rock deformation；numerical simulation

[作者簡介]張山松(1989-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，主要研究方向為礦山壓力與巖層控制。

[基金項目]國家自然科學基金項目(51274010)

[收稿日期]2015-01-23

[中圖分類號]TD325

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0039-04