厚煤層條件下沿空巷道不同充填體寬度圍巖變形分析

任自銳

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司安監(jiān)局， 山西 介休 032000）

目前巷旁充填沿空留巷技術(shù)在薄煤層開采中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，一般都是在靠近巷道一側(cè)的采空區(qū)內(nèi)布置充填幫。但在中厚煤層及后煤層開采中，這種巷旁充填沿空留巷技術(shù)很難取得成功，因此提出了巷內(nèi)充填沿空留巷、預(yù)置充填體沿空掘巷。但對于不同充填幫布置方式的沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)的分析和研究，而且在不同的地質(zhì)條件下如何選擇充填幫的布置位置也沒有系統(tǒng)的分析和結(jié)論[1-3]。因此，本文將對充填幫位置的沿空巷道圍巖變形破壞特征進(jìn)行研究，并根據(jù)地質(zhì)條件對不同充填幫位置的沿空巷道的適用性進(jìn)行分析，并進(jìn)一步完善對于沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)及變形特征的理論研究；同時對于現(xiàn)場巷道選擇應(yīng)用具有一定的實用價值[4-5]。

1 模擬方案建立

模擬模型采用庫倫—摩爾模型。模型底邊界為垂直位移固定，左右邊界為水平方向位移固定。各個巖層及煤層的力學(xué)參數(shù)見表1、表2。模型中堅硬及軟弱直接頂?shù)牧W(xué)參數(shù)不同，其他巖層參數(shù)相同。模擬煤層為水平煤層，建立煤層厚度別6m的數(shù)值模型，其余巖層厚度相同。模擬巷道尺寸為（寬×高）4.0 m×3.0m，薄煤層時模擬巷道尺寸為（寬×高）3.0m×2.4 m。

2 充填體的合理模擬寬度

在厚煤層數(shù)值模擬中選擇充填體寬度分別為1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 進(jìn)行模擬實驗，對比選擇變形合理的充填體寬度。數(shù)值模擬結(jié)果如下頁圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可以看出，在兩種直接頂條件下，當(dāng)充填體的寬度由1.5 m增加到2.5 m時，充填體的下沉量都明顯減小，這說明充填體寬度達(dá)到2.5 m時其穩(wěn)定性明顯增加。當(dāng)繼續(xù)增加充填體寬度，在距離巷道內(nèi)表面?zhèn)瘸涮铙w下沉量變化很小，說明充填體在2.5 m寬時已經(jīng)基本穩(wěn)定。因此在厚煤層模擬中選擇充填體寬度為2.5 m。

表1 塊體力學(xué)參數(shù)

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

3 堅硬直接頂沿空巷道圍巖變形分析

堅硬直接頂條件下巷道頂板、煤幫及充填體的變形量分別如下頁圖3所示。

圖1 堅硬直接頂條件下充填體下沉量

圖2 軟弱直接頂條件下充填體下沉量

圖3 厚煤層堅硬直接頂條件下巷道圍巖變形曲線圖

通過對圖3的分析，可以得到在厚煤層堅硬直接頂條件下巷道圍巖變形的主要特征：

3.1 頂板下沉分析

由圖3-1得，采空區(qū)側(cè)充填和巷內(nèi)充填沿空留巷巷道頂板下沉量都是從巷道煤壁一側(cè)向充填幫側(cè)先增大后減小，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷巷道頂板最大下沉量在距巷道煤壁2.30 m時達(dá)到最大，為0.86 m，巷內(nèi)充填沿空留巷頂板下沉量在距巷道煤壁2.40 m時達(dá)到最大，為0.73 m，可以看出巷內(nèi)充填沿空留巷頂板下沉量要明顯小于采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷。預(yù)置充填體沿空掘巷頂板的下沉量要明顯小于采空區(qū)側(cè)充填和巷內(nèi)充填沿空留巷，且從煤壁一側(cè)向充填幫一側(cè)逐漸增大，最大下沉量為0.27 m。

3.2 充填幫變形分析

由圖3-2、圖3-3可以看出，預(yù)置充填體沿空掘巷中，掘巷后充填幫的下沉量要明顯的小于沿空留巷充填幫的下沉量，分析其主要原因是在掘巷前充填幫受到頂板運(yùn)動的作用有一定的下沉量，掘巷后充填幫下沉量主要是由于掘巷應(yīng)力重新分布引起的。兩種沿空留巷充填幫下沉量的變化趨勢基本相同，充填幫的最大下沉量為，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷為0.74 m；巷內(nèi)充填沿空留巷為0.66 m。預(yù)置充填體沿空掘巷充填幫向采空區(qū)側(cè)移動。而采空區(qū)側(cè)充填和巷內(nèi)充填沿空留巷充填幫向巷道內(nèi)移動的量基本相同，分別為0.07 m和0.08 m。

3.3 煤幫變形變形分析

由圖3-4、圖3-5可得，煤幫變形量的大小順序為，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷大于巷內(nèi)充填沿空留巷大于預(yù)置充填體沿空掘巷。

煤幫最大下沉量分別：采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷為0.47 m，巷內(nèi)充填沿空留巷為0.45 m，預(yù)置充填體掘巷為0.26 m。

煤幫向巷道內(nèi)最大水平位移量：采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷為0.32 m，巷內(nèi)充填沿空留巷為0.27 m，預(yù)置充填體掘巷為0.18 m。

3.4 巷道圍巖變形模擬效果

厚煤層堅硬直接頂條件下巷道圍巖變形模擬效果如圖4所示。

圖4 厚煤層堅硬直接頂條件下模擬效果圖

厚煤層軟弱直接頂沿空巷道圍巖變形分析軟弱直接頂條件下巷道頂板、煤幫及充填體的變形量分別如圖5所示。

4 軟弱直接頂沿空巷道圍巖變形分析

分析圖5得到，在厚煤層軟弱直接頂條件下巷道圍巖變形的主要特征：

4.1 頂板下沉分析

圖5 厚煤層軟弱直接頂條件下巷道圍巖變形量曲線圖

由圖5-1，巷內(nèi)充填沿空留巷頂板下沉量比采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷頂板的下沉量小，且從煤壁向充填幫側(cè)先增大后減小，最大值出現(xiàn)在距離巷道煤壁2.40 m位置，最大值為0.77 m。采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷頂板下沉量最大，且從煤壁向采空區(qū)側(cè)先是逐漸增大，最大值在巷道充填幫處為0.98 m。預(yù)置充填體沿空掘巷頂板下沉量最小，且從煤壁側(cè)向采空區(qū)側(cè)逐漸增大，最大值為0.27 m。

4.2 充填幫變形分析

由圖5-2、圖5-3，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷充填幫的下沉量要明顯大于巷內(nèi)充填沿空留巷與預(yù)置充填體沿空掘巷，其最大下沉量為1.00 m。巷內(nèi)充填沿空留巷充填幫的下沉量大于預(yù)置充填體沿空掘巷，其最大下沉量為0.67 m。預(yù)置充填體沿空掘巷充填幫的下沉量最小。充填幫向巷道內(nèi)的位移與堅硬直接頂條件下基本相同，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷充填幫的位移量為0.08 m，巷內(nèi)充填沿空留巷充填幫的位移量為0.09 m。

4.3 煤幫變形分析

由圖5-3、圖5-4，采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷煤幫變形比巷內(nèi)充填沿空留巷煤幫變形大，其下沉量最大分別為：采空區(qū)側(cè)充填0.41 m，巷內(nèi)充填0.38 m。向巷道內(nèi)的最大水平位移量分別為：采空區(qū)側(cè)充填0.28 m，巷內(nèi)充填0.24 m。預(yù)置充填體沿空掘巷煤幫的變形比沿空留巷煤幫的變形量要小的多，其下最大沉量為0.10 m，向巷道內(nèi)的最大位移量為0.15 m。

4.4 巷道圍巖變形模擬效果

厚煤層堅硬直接頂條件下巷道圍巖變形模擬效果如圖6所示。

5 結(jié)論

1）對于采空區(qū)側(cè)充填，在直接頂堅硬條件下頂板自身有一定的承載能力，充填幫能夠?qū)⒁欢ǖ闹瘟鬟f給頂板，減小頂板下沉；而在直接頂軟弱時，頂板的自我承載能力差，充填幫不能將支撐力傳遞給頂板，所以頂板下沉量從煤壁到充填幫側(cè)逐漸增大。

2）巷內(nèi)充填沿空留巷圍巖變形量比采空區(qū)側(cè)充填沿空留巷圍巖的變形量小，而且在軟弱直接頂條件下，其減小的幅度比在堅硬直接頂條件下要大。巷內(nèi)充填沿空留巷頂板下沉量從煤壁側(cè)向充填幫側(cè)先增大后減小，特別是在軟弱直接頂條件下，巷內(nèi)充填沿空留巷頂板下沉量在充填幫一側(cè)有明顯的減小。

圖6 厚煤層堅硬直接頂條件下模擬效果圖

3）預(yù)置充填沿空掘巷巷道圍巖的變形量最小。其頂板下沉量從煤壁側(cè)向充填幫側(cè)逐漸增大。而且在堅硬直接頂和軟弱直接頂條件下頂板的最大下沉量相同，說明頂板巖性對其圍巖變形基本沒有影響。