深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律研究

張山松，李志華

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jiān)硬、底板較軟的情況下，巷道跨度和充填墻體寬度對(duì)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(guò)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(shí)例中所表現(xiàn)出的實(shí)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(kāi)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(kāi)采，2015，20(5)：39-42.

沿空留巷是無(wú)煤柱開(kāi)采普遍使用的一種護(hù)巷方式，它是煤礦開(kāi)采技術(shù)的一項(xiàng)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(hù)和降低掘進(jìn)率等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)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(dòng)的強(qiáng)烈影響[2]，巷道圍巖活動(dòng)劇烈，巷道維護(hù)難度較大，且我國(guó)煤炭未來(lái)開(kāi)采的主要儲(chǔ)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(chǎng)礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈[4]。因此，為了更好地服務(wù)深部沿空留巷工作面開(kāi)采，有必要對(duì)深部沿空留巷圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(jì)傾向長(zhǎng)度220m，可采走向長(zhǎng)度2596.3m，平均煤厚2.54m,煤層傾角3～10°，平均5°，可采儲(chǔ)量 2.031Mt。工作面標(biāo)高-765.8～-656.2m，地面標(biāo)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(fēng)方式。

2數(shù)值計(jì)算模型

2.1　計(jì)算模型建立

根據(jù)實(shí)際的煤層埋深以及巖層分布情況建立數(shù)值計(jì)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(jiǎn)化為水平煤層。整個(gè)模型在空間上的尺寸x方向?yàn)?80m,y方向上為80m。整個(gè)模型共21200個(gè)單元。模型計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。數(shù)值模擬采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)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(duì)回采后沿空留巷圍巖變形量的影響。具體模擬計(jì)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(kāi)采順序進(jìn)行模擬。第1步開(kāi)挖巷道，巷道頂板和兩幫采用左旋超高強(qiáng)預(yù)拉應(yīng)力錨桿配合鋼帶、鋼塑網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為φ20mm×2500mm，模型運(yùn)算平衡。第2步開(kāi)挖采場(chǎng)，在留巷段使用φ180mm×3000mm圓木打2排點(diǎn)柱，模型運(yùn)算平衡。

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

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

(4)變換初始模型中采高為1m，3m，5m，進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1　留巷跨度對(duì)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(shí)的情況。模型重新調(diào)整原則為：充填體支護(hù)參數(shù)、采高、巖層物理力學(xué)屬性均保持不變，僅改變巷道跨度。重建2個(gè)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(kāi)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(jì)見(jiàn)表2。留巷跨度對(duì)巷道圍巖變形量的影響見(jiàn)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(duì)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(jiān)硬的細(xì)砂巖，所以頂板下沉量較小，受巷道跨度的影響較?。幌锏赖装鍨檐浫醯哪鄮r，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(shí)當(dāng)巷道高度超過(guò)3m時(shí)，圍巖變形對(duì)跨度降低的變化更為敏感[6]。因此，當(dāng)留巷高度不變時(shí)，在滿足便于運(yùn)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(dāng)?shù)装鍘r性較軟時(shí)，能很大程度地降低底鼓量，增強(qiáng)留巷效果。

3.2　充填體寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響

巷旁支護(hù)體寬度設(shè)計(jì)是沿空留巷巷旁支護(hù)的一個(gè)重要參數(shù)，它不僅影響著巷旁支護(hù)體本身的穩(wěn)定性，而且對(duì)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(jì)效益與勞動(dòng)強(qiáng)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(xué)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(gè)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(jì)見(jiàn)表3，充填體寬度對(duì)巷道圍巖變形量的影響見(jiàn)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(duì)巷道圍巖變形量的影響

通過(guò)表3、圖3和圖4可以看出，在充填體寬度增加的過(guò)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(zhǎng)趨勢(shì)，特別是當(dāng)充填墻體寬度達(dá)到3m以后，變形更加劇烈，致使巷道的破壞加劇。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可計(jì)算出充填體寬度應(yīng)不小于1.7m，若充填體寬度過(guò)小，充填墻體受壓變形嚴(yán)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(shí)，更能保證底板的穩(wěn)定性。

3.3　采高對(duì)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(dāng)巷道高度超過(guò)采高時(shí)采用挖底的方式布置，充填體支護(hù)參數(shù)不變，充填體高度與采高相同，巖層物理、力學(xué)屬性保持不變，僅改變采高。重建3個(gè)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(shí)巷道圍巖變形量。再根據(jù)兩巷頂?shù)装逡平?、兩幫移近量得到不同采高下巷道變形量變化關(guān)系曲線，如圖6所示。

表4　巷道圍巖變形量統(tǒng)計(jì)

圖6　采高對(duì)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(dāng)采高達(dá)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(shí)通過(guò)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(shuō)明在硬頂軟底的地質(zhì)條件下，采高對(duì)底板和煤幫的影響相對(duì)較小，但能對(duì)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(duì)巖層活動(dòng)的影響范圍及幅度就越廣[9]。因此，在采高較大時(shí)，充填體寬度必須適當(dāng)?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(shí)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(zhǎng)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(kāi)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(shí)，巷道圍巖變形均比較緩慢；由圖4知，當(dāng)充填體墻寬為2.52m時(shí)，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(shí)，巷道圍巖變形量較小，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響不大。沿空留巷后，實(shí)測(cè)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^(guò)35.2mm/d,實(shí)體煤側(cè)頂板下沉速度不超過(guò)28.0mm/d，兩幫變形速度不超過(guò)19.4mm/d;頂板下沉量達(dá)到601.3mm，底鼓量達(dá)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(méi)有出現(xiàn)明顯開(kāi)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(fēng)及安全回采需要，達(dá)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(jiān)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(duì)底板的影響大于對(duì)巷道頂板和兩幫的影響，且巷道開(kāi)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(hù)的一個(gè)薄弱部位。對(duì)于頂板堅(jiān)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(shí)，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(dāng)通過(guò)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。

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[責(zé)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(jiǎn)介]張山松(1989-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274010)

[收稿日期]2015-01-23

[中圖分類號(hào)]TD325

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0039-04