綜放沿空留巷變形與影響因素?cái)?shù)值模擬分析

吳 鋒

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)，山西 晉中 031300）

1 數(shù)值計(jì)算模型及有關(guān)參數(shù)

1.1 深厚表土綜放沿空掘巷數(shù)值計(jì)算模型

以某礦2302工作面沿空留巷為原型，建立如圖1所示的數(shù)值計(jì)算模型。模型兩側(cè)為滑動(dòng)支承，底部為固定支承。

圖1 綜放沿空留巷數(shù)值計(jì)算模型

1.2 有關(guān)參數(shù)確定

數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)主要有模型尺寸、巖體力學(xué)參數(shù)、回采參數(shù)及沿空掘巷尺寸等。根據(jù)關(guān)鍵層理論，將關(guān)鍵層以上巖層簡(jiǎn)化為均布載荷施加在數(shù)值計(jì)算模型上邊界，主關(guān)鍵層以下巖層全部構(gòu)建。根據(jù)厚表土層的特點(diǎn)，工作面寬度（220m）不需要完全模擬。考慮到邊界影響及上述要求，本模型范圍取300m×84m。工作面埋深800m，傾斜長(zhǎng)度130m，割煤高度3.5m，放煤高度5.5m；沿空留巷尺寸寬×高＝4.5m×3.5m，沿底板掘進(jìn)。巖層的物理力學(xué)參數(shù)（見表1）來自巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

2 模擬方案建立

綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性受多個(gè)因素影響，如充填體強(qiáng)度、充填體寬度、端頭不放頂煤距離等。這些因素的作用使綜放沿空留巷圍巖產(chǎn)生具有不同特征的變形。

1）充填體強(qiáng)度對(duì)沿空留巷圍巖變形的影響。充填體強(qiáng)度是影響沿空留巷充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。確定合理的充填體材料配比，是保證充填體初期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度的關(guān)鍵，模擬過程選擇充填體強(qiáng)度為6MPa與8MPa兩種情況。

2）充填體寬度對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響。合理的充填體寬度既能保證巷旁充填體的穩(wěn)定性，又能取得巷旁支護(hù)較好的經(jīng)濟(jì)效果。國(guó)外巷旁充填體寬度通常為采高的0.6～1.0倍，我國(guó)學(xué)者分析大量工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)充填體寬高比為4∶5時(shí)，有利于充填體本身的穩(wěn)定。因此，數(shù)值模擬煤柱寬度：2、2.5、3、4m。

3）工作面端頭不放頂煤寬度對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響。模擬不放頂煤寬度對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響，為護(hù)巷煤柱合理寬度的確定提供基礎(chǔ)。模擬不放頂煤寬度：15、12、9、6、3、0m。

4）基本頂特征對(duì)沿空留巷圍巖變形的影響。基本頂特征包括基本頂厚度、位置、斷裂步距等，這些參數(shù)決定著基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角。基本頂回轉(zhuǎn)角越大，沿空巷道圍巖變形越大。模擬基本頂距離煤層10m、15m、20m；模擬基本頂斷裂步距：15m、20m、25m。

3 綜放沿空留巷變形特征與影響因素分析

3.1 充填體強(qiáng)度對(duì)沿空留巷圍巖變形的影響

圖2所示為不同充填體強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉，當(dāng)充填體強(qiáng)度6MPa時(shí)，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角大，巷道實(shí)體煤幫發(fā)生坍塌，充填體變形嚴(yán)重從而失去承載能力；充填體強(qiáng)度8MPa時(shí)，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角相對(duì)較小，巷道圍巖變形較小，穩(wěn)定性較好。

圖2 不同充填體強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的圍巖變形效果圖

基于上述模擬結(jié)果可以看出，充填體強(qiáng)度對(duì)沿空留巷巷道圍巖變形具有關(guān)鍵性的影響。充填體達(dá)到一定的強(qiáng)度后能夠有效地控制關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)下沉，保持頂板的完整性，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性［1］。

3.2 充填體寬度對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響

圖3所示為工作面回采階段不同充填體寬度對(duì)應(yīng)的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當(dāng)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉，充填體寬度2m時(shí)，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角大，巷道實(shí)體煤幫發(fā)生坍塌，充填體變形嚴(yán)重從而失去承載能力；當(dāng)充填體寬度2.5m、3m時(shí)，關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)角相對(duì)較小，穩(wěn)定性較好，雖然沿空巷道實(shí)體煤幫變形較大，但沒有發(fā)生坍塌，充填體變形較小，仍具有承載能力；當(dāng)充填體寬度4m時(shí)，巷道圍巖變形小，巷道穩(wěn)定性好，但是充填體寬度越大，充填費(fèi)用越高。

圖3 不同充填體寬度對(duì)應(yīng)的圍巖變形效果圖

基于上述模擬結(jié)果可以看出，在工作面回采階段，充填體寬度對(duì)沿空留巷巷道圍巖變形具有重要影響。隨工作面推進(jìn)關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉，充填體寬度與巷道圍巖變形量成反比關(guān)系，充填體寬度越小，巷道圍巖變形量越大，巷道充填體寬度越大，巷道圍巖變形量越小。

3.3 上區(qū)段工作面端頭不放頂煤距離對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響

下頁(yè)圖4所示為不放煤距離不同時(shí)的圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當(dāng)不放煤距離為12m時(shí)，沿空巷道兩幫變形明顯，但巷道整體穩(wěn)定；當(dāng)不放煤距離為8m時(shí)，巷道兩幫變形嚴(yán)重，底鼓明顯，發(fā)生失穩(wěn)；當(dāng)不放煤距離為4m時(shí)，巷道發(fā)生炸幫；當(dāng)不放煤距離為0時(shí)，巷道發(fā)生失穩(wěn)。因此，從沿空巷道圍巖控制的角度考慮，上區(qū)段工作面端頭不放煤距離應(yīng)不小于12m。

基于以上模擬結(jié)果分析，不放頂煤寬度對(duì)綜采放頂煤沿空留巷圍巖的穩(wěn)定性具有重要的影響。端頭支架頂煤不放，間接起到煤層直接頂作用，頂煤垮落，充實(shí)沿空留巷附近采空區(qū)，有利于減小關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉量，減小附加在充填體上的載荷，與充填體一起共同作用，有利于形成良好的充填體——圍巖共同承載體系。

圖4 不放頂煤距離對(duì)應(yīng)的沿空巷道圍巖變形效果圖

3.4 基本頂特征與沿空巷道圍巖變形之間的關(guān)系

圖5所示為基本頂位置不同時(shí)沿空巷道圍巖變形效果圖。從圖中可以看出，當(dāng)基本頂距煤層6m時(shí)，沿空巷道實(shí)體鼓幫嚴(yán)重，沿空幫鼓幫量較小；當(dāng)基本頂距煤層15m時(shí)，沿空巷道兩幫都有鼓幫現(xiàn)象，但鼓幫量較小。圖6所示為基本頂斷裂步距不同時(shí)沿空巷道圍巖變形效果圖。從圖6中可以看出，基本頂斷裂步距為15m時(shí)沿空巷道兩幫變形明顯，而基本頂斷裂步距為25m時(shí)沿空巷道兩幫變現(xiàn)不明顯。另外，從圖5、圖6中還可以看出，基本頂?shù)矫簩拥木嚯x越小，基本頂回轉(zhuǎn)角度越大；基本頂斷裂步距越小，回轉(zhuǎn)角度越大。

因此，基本頂對(duì)沿空巷道圍巖變形的影響與回轉(zhuǎn)角有關(guān)，基本頂回轉(zhuǎn)角越大，沿空巷道兩幫鼓幫量及頂板下沉量越大。而基本頂?shù)臄嗔巡骄嗍峭ㄟ^綜放采場(chǎng)基本頂在周期來壓時(shí)的斷裂模式和周期來壓步距確定的。因此，基本頂?shù)臄嗔巡骄嗯c采高、直接頂厚度、周期來壓步距、放出率、直接頂碎脹系數(shù)有關(guān)，間接指導(dǎo)不放頂煤距離。

圖5 基本頂位置不同時(shí)沿空巷道圍巖變形效果圖

圖6 基本頂斷裂步距不同時(shí)沿空巷道圍巖變形效果圖

4 結(jié)語

通過分別模擬不同因素對(duì)沿空留巷圍巖變形特征的影響，得出2302工作面沿空留巷各技術(shù)參數(shù)：充填體強(qiáng)度8MPa，充填體寬度2.5～3m，不放頂煤距離12m以上。同時(shí)，分析了基本頂特征對(duì)沿空圍巖變形特征的影響，基本頂距煤層15m時(shí)，沿空巷道兩幫都有鼓幫現(xiàn)象，但鼓幫量較小，基本頂斷裂步距為25m時(shí)沿空巷道兩幫變現(xiàn)不明顯。

［1］ 錢鳴高，李鴻昌.采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律及其對(duì)礦山壓力的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1982（2）：1－12.