張京民，孟凡林

(庫車縣科興煤炭實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 庫車 842000)

我國厚煤層資源豐富，在我國山西、內(nèi)蒙古、陜西、新疆等礦區(qū)大量賦存，已成為大批千萬噸級(jí)礦井的主采煤層。近年來，為了減少厚煤層煤炭資源浪費(fèi)，沿空掘巷技術(shù)已在厚煤層開采中得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1-4]。沿空巷道作為礦井運(yùn)輸、行人及通風(fēng)的主要通道，一旦產(chǎn)生大變形甚至失穩(wěn)，將直接影響礦井的安全生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，厚煤層沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是覆巖結(jié)構(gòu)、開采布置因素與地質(zhì)條件等多種因素共同作用的結(jié)果[5-7]。因此，探討不同因素影響下厚煤層沿空掘巷圍巖變形破壞規(guī)律對(duì)實(shí)現(xiàn)厚煤層條件下沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與理論分析等手段，對(duì)厚煤層沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面進(jìn)行了大量有益探索。劉垚鑫[8]等學(xué)者認(rèn)為受關(guān)鍵塊破斷回轉(zhuǎn)的影響，厚煤層沿空巷道煤柱的變形破壞主要發(fā)生在中上部區(qū)域；與水平煤層不同，傾斜煤層沿空掘巷煤柱幫易出現(xiàn)斜切破壞和失穩(wěn)。查文華[9]等學(xué)者探討了側(cè)向基本頂破斷位置對(duì)其影響規(guī)律，認(rèn)為基本頂斷裂線位于煤柱上方時(shí)，沿空煤柱載荷最大，需要強(qiáng)化沿空巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)。郅榮偉[10]采用理論計(jì)算推導(dǎo)出采空區(qū)側(cè)向基本頂破斷位置計(jì)算公式，利用FLAC3D模擬軟件分析沿空巷道不同煤柱寬度、不同工作面采高、不同巷道跨度的巷道應(yīng)力特征，揭示了大采高沿空掘巷圍巖變形破壞機(jī)理。朱翔斌[11]等采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，在研究工作面回采后煤柱應(yīng)力的分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，確定了沿空掘巷煤柱的留設(shè)寬度，并提出了新的巷道支護(hù)方案。相關(guān)學(xué)者[12-14]認(rèn)為沿空掘巷側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)對(duì)沿空巷道圍巖穩(wěn)定性具有消極作用，應(yīng)主動(dòng)切頂以減少懸露巖梁載荷傳遞。此外，隨著我國中東部礦區(qū)逐漸進(jìn)入千米深井開采，埋深因素在生產(chǎn)中的影響也逐步加大[15，16]。

上述研究成果主要注重于單一因素對(duì)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定影響，但如何量化上述多因素共同作用下對(duì)沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度，并獲得典型條件下影響因素的主次順序，則需要更深入探討。以榆樹泉煤礦1014工作面地質(zhì)及開采條件為背景，利用UDEC數(shù)值模擬軟件分析多因素影響下厚煤層沿空掘巷圍巖變形破壞規(guī)律，量化巷道埋深、沿空煤柱寬度、側(cè)向巖梁懸臂長(zhǎng)度、基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離、煤體完整性程度等因素對(duì)沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度，獲得影響厚煤層沿空掘巷圍巖變形破壞的主控因素，為相似條件下的沿空巷道圍巖控制提供理論參考。

1 工程背景及數(shù)值模擬

1.1 工程背景數(shù)值模型建立

1014綜采工作面是榆樹泉煤礦下10煤層第3個(gè)綜采工作面，工作面煤層賦存穩(wěn)定，厚度為5.6～6.5m，平均為6m，屬厚煤層；煤層傾角9°～16°，平均為12°，平均埋深237m。

以1014工作面地質(zhì)及開采條件為背景，利用UDEC數(shù)值分析軟件建立厚煤層沿空掘巷數(shù)值模型?？疾斓窖乜站蛳锊蓜?dòng)邊界條件，設(shè)定UDEC模型尺寸為長(zhǎng)×高=220m×119m，模擬煤層厚度6m。為了消除邊界效應(yīng)，模型左右邊界留設(shè)20m寬邊界煤柱。模型左右邊界限制水平位移，底部限制垂直位移，上部為自由邊界，上邊界施加6.0MPa的均布載荷。同時(shí)為了模擬沿空掘巷條件，在模型中開挖120m作為上一工作面的回采，回采結(jié)束后，在采空區(qū)的左側(cè)開挖尺寸為凈寬×凈高=4m×3m的巷道模擬沿空掘巷。數(shù)值模型如圖1所示。

1.2 本構(gòu)模型與巖體參數(shù)

煤系地層在地質(zhì)力學(xué)作用下節(jié)理裂隙發(fā)育，具有顯著的力學(xué)性質(zhì)，即巖體在剪應(yīng)力下屈服或破壞，而抗拉強(qiáng)度很小或基本不具備抗拉性能[17]。因此選用摩爾-庫倫模型，其強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

式中，σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力，MPa；φ為巖石的內(nèi)摩擦角，(°)；c為巖石的內(nèi)聚力，MPa。當(dāng)fs<0時(shí)，材料將發(fā)生破壞。

模型使用的巖石力學(xué)參數(shù)參考榆樹泉煤礦地測(cè)資料，通過整理，各巖層的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2 沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主控因素模擬分析

2.1 影響因素對(duì)沿空巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響程度的量化指標(biāo)

研究表明，巷道埋深、煤體完整性、基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離、小煤柱寬度、側(cè)向懸臂長(zhǎng)度，巷道寬度與高度等因素影響沿空巷道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[18-20]。為了追尋單一變量的原則，模擬分析中保證巷道寬高不變，分別模擬其余五個(gè)因素對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響。模擬過程中，在巷道兩幫布置測(cè)線，分別監(jiān)測(cè)兩幫的水平位移變化，模擬結(jié)束后在兩幫均勻取60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從中可以得出各因素對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響。

在數(shù)值模擬中為了量化各影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響程度，定義“幅度差”，其計(jì)算公式可由下式表示。幅度差大，說明某一因素的變化會(huì)引起小煤柱側(cè)水平位移的較大變化，對(duì)巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響加大，相反對(duì)巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小。

式中，η為幅度差，mm；I為正整數(shù)；N為影響因素的變化次數(shù)；xi為某一影響因素模擬中第i次模擬煤柱側(cè)的水平位移，mm；ξ1為某一影響因素第一次變化的步距，mm；ξi為某一影響因素第i次變化的步距，mm；x為水平位移變化的平均值，mm。

2.2 不同因素下厚煤層沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析

2.2.1 基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響

為模擬基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響，通過對(duì)模型基本頂塊體設(shè)置不同尺寸參數(shù)，使基本頂破斷線距實(shí)體煤幫距離分別為2m、4m、6m、8m，其他因素取特定值，來模擬基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響。

通過模擬計(jì)算，可以得到不同基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫距離下沿空巷道圍巖塑性區(qū)分布情況如圖2所示。由圖2可知，巷道兩幫發(fā)生屈服變形，巷幫中部發(fā)生張拉破壞(圖中紫色區(qū)域)，隨破斷位置與實(shí)體煤幫距離的增加，基本頂?shù)膿锨冃沃饾u增大，但增大的趨勢(shì)不明顯，說明基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響不大。

不同基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫距離條件下巷道兩幫水平位移分布如圖3所示。由圖3可知，實(shí)體煤側(cè)的水平位移明顯小于小煤柱側(cè)，隨著與煤幫距離的增加，小煤柱側(cè)的水平位移逐漸增大，最明顯的位置位于巷道的頂角處。實(shí)體煤側(cè)位移減小，但減小的幅度很小，說明在實(shí)體煤側(cè)破斷形態(tài)下巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響主要取決于小煤柱的穩(wěn)定性。依據(jù)圖3數(shù)據(jù)可知，i=1、2、3，ξi=2m，x1=117.8mm，x2=169.2mm，x3=223.5mm，x4=286.6mm，根據(jù)式(2)可以計(jì)算得出幅度差為4.975mm。

2.2.2 煤柱寬度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)影響

分別取煤柱寬度為5m、7m、9m、11m來模擬其對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響。

不同煤柱寬度條件下巷道塑性區(qū)分布如圖4所示。由圖4可知，隨著煤柱寬度的增加，巷道幫部發(fā)生張拉破壞的區(qū)域(圖中紫色區(qū)域)減少，巷道的完整性增強(qiáng)。巷道周邊的屈服區(qū)域(圖中紅色區(qū)域)在巷道寬度為5m的時(shí)候最小，說明在保證巷道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，巷道寬度為5m時(shí)可以使巷道周邊的屈服區(qū)域保持在較小的范圍。不同煤柱寬度條件下巷道兩幫水平位移分布如圖5所示。由圖5可知，隨著煤柱寬度的增加，變形量迅速減小，但當(dāng)煤柱寬度增加至9m后，變形不再明顯，說明煤柱寬度在9m左右時(shí)，巷道的變形效果滿足安全生產(chǎn)需求；另外，巷道寬度為5m時(shí)巷道幫部水平位移較大，但左幫的整體變形量不大，可以滿足實(shí)際需要。

利用圖5數(shù)據(jù)計(jì)算可知，i=1、2、3，ξi=2m，x1=133.8mm，x2=58.1mm，x3=34.5mm，x4=26.8mm，把上述參數(shù)帶入式(2)，得幅度差為29.027mm。

2.2.3 懸臂長(zhǎng)度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)影響

為了模擬側(cè)向懸臂長(zhǎng)度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響，通過對(duì)模型塊體設(shè)置不同的尺寸參數(shù)，使懸臂長(zhǎng)度為0m、2m、4m、6m來模擬其對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響。

不同懸臂長(zhǎng)度條件下巷道塑性區(qū)分布如圖6所示。由圖6可知，隨著上區(qū)段工作面?zhèn)认蚧卷攽冶坶L(zhǎng)度的增加，實(shí)體煤側(cè)的屈服區(qū)域(圖中紅色區(qū)域)減小，小煤柱側(cè)屈服區(qū)增加。由圖7可知，懸臂長(zhǎng)度為6m時(shí)，兩幫水平位移最大，說明上區(qū)段工作面?zhèn)认蚧卷攽冶墼介L(zhǎng)，特別是在堅(jiān)硬頂板條件下，其回轉(zhuǎn)變形使沿空煤柱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞越大。不同懸臂長(zhǎng)度條件下巷道兩幫水平位移分布如圖7所示。由圖7可知，i=1、2、3，ξi=2m，x1=117.1mm，x2=129.7mm，x3=139.7mm，x4=175.5mm，代入式(2)計(jì)算可得幅度差為11.598mm。

2.2.4 巷道埋深對(duì)巷道結(jié)構(gòu)影響

分別取巷道埋深為400m、600m、800m、1000m來模擬其對(duì)沿空巷道結(jié)構(gòu)的影響。不同巷道埋深條件下巷道塑性區(qū)分布如圖8所示，由圖8可知，隨著巷道埋深的增加，煤體的屈服區(qū)域(圖中紅色區(qū)域)明顯增大，實(shí)體煤側(cè)塑性區(qū)擴(kuò)展至深部區(qū)域。此外，當(dāng)巷道深度增加到某一值時(shí)，埋深的增加對(duì)煤柱的穩(wěn)定性影響趨于平穩(wěn)。不同巷道埋深條件下巷道兩幫水平位移如圖9所示。由圖9可知，埋深的初始增加會(huì)使巷道的變形急劇增大，但埋深達(dá)到800m后，由于煤柱的破壞接近屈服，埋深繼續(xù)增加不會(huì)使煤柱變形產(chǎn)生更明顯的變化，而實(shí)體煤側(cè)保持正常的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由圖9可獲得，i=1、2、3，ξi=200m，x1=118mm，x2=272.6mm，x3=431.7mm，x4=463.8mm，幅度差為η=58.836mm。

2.2.5 煤體完整性程度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)影響

為了模擬煤體的完整性程度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的影響，近似將數(shù)值模擬中煤體塊體厚度代表煤體的完整性程度。如果煤體塊體結(jié)構(gòu)較厚，則認(rèn)為煤體的完整性較好，相反則認(rèn)為完整性較弱。為此，分別煤體塊體厚度為0.25m、0.5m、1.0m與2.0m。

不同煤體完整性條件下巷道塑性區(qū)分布如圖10所示。由圖10可知，煤體的完整性較差時(shí)，沿空巷道幫部發(fā)生嚴(yán)重的屈曲變形，特別是靠近采空側(cè)，煤體變形嚴(yán)重，巷道變形較大。隨著煤體完整性的增強(qiáng)，巷道兩幫的結(jié)構(gòu)變化減小，基本可以保持巷道初始形狀，所以煤體的完整性程度對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定影響較大。此外，不同煤體完整性條件下巷道兩幫水平位移如圖11所示。由圖11(a)、(b)可知，當(dāng)煤體塊體厚度為0.25m時(shí)，煤柱的最大水平位移達(dá)到325mm，而厚度增加到2.0m時(shí)，最大水平位移為79.8mm，說明煤體完整性對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響最大。同理，計(jì)算得幅度差為η=64.788mm。

2.3 主控因素分析

上述分析發(fā)現(xiàn)，上述五類因素不僅影響厚煤層沿空掘巷圍巖破壞范圍，而且對(duì)沿空煤柱的穩(wěn)定性也有一定的影響。綜合以上五種因素對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響分析，可得到各影響因素的幅度差：基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離x0=4.975m，沿空煤柱寬度x1=29.027m，側(cè)向巖梁懸臂長(zhǎng)度x2=11.598m，巷道埋深H=58.836m，煤體完整性程度a=64.788。由以上結(jié)果可知，煤體完整性程度的幅度差最大，其次為巷道埋深的幅度差，最小為基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離的幅度差。由此可知，煤體的完整性程度對(duì)小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性影響最大，其次為巷道的埋深，基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離影響最小，小煤柱的寬度與側(cè)向懸臂長(zhǎng)度影響程度相差不大。由此可知，在一定埋深條件下，為了保證沿空掘巷的穩(wěn)定，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)煤柱的完整性控制，例如可選擇性采用注漿加固、對(duì)穿錨索支護(hù)等手段。

3 結(jié) 論

1)對(duì)于厚煤層沿空掘巷而言，巷道埋深、沿空煤柱寬度、側(cè)向巖梁懸臂長(zhǎng)度、基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離、煤體完整性程度等因素均對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。其中，增加煤體完整性與沿空煤柱寬度，可強(qiáng)化沿空巷道圍巖穩(wěn)定性。上區(qū)段工作面?zhèn)认驇r梁懸臂越大，巖梁回轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的擠壓力，沿空巷道圍巖穩(wěn)定性降低。

2)不同巷道埋深、沿空煤柱寬度、側(cè)向巖梁懸臂長(zhǎng)度、基本頂破斷位置距實(shí)體煤幫的距離、煤體完整性程度等因素下，沿空巷道煤柱幫變形量始終大于實(shí)體幫，具有明顯的非對(duì)稱變形。

3)為了量化各影響因素對(duì)巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響程度，定義“幅度差”公式并計(jì)算不同影響因素的幅度差，得到完整性程度對(duì)留小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性影響最大，其次為巷道的埋深，煤柱寬度與側(cè)向懸臂長(zhǎng)度影響較小。