厚煤層沿空掘巷圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)主控因素研究

張京民，孟凡林

(庫車縣科興煤炭實業(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礦井的主采煤層。近年來，為了減少厚煤層煤炭資源浪費，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)場實踐表明，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)律對實現(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)場探測與理論分析等手段，對厚煤層沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面進行了大量有益探索。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其影響規(guī)律，認(rèn)為基本頂斷裂線位于煤柱上方時，沿空煤柱載荷最大，需要強化沿空巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)。郅榮偉[10]采用理論計算推導(dǎo)出采空區(qū)側(cè)向基本頂破斷位置計算公式，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理。朱翔斌[11]等采用理論分析和現(xiàn)場實測的方法，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)對沿空巷道圍巖穩(wěn)定性具有消極作用，應(yīng)主動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)向巖梁懸臂長度、基本頂破斷位置距實體煤幫的距離、煤體完整性程度等因素對沿空掘巷圍巖結(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?？疾斓窖乜站蛳锊蓜舆吔鐥l件，設(shè)定UDEC模型尺寸為長×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，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體煤幫的距離、小煤柱寬度、側(cè)向懸臂長度，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，分別模擬其余五個因素對巷道結(jié)構(gòu)的影響。模擬過程中，在巷道兩幫布置測線，分別監(jiān)測兩幫的水平位移變化，模擬結(jié)束后在兩幫均勻取60個監(jiān)測點的水平位移進行統(tǒng)計分析，從中可以得出各因素對巷道結(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結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響程度，定義“幅度差”，其計算公式可由下式表示。幅度差大，說明某一因素的變化會引起小煤柱側(cè)水平位移的較大變化，對巷道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響加大，相反對巷道的結(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體煤幫的距離對巷道結(jié)構(gòu)的影響

為模擬基本頂破斷位置距實體煤幫的距離對巷道結(jié)構(gòu)的影響，通過對模型基本頂塊體設(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體煤幫的距離對巷道結(jié)構(gòu)的影響。

通過模擬計算，可以得到不同基本頂破斷位置距實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，但增大的趨勢不明顯，說明基本頂破斷位置距實體煤幫的距離對巷道結(jié)構(gòu)的影響不大。

不同基本頂破斷位置距實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。實體煤側(cè)位移減小，但減小的幅度很小，說明在實體煤側(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)可以計算得出幅度差為4.975mm。

2.2.2 煤柱寬度對巷道結(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。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，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，可以滿足實際需要。

利用圖5數(shù)據(jù)計算可知，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 懸臂長度對巷道結(jié)構(gòu)影響

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

不同懸臂長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度的增加，實體煤側(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，懸臂長度為6m時，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，特別是在堅硬頂板條件下，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)計算可得幅度差為11.598mm。

2.2.4 巷道埋深對巷道結(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，實體煤側(cè)塑性區(qū)擴展至深部區(qū)域。此外，當(dāng)巷道深度增加到某一值時，埋深的增加對煤柱的穩(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)增加不會使煤柱變形產(chǎn)生更明顯的變化，而實體煤側(cè)保持正常的增長趨勢。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 煤體完整性程度對巷道結(jié)構(gòu)影響

為了模擬煤體的完整性程度對巷道結(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，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，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，煤柱的最大水平位移達(dá)到325mm，而厚度增加到2.0m時，最大水平位移為79.8mm，說明煤體完整性對巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響最大。同理，計算得幅度差為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體煤幫的距離的幅度差。由此可知，煤體的完整性程度對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體煤幫的距離影響最小，小煤柱的寬度與側(cè)向懸臂長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，需要重點加強對煤柱的完整性控制，例如可選擇性采用注漿加固、對穿錨索支護等手段。

3 結(jié) 論

1)對于厚煤層沿空掘巷而言，巷道埋深、沿空煤柱寬度、側(cè)向巖梁懸臂長度、基本頂破斷位置距實體煤幫的距離、煤體完整性程度等因素均對其穩(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)向巖梁懸臂長度、基本頂破斷位置距實體煤幫的距離、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體幫，具有明顯的非對稱變形。

3)為了量化各影響因素對巷道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響程度，定義“幅度差”公式并計算不同影響因素的幅度差，得到完整性程度對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)向懸臂長度影響較小。