陳大廣

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

沿空留巷不僅解決了煤柱資源浪費(fèi)的問(wèn)題[1，2]，對(duì)于高瓦斯礦井來(lái)說(shuō)還可以采取“Y”型通風(fēng)方式，能夠有效降低空氣中瓦斯?jié)舛萚3-5]。但是由于沿空留巷一般會(huì)服務(wù)到整個(gè)工作面回采結(jié)束，期間會(huì)遭受多次采動(dòng)影響而使巷道圍巖變形量大巷道維護(hù)困難[6-8]。因此對(duì)于單側(cè)工作面沿空留巷期間，甚至是沿空巷道重復(fù)利用期間圍巖變形破壞規(guī)律的研究顯得很有必要。

對(duì)于沿空留巷圍巖變形破壞規(guī)律的研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)不同礦區(qū)、不同條件、不同時(shí)期的沿空留巷技術(shù)及規(guī)律進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，取得了大量的研究成果。趙洪寶等探究了巷道在受到上煤層工作面回采與煤柱應(yīng)力集中情況下產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)性破壞的機(jī)理與演化規(guī)律[9]；王凱等針對(duì)軟弱厚煤層條件下的沿空留巷變形破壞特征進(jìn)行了研究，提出了軟弱厚煤層沿煤層頂板布置沿空留巷變形協(xié)同支護(hù)體系[10]；康志鵬等針對(duì)厚煤層軟底條件下的沿空留巷，建立了頂板、煤幫、底板破壞力學(xué)模型，提出了“三位一體”的圍巖支護(hù)控制方案[11]；閆志強(qiáng)通過(guò)分析上煤層采空區(qū)底板應(yīng)力分布與下煤層巷道變形特征，確定了近距離采空區(qū)下沿空留巷圍巖控制對(duì)策，提出了非對(duì)稱(chēng)耦合控制技術(shù)[12]。

上述研究對(duì)于不同地質(zhì)條件下的沿空留巷支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)沿空留巷期間圍巖變形破壞特征進(jìn)行了研究，有效地解決了沿空留巷圍巖變形大的特點(diǎn)。但是對(duì)于沿空留巷前后整個(gè)生命周期，甚至是復(fù)用階段的圍巖變形破壞規(guī)律卻鮮有總結(jié)與研究。本研究以高河煤礦W2306、W2307工作面為工程背景，探究了W2306工作面單側(cè)雙留巷掘進(jìn)、留巷、復(fù)用三個(gè)階段圍巖變形破壞規(guī)律，并對(duì)留巷階段圍巖支護(hù)方案下的圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。

1 工程概況

圖1 沿空留巷階段巷道空間位置

2 沿空留巷圍巖服務(wù)周期活動(dòng)規(guī)律分析

根據(jù)W2307綜放工作面沿空留巷的不同作用時(shí)期，將沿空留巷圍巖變形過(guò)程大致分為三個(gè)階段：

1)掘巷階段：W2307運(yùn)輸巷掘進(jìn)階段，巷道周?chē)鷰r層應(yīng)力平衡被打破，巷道兩側(cè)一定距離內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道頂?shù)装逍》秶鷥?nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，并且小于原巖應(yīng)力。隨著巷道掘進(jìn)距離的增加，應(yīng)力逐漸趨于平衡，巷道變形量逐漸減小。

2)留巷階段：當(dāng)W2307工作面開(kāi)始回采時(shí)，煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，之間掘進(jìn)的巷道應(yīng)力平衡重新被打破，巷道承受應(yīng)力增加，變形破壞加劇[11]；隨著回采的繼續(xù)進(jìn)行，巷道繼續(xù)受到采空區(qū)的影響，盡管有充填體的保護(hù)，但是巷道周?chē)鷳?yīng)力集中也會(huì)小幅度地增加，塑性區(qū)范圍擴(kuò)大[13]。

3)復(fù)用階段：由于高河煤礦W2306、W2307工作面的特殊性，W2307只采了一部分，后期W2306的回采又要用到W2307運(yùn)輸巷。此時(shí)，靠近W2306工作面的部分W2307運(yùn)輸巷又會(huì)受到二次采動(dòng)的影響而導(dǎo)致巷道應(yīng)力平衡重新被打破，遭受進(jìn)一步的破壞變形，隨著回采距離的增加，最終重新平衡，趨于穩(wěn)定。

3 工作面沿空留巷穩(wěn)定性研究

3.1 模型建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立W2306、W2307工作面數(shù)值模型，根據(jù)高河礦區(qū)具體地質(zhì)條件、煤巖物理力學(xué)參數(shù)為模型賦參。整體尺寸為300 m×300 m×78.1 m，模型X方向?yàn)閃2307、W2306工作面推進(jìn)方向，Y方向?yàn)楣ぷ髅娌贾梅较颍趯?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)定的煤巖物理力學(xué)參數(shù)對(duì)各巖層賦參，整體計(jì)算采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，開(kāi)啟大變形模式，邊界條件為底部邊界限制垂直位移、周部邊界限制水平移動(dòng)，自模型頂部施加均布載荷11.3 MPa，具體建模如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型

3.2 圍巖變形破壞規(guī)律研究

3.2.1 掘巷階段

在巷道掘進(jìn)期間，運(yùn)輸巷的頂板位移量在27 mm左右波動(dòng)，幫部圍巖的水平位移量不超過(guò)23 mm，此時(shí)巷道整體的變形量均較小。掘進(jìn)階段圍巖位移量變化如圖3所示。

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圖3 掘進(jìn)階段圍巖位移量變化

由圖3可知，W2307運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，由于邊界效應(yīng)的存在，巷道兩側(cè)與頂?shù)装鍑鷰r小范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象，且頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力低于巷道兩側(cè)。究其原因是上覆巖層的重量絕大部分由兩幫承擔(dān)，在巷道兩側(cè)稍遠(yuǎn)距離內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，表現(xiàn)在塑性區(qū)分布中則是兩側(cè)出現(xiàn)塑性區(qū)破壞；而頂板則是由于巷道頂板為3 m左右質(zhì)地松軟的煤層，因此應(yīng)力傳播到頂板時(shí)，產(chǎn)生了3 m左右的塑性區(qū)，掘進(jìn)巷道垂直應(yīng)力及塑性區(qū)分布如圖4、圖5所示。

圖4 掘進(jìn)巷道垂直應(yīng)力分布(Pa)

圖5 掘進(jìn)巷道塑性區(qū)分布

掘進(jìn)巷道頂板垂直位移分布如圖6所示。由圖6可知，頂板中心下沉量最大，隨著上方巖層距離頂板越來(lái)越遠(yuǎn)，垂直位移量也逐漸減小趨于穩(wěn)定。而左右?guī)蜕细矌r層的位移在深部則表現(xiàn)出比淺部巖層垂直位移量大的特點(diǎn)，主要原因是由于巷道頂板為強(qiáng)度較低的以煤層為代表的直接頂，雖然所受礦壓較大，但卸壓也快，因此頂板中心下沉量大，離中心越遠(yuǎn)垂直位移變形速率也越慢，因此表現(xiàn)出淺部位移量小的特點(diǎn)；而深部圍巖則由于關(guān)鍵層的存在[14，15]，不論是頂板中心還是中心兩側(cè)均表現(xiàn)出相似的垂直位移量。

圖6 掘進(jìn)巷道頂板垂直位移分布

W2307掘進(jìn)后方40 m處的巷道兩幫的水平位移量如圖7所示，除了構(gòu)造應(yīng)力的作用下，在大小方向上則表現(xiàn)出與應(yīng)力分布圖相似的情況。煤幫高度兩米處，水平位移量在距離煤幫兩米左右達(dá)到最大值，隨著距離煤幫越遠(yuǎn)，煤幫高度的增加，水平位移量逐漸減小。

圖7 掘進(jìn)巷道幫部水平位移分布

3.2.2 留巷階段

留巷階段圍巖位移量變化如圖8所示。在W2307工作面回采時(shí)，整個(gè)巷道受采動(dòng)影響出現(xiàn)較大變形，頂板下沉量大幅度增加，位移量最大值超過(guò)500 mm，實(shí)體煤幫圍巖水平位移量最大值為182 mm，充填體墻體的水平位移量最大值達(dá)到了96 mm，在W2307工作面回采期間實(shí)體煤幫的變形始終大于充填體的變形量，此時(shí)巷道整體變形量突增。

圖8 留巷階段圍巖位移量變化

留巷階段可分為采動(dòng)超前影響階段和采動(dòng)后滯后影響階段，工作面采動(dòng)的超前影響階段包括：工作面前方10、15、20、25 m，滯后影響階段包括：工作面后方20、30、40、50 m的巷道所受應(yīng)力與變形情況如圖9—圖12所示。

圖9 超前與滯后采動(dòng)影響下巷道垂直應(yīng)力分布

圖10 超前與滯后采動(dòng)影響下塑性區(qū)分布

1)在工作面的超前影響階段內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭托》秶鷥?nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，左幫深部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)破壞，表現(xiàn)出與掘進(jìn)巷道應(yīng)力和塑性區(qū)分布相似的特點(diǎn)，不同的是應(yīng)力集中相較于掘進(jìn)巷道更大。而右?guī)蛣t出現(xiàn)大范圍的應(yīng)力升高區(qū)，隨著超前距離的增加，右?guī)蛻?yīng)力和塑性區(qū)影響范圍逐漸減小，表現(xiàn)出與左幫應(yīng)力和塑性區(qū)分布相似的特點(diǎn)。

2)在工作面的滯后影響階段內(nèi)，左幫應(yīng)力集中則隨著滯后距離的增加而增加到某一最大值，右?guī)晚敯寮吧细矌r層則由于采空區(qū)的影響出現(xiàn)不同程度的下沉，且充填體所受的應(yīng)力比周?chē)鷧^(qū)域更大。

根據(jù)圖11、圖12超前巷道頂板垂直位移和左右?guī)退轿灰品植紙D可知，巷道頂板垂直位移依然為中心最大兩側(cè)逐漸減小，左右?guī)退轿灰屏肯啾?，右?guī)退轿灰屏扛?，與應(yīng)力分布圖相似。共同點(diǎn)則是受W2307工作面回采的影響，前巷道頂板、左幫、右?guī)臀灰普w出現(xiàn)偏向右?guī)鸵粋?cè)。

圖11 超前巷道頂板、左幫、右?guī)臀灰品植?/p>

圖12 滯后巷道頂板、左幫、充填體位移分布

由滯后巷道頂板、左幫位移分布圖可知，中心靠右下沉量最大，兩側(cè)逐漸減小。雖然表現(xiàn)出超前巷道變形趨勢(shì)一樣的特點(diǎn)，但下沉量卻比超前巷道更大，幾乎大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。并且距左幫中心位置2 m處即頂板位置，與超前巷道則不一樣，水平位移量也不再是0。而充填體的水平位移的最大值則隨著滯后距離的增加而逐漸增加并且趨于某一最大值；由于邊界效應(yīng)的存在[16]，充填體與底板交界處幾乎為0，隨著距離頂板越來(lái)越近，到3 m左右到達(dá)最大值，之后在0.5 m范圍內(nèi)逐漸降低，但整體位移量則比圍巖較小。

3.2.3 復(fù)用階段

復(fù)用階段圍巖位移量變化如圖13所示。由于所處位置和保護(hù)煤柱的原因，走向相鄰的W2306工作面開(kāi)采對(duì)W2307工作面的沿空留巷圍巖擾動(dòng)影響較小，留巷頂板和幫部圍巖在W2306工作面回采時(shí)變形量只增加了不到10 mm左右。

圖13 復(fù)用階段圍巖位移量變化

以W2306工作面回采0，40，80 m為例，研究W2307工作面沿空留巷運(yùn)輸巷距離區(qū)段煤柱15 m處的情況結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 二次采動(dòng)影響下垂直應(yīng)力分布

圖15 二次采動(dòng)影響下塑性區(qū)分布

由圖14、圖15可知，留巷階段內(nèi)，隨著W2306工作面的回采，W2307運(yùn)輸巷圍巖應(yīng)力平衡被打破，隨著二次回采距離的增加，巷道左幫深部應(yīng)力集中逐漸變大，巷道頂板上方及采空區(qū)頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力增加，尤其是巷道頂板圍巖塑性區(qū)由于遭受剪切力而再次破壞，隨著距離W2306采空區(qū)距離的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，接近滯后巷道圍巖應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征。

二次采動(dòng)影響下頂板、充填體位移分布如圖16所示。由圖16可知，留巷階段內(nèi)，巷道頂板垂直位移量和充填體的位移則隨著回采距離的增加而逐漸增加，且距離頂板中心距離相同的位置，頂板右方比左方更大。隨著充填體高度的增加，在0到1.5 m內(nèi)位移則比較穩(wěn)定，一旦超過(guò)1.5 m則水平位移則迅速增加。

圖16 二次采動(dòng)影響下頂板、充填體位移分布

3.2.4 整個(gè)周期

沿空留巷服務(wù)周期內(nèi)圍巖位移量分布如圖17所示。根據(jù)圖17可知，在整個(gè)周期內(nèi)，掘進(jìn)階段位移量最為穩(wěn)定，并且最小，隨著W2307工作面回采，頂板下沉量明顯比左幫水平位移量速率更大，變形量也更大，由于充填體強(qiáng)度比圍巖高，且距離采空區(qū)更近，因此比左幫位移量更大，但變化趨勢(shì)相似；隨著W2306工作面的回采，頂板、左幫充填體位移量幾乎不受影響且趨于穩(wěn)定，原因則是距離W2306工作面距離較遠(yuǎn)所導(dǎo)致的。

圖17 沿空留巷服務(wù)周期內(nèi)圍巖位移量分布

4 工程實(shí)測(cè)分析

4.1 留巷變形監(jiān)測(cè)方案

分別對(duì)巷道、頂板以及充填體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體方案如下：①巷道表面位移監(jiān)測(cè)：在頂板中部垂直方向和兩幫中部水平方向設(shè)置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)可懸掛在巷道頂板或幫部錨桿上，左右?guī)桶惭b?20 mm×500 mm的螺紋鋼，以螺紋鋼為觀測(cè)基點(diǎn)，進(jìn)行巷道表面位移的監(jiān)測(cè)；②頂板離層監(jiān)測(cè)：在巷道掘進(jìn)期間，每掘進(jìn)30 m安裝一個(gè)頂板離層檢測(cè)儀，進(jìn)行頂板下沉量的監(jiān)測(cè)；③充填體變形監(jiān)測(cè)：分別在充填體上部，中部，下部埋設(shè)鋼桿，記錄安裝時(shí)鋼桿的外露長(zhǎng)度，根據(jù)外露長(zhǎng)度的變化作為充填體的水平位移數(shù)值，在鋼桿上安裝螺母，通過(guò)繞在螺母上的測(cè)繩長(zhǎng)度變化記錄充填體的垂直位移。

4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

在工作面推進(jìn)后，各個(gè)測(cè)站內(nèi)的測(cè)點(diǎn)隨著圍巖的移動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，此處選取典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，結(jié)果如圖18所示。

圖18 W2307工作面留巷變形監(jiān)測(cè)曲線

由圖18(a)(b)可知，沿空留巷圍巖頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量變化趨勢(shì)相同，頂板移進(jìn)量更大，都是60 m左右趨于穩(wěn)定，幾乎不再增加；充填體的水平位移在0到30 m左右位移量幾乎相同，30 m到60 m差值越來(lái)越大，直到60 m后垂直位移量比水平位移量大40 mm左右，且不再增加；頂板下沉量在0到25 mm左右，在距工作面30 m后變形速率逐漸減小，趨于穩(wěn)定。由圖18可知，W2307運(yùn)輸巷支護(hù)效果良好，沒(méi)有劇烈的變形與礦壓顯現(xiàn)，對(duì)于W2306工作面來(lái)說(shuō)基本符合正常的通風(fēng)要求。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)建立FLAC3D數(shù)值模型，全面分析了W2307運(yùn)輸巷整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)，巷道及充填體的圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)、位移變化情況。

2)三個(gè)階段內(nèi)，掘進(jìn)階段巷道圍巖應(yīng)力、位移變化最小且最為穩(wěn)定；留巷階段，由于受到W2307工作面回采的影響，巷道所受應(yīng)力最大變形最大，而充填體由于強(qiáng)度大位移速率則最小位移量也較小；留巷復(fù)用階段隨著W2306工作面的回采，距離W2306工作面較近的巷道，圍巖、充填體變形量也有明顯的增加，需要做加強(qiáng)支護(hù)。

3)工程實(shí)測(cè)結(jié)果表明，掘進(jìn)、留巷、復(fù)用三個(gè)階段圍巖變形破壞規(guī)律與模擬基本相符，復(fù)用階段沿空留巷在經(jīng)過(guò)加強(qiáng)支護(hù)后，沒(méi)有劇烈的變形與礦壓顯現(xiàn)，對(duì)于W2306工作面來(lái)說(shuō)基本符合正常的通風(fēng)要求。