錢志良

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

沿空留巷作為無煤柱護巷之一，能減小煤炭損失，提高煤炭回收率，有效解決瓦斯超限等問題，符合我國科學采礦、綠色采礦的發(fā)展方向，因此被越來越多的煤礦認可和使用。到目前為止，我國在沿空留巷理論與技術研究方面做了大量工作，在條件較好的煤層采煤工作面，沿空留巷技術已日趨完善[1-5]。但沿空留巷受頂板活動和動壓影響，圍巖應力集中程度高，巷道變形破壞嚴重。尤其對于厚度變化不一煤層而言，巷道高度變化較大，圍巖以及充填墻體穩(wěn)定性差異性較大。目前，國內大多數(shù)理論研究和實際應用都針對同一厚度煤層[6-8]，不能滿足巷道高度較大變化需求，當只采用1種支護策略時，按巷道較高時設計，強度太高，支護費用不合理；按巷道較低時設計，巷道強度又達不到要求，影響巷道穩(wěn)定。為此研究分析變厚煤層沿空留巷巷道變形破壞原因、規(guī)律及其穩(wěn)定情況，為該類巷道合理的分類支護提供技術支撐，既能維持巷道穩(wěn)定，又能提高效率和經(jīng)濟效益。

1 沿空留巷變形破壞理論

沿空留巷變形破壞最主要原因是由上覆巖層大結構活動和巷道周邊小結構失穩(wěn)破壞造成。根據(jù)關鍵層理論[9]，沿空留巷上覆巖體大結構如圖1。

圖1 沿空留巷上覆巖體大結構模型

在工作面回采過程中，上覆巖層運動在工作面前后一定范圍內，巷道上覆頂板巖層由完整層狀結構變?yōu)槠鲶w梁結構。該結構可簡化為三鉸拱式結構，2塊體結構運動形態(tài)如圖2，根據(jù)砌體梁“S-R”穩(wěn)定理論[10]可知，砌體梁穩(wěn)定需滿足如下S和R條件。若θ角較小時易形成滑落失穩(wěn)，θ角較大時易發(fā)生變形失穩(wěn)，都嚴重影響沿空留巷穩(wěn)定。

圖2 2塊體結構運動形態(tài)

S條件：

R條件：

式中：h為關鍵塊B的厚度；h1為承載層負載巖層的厚度；σc為承載層抗壓強度；ρ為巖體的平均密度；φ為巖塊間的摩擦系數(shù)；i為斷裂度，為h/l；l為B巖塊長度；θ為B塊體的轉角。

形成穩(wěn)定砌體梁過程中，必然存在關鍵塊B下沉回轉，引起巷道圍巖內部應力重新分布，并轉移為煤柱幫和充填體上方應力，這是沿空留巷變形破壞的應力來源。另一方面，關鍵塊B還起一定保護作用，其自身穩(wěn)定是沿空留巷成功的前提。巷道頂板也會隨著產(chǎn)生不可避免的下沉，需給定頂板一定的變形量，這樣反而有利于巷道維護。

沿空留巷是否成功一方面需克服這種不可避免應力變形，另一方面需保證周邊小結構穩(wěn)定。圍巖小結構是由巷道頂板支護巖層結構、底板巖層結構、實體煤幫支護結構和充填體支護結構組成的復合結構。理論研究和現(xiàn)場實踐表明，圍巖小結構的變形破壞[11]有以下幾種類型。

1）充填體誘導型破壞。在經(jīng)受基本頂破斷、回轉、形成砌體梁結構過程中，充填體從不承載到承載，最終形成由底板、充填體、頂板組成的承載結構。當充填墻體破壞后，頂板會沿著充填體下沉，承載結構發(fā)生破壞，繼而造成巷道圍巖變形破壞，這種破壞稱為充填體誘導型破壞。

2）實體煤幫誘導型破壞。由頂板結構可知，實體煤幫的應力集中程度在小結構當中是最大的。煤幫作為懸臂梁的支承點，在懸臂梁急劇轉動過程中，煤幫會產(chǎn)生嚴重破壞并向巷道內擠出，使頂板向實體煤側下沉，影響充填體的穩(wěn)定性，也會導致底板嚴重鼓起。最終導致小結構失穩(wěn)破壞。

3）底板誘導型破壞。工作面回采前，底板一定深度有較高水平應力，但由于處在較低的應力環(huán)境中，能保持穩(wěn)定。采動后，巷道圍巖應力增大，垂直應力通過煤幫傳遞到底板巖層中，促使水平應力發(fā)揮作用，導致底鼓。而這種底鼓由于垂直應力集中的不均衡性，其變形也是不對稱的。

綜上所述，沿空留巷服務期間圍巖變形將經(jīng)歷掘進采動和二次采動影響，大結構的下沉回轉和小結構的失穩(wěn)破壞是造成沿空留巷失敗的最主要原因，控制該時期巷道圍巖變形是支護成功與否的關鍵，故需有效防止充填體、實體煤幫和頂?shù)装宓葒鷰r小結構的強烈變形和充填體的變形坍塌。除此之外，變厚煤層沿空留巷圍巖的變形特點和支護側重點也有所不同，還需進一步分析探討。

2 不同開采高度對沿空留巷的影響

2.1 沿空留巷的頂板下沉與采厚的關系

巷道頂板的最終下沉量是由垮落帶巖層厚度、采厚和巖石碎脹系數(shù)確定的，沿空留巷頂板最終下沉量如圖3。

圖3 沿空留巷頂板最終下沉量

由此可知，巖性相同時，巷道頂板下沉量與煤層采厚呈正比關系，即采厚越大，頂板下沉量越大，巷道支護也越難。所以對煤層厚度較高時進行加強支護是必不可少的。

2.2 不同高度沿空留巷充填體支護阻力分析

從沿空留巷頂板圍巖活動規(guī)律和變形破壞原因可以看出，充填體穩(wěn)定性很大程度上決定沿空留巷穩(wěn)定性。所以針對沿空留巷不同厚度開采，分析研究充填體提供多少支護阻力尤為關鍵。沿空留巷每米充填體合理的巷旁支護阻力為[12]：

式中：p為巷旁支護體需要最小的支護阻力；n為垮落層數(shù)；ρ為第1～n層的巖層平均密度；h為切頂巖層的分層厚度；a為巷道維護寬度；α為切頂巖層垮落角的余角；Ln為第n層巖層的垮落頂板巖塊長度；Rt為第Ln層巖層的抗拉強度。

根據(jù)工作面地質條件，可相應取出式（4）中參數(shù)值，確定沿空留巷的巷旁支護強度。

對于不同采厚的沿空留巷，由理論分析可知，厚度由小變大時，α角增大，對應所需巷旁支護阻力也增加。同時由下式（5）[13]可知，巷旁支護所需寬度也會隨巷旁支護強度增加而增加，所以對于巷道變厚開采時，充填墻體寬度可適當變化，在不影響巷道穩(wěn)定性的前提下節(jié)約巷道支護成本。

式中：a1為巷旁支護平均寬度；K為安全系數(shù)，一般取1.1～1.2；F為沿空留巷所需的巷旁支護強度；p1d為巷旁支護體成型后1 d的抗壓強度。

2.3 不同高度對回轉角的影響

不同高度關鍵塊B的回轉角度是不一樣的，回轉角大小取決于：

式中：θ為B塊體的轉角；M為采高；∑h為直接頂總厚度；Kp為巖石破斷厚度的松散系數(shù)。

當采高增大，回轉角度增大，當回轉角超出變形穩(wěn)定范圍時，頂板垮落對充填體沖擊較大并產(chǎn)生橫向推力，造成充填體剪脹變形的同時向巷道內移，容易造成充填體誘導型破壞。所以在頂板“定變形”的同時，實施充填墻體抗變形措施和防內移措施，保證充填體穩(wěn)定性，是支護沿空留巷的關鍵之一。

3 變厚煤層沿空留巷圍巖變形活動規(guī)律數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)某礦8101工作面現(xiàn)有地質采礦條件，建立平面模型。模型尺寸為：130 m×74 m，共劃分38 480個有限差分單元。本模型底邊界為固定邊界，水平邊界為支承邊界，上邊界為應力邊界，受模型計算容量所限，在模型的頂部加13.57 MPa的等效載荷，相當于約520 m厚的上覆巖層。由于地殼中原巖應力分布的基本規(guī)律是水平應力普遍大于垂直應力，水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減小，結合某礦實際采深，側壓系數(shù)取1.3。為了分析變厚煤層開采時沿空留巷圍巖穩(wěn)定性，結合現(xiàn)場實際情況，模型中選取巷道高為2、3、4 m，巷道寬為4.2 m。大量工程實踐證明巷道充填體寬高比最好大于0.8[14-15]，結合實際選取充填墻寬為3 m。

數(shù)值模擬過程中巖體參數(shù)選取對模擬效果具有直接影響，由于巖塊單軸抗壓強度難以全面反映工程巖體的實際強度。結合某礦已有地質參數(shù)，以及8101工作面圍巖賦存情況和揭露的圍巖巖性，采用巖體強度參數(shù)分析軟件RocLab，綜合選取得到數(shù)值模型主要巖體的力學參數(shù)（表1）。

表1 數(shù)值模擬模型巖體力學參數(shù)

3.2 變厚煤層沿空留巷圍巖活動規(guī)律分析

3.2.1 巷道變形分析

不同巷道高度條件下，工作面回采后巷道表面位移情況如圖4。從圖4（a）可知，巷道高度增加，頂?shù)装逡平吭龃螅畲笾捣謩e為160、268、525 mm，都出現(xiàn)在近充填體側，并隨著與充填側距離增大，頂?shù)装逡平恐饾u減小。圖 4（b）~4（d）為巷道高為 2、3、4 m時兩幫移近量，分析可知，巷道中部兩幫移近量最大，最大值隨巷道高度增大而增大，但變化幅度不大。

不同巷道高度充填墻體變形情況如圖5。巷道高度增加，充填體垂直壓縮量增大，其中巷道高2 m時壓縮量略小于巷道高3 m時壓縮量，兩者平均約為巷高4 m時充填體壓縮量的1/2。而充填體側向變形量都出現(xiàn)在充填體中部，并隨著巷道高度增大而增大。當與充填體內側距離增大，高3 m和4 m巷道其充填體壓縮量增大，4 m時增加了34%，3 m增加了27.5%，而巷道高2 m時，壓縮量基本不變。

圖4 不同高度巷道圍巖表面位移情況

圖5 不同巷道高度充填體變形情況

綜合可知，巷道高度增加，頂板回轉程度和充填體變形量加大，充填體外側變形加劇，此時充填體容易產(chǎn)生推垮型破壞。巷道的穩(wěn)定性和充填體的承載能力隨巷道高度增大而減小。

3.2.2 巷道圍巖應力分布規(guī)律分析

1）直接頂與煤幫應力對比分析。不同高度巷道直接頂應力對比曲線如圖6。圖6中橫坐標-10～-7.2 m范圍為采空區(qū)，-7.2～-4.2 m范圍為充填墻體，-4.2～0 m范圍為巷道，0～10 m范圍是指實體煤幫。由圖6可知，直接頂垂直應力和水平應力沿著煤幫向采空區(qū)方向主要呈減小趨勢。相對于垂直應力變化幅度，水平應力變化幅度較小。隨著巷道高度不斷增大，垂直應力小幅度增加，水平應力基本不變，只在近煤幫處頂板有少許增大。在基本頂砌體梁結構中，實體煤幫作為梁的1個支點，采空區(qū)垮落矸石為另1支點，根據(jù)側向支承壓力分布規(guī)律，充填墻體由于支承作用，在其上方會產(chǎn)生應力集中，并隨著巷道高度的增加，支承壓力也逐漸增大。對比圖6中2圖，不同巷道高度時，應力在采空區(qū)、充填體、巷道上方應力變化不大，但在實體煤幫上方直接頂應力有少許減小。結合上節(jié)分析可知，這主要是由于巷道高度增加，實體煤內部應力增大，導致變形加劇并造成其應力有所減小。不同高度巷道實體煤幫應力對比曲線如圖7。圖7中，0～10 m范圍為實體煤幫。煤幫垂直應力和水平應力最大值隨著巷道高度增加而減小，淺部圍巖變形加劇，圍巖應力得以釋放，應力逐漸向深部轉移。同時煤幫始終處于高應力狀態(tài)，不加以支護易導致煤幫變形，并造成實體煤幫誘導型破壞。

2）最大主應力分布對比分析。不同高度巷道圍巖最大主應力分布圖如圖8。由圖8可知，巷道高度增大，導致巷道圍巖最大主應力低應力區(qū)的范圍逐漸增大，低應力區(qū)范圍越大，淺部圍巖支護承載結構內巖體的剪脹變形越強烈，支護承載結構的穩(wěn)定性越弱。綜合以上數(shù)值結果分析不難看出：隨著巷道高度增加，大結構回轉程度增大，巷道變形加重，作用在充填體上的支承壓力也增大，同時實體煤幫圍巖應力也應隨之增高。但由于幫角處應力集中，易造成幫角變形加重，并釋放變形能，幫角成為承載結構的薄弱點。變形導致的低應力區(qū)增大會致使圍巖應力向深部延伸。所以對大采高巷道，增加充填體強度、減小其內移和提高實體煤幫的穩(wěn)定性，是控制巷道變形的關鍵。而對于巷道高度較小時，巷道自承載能力較好，考慮經(jīng)濟因素，提高煤幫的穩(wěn)定性就可控制好此類巷道。

圖6 不同高度巷道直接頂應力對比曲線

圖7 不同高度巷道實體煤幫應力對比曲線

圖8 不同高度巷道圍巖最大主應力對比圖

4 結論

1）大結構的回轉和小結構失穩(wěn)是沿空留巷變形破壞主要原因。針對變厚煤層沿空留巷，當高度增加，頂板下沉量增大，巷道支護難度、充填體所需支護阻力、充填寬度和回轉角度增加，易造成充填體破壞并向巷道內移，并在巷道實體煤幫和幫角處產(chǎn)生應力集中，應力峰值向深部延伸。此時支護重點是在給定變形的情況下對充填墻體進行強化，提高充填墻體支護阻力的同時加強實體煤幫支護強度，從而保證墻體實體煤幫的穩(wěn)定性。

2）高度較小時，巷道變形不顯著，但實體煤幫應力集中，存在變形隱患，故其支護重點為選擇合適充填寬度并集中對煤幫的加強支護，充填體強度可適當減小。