沿空留巷寬度對圍巖變形影響的模擬分析

王尚鑫

（山西汾西礦業集團雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工作面概況

1.1 工作面參數

某煤礦24208工作面標高376～456 m，位于北二采區，東面至北軌大巷，西面為開拓區，南面為正在回采的24207工作面，北面的4號煤工作面未施工，僅上覆的22201工作面正在回采。24208工作面回采長度1 500 m，工作面傾斜長度260 m。煤層厚度3.5～4.3 m，平均厚度4.12 m，開采煤層有益厚度為4.07 m，煤層傾角4°。

1.2 煤層頂底板情況

1）煤層頂板。煤層直接頂為泥巖，灰黑色泥巖，含植物碎片化石，上部有菱鐵礦，局部含砂，平均厚度5.6 m；老頂為灰色中砂巖，有可見大量的白云母碎片，頂部漸粗，平均厚度4.5 m。

2）煤層底板。直接底為中砂巖，灰色中砂巖，可見大量的白云母碎片，頂部漸粗，平均厚度1 m；老底為黑色粉砂巖，有植物碎片化石，平均厚度1.58 m[1]。

2 模型的建立及模擬方案

2.1 模型建立

以24208沿空留巷膠帶巷為實際工程背景建立的幾何模型，根據圣維南原理巷道圍巖影響范圍為3～5倍的巷道截面，工作面一側由于對稱性取工作面的一半長度，模型具體尺寸為長120 m，寬120 m，高65 m，網格劃分為分析巷道圍巖的應力和變形對巷道周圍網格進行加密。錨桿用植入式桁架模擬，錨桿間排距為800 mm×800 mm，頂板錨桿長2 500 mm，兩幫錨桿長2 000 mm。巷道高度3 900 mm。隔離墻寬度為1 mm，采用C30的混凝土。

對24208工作面煤體實地取樣測試，同時參考鄰近24207工作面的各巖層參數為依據確定。模型中所采用的煤層巖體物理力學參數見表1。

表1 數值模擬巖層及支護材料力學參數

2.2 數值計算方案

數值模擬過程中采用施工階段分析來模擬煤層開挖和隔離墻的支護，煤層開挖70 m，分14步開挖，每步開挖5 m，隔離墻緊隨煤層開挖相差一步進行支護[1-2]。考慮不同留巷跨度對圍巖穩定性影響，設置數值計算方案如下。巷道高度3.9 m，相同支護條件下留巷跨度為3.5 m，4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，7 m時，分析工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m的最大垂直應力分布規律，最大水平應力分布規律，最大剪切應力分布規律，頂板和煤幫最大變形量分布規律，圍巖塑性區分布規律[2]。

3 數值模擬計算結果分析

3.1 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖剪切應力分布規律

計算平衡后，取巷道頂板靠近煤幫的上幫角所在單元的節點輸出巷道頂板剪切應力數據[3]，不同跨度工作面后方巷道頂板最大剪切應力值如下頁表2所示。由表2可知：隨著跨度的增加，巷道頂板的剪切應力峰值增大，基本按線性規律變化，當跨度達到5.5 m后增加幅度明顯高于3.5～5.5 m之間的增加幅度；跨跨度增加，圍巖剪切應力峰值向圍巖深部轉移，且集中范圍不斷擴大，巷道頂板靠近幫角和巷道頂板上方一定距離應力集中程度最高，底板和煤幫剪切應力集中程度小。

表2 工作面后方不同跨度巷道頂板剪切應力峰值

3.2 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖垂直應力分布規律

工作面開挖40 m后，考慮跨度對圍巖垂直應力動態分布規律的影響，分別對工作面后方5m、10m、20 m、40 m實體煤體和隔離墻垂直應力進行分析。

同理根據模擬結果統計出工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m不同跨度煤幫和隔離墻垂直應力峰值及煤幫應力峰值距煤壁的距離數據分別見表3、表4、表 5所示。

表3 工作面后方不同跨度實體煤幫垂直應力峰值

表4 工作面后方不同跨度隔離墻垂直應力峰值

表5 工作面后方不同跨度煤幫垂直應力峰值與煤壁的距離

由表2可知煤幫附近垂直應力集中程度較大，集中范圍不斷擴大，在工作面后方40 m當跨度從3.5 m增加到7 m時，煤幫應力集中系數從3.3增加至3.9，增加幅度較大。

由表3、表4可知隨著跨度的增加，煤幫垂直應力峰值和隔離墻垂直應力峰值基本按線性規律變化，隨著工作面的向前推進，工作面后方40 m較工作面后方5 m煤幫垂直應力峰值從33.4 MPa減小至20.1 MPa，減小幅度51.2%；隔離墻垂直應力峰值從41.4 MPa減小至28.2 MPa，減小幅度46.1%。工作面后方隨著跨度的增加，煤幫垂直應力和隔離墻垂直應力成增加的趨勢，當跨度從3.5 m增加至5.5 m時增加幅度較為平穩，當跨度從5.5 m增加至6 m時，垂直應力產生突變，應力增加幅度明顯增加。主要是由于跨度增加，巷道上方處于小結構之中的頂板巖層自重增加，當跨度進一步增加到5.5 m時，老頂關鍵塊形成的巖梁結構也可能會失去平衡，從而使一部分荷載加在煤幫和充填體上[4]。

由表5可知，隨著跨度的增加，煤幫垂直應力集中程度最大的點距離煤壁的距離成減小的趨勢，但基本保持在2～3 m的范圍內。

3.3 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖水平應力分布規律

取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m不同跨度頂板水平應力峰值分析沿空留巷跨度對圍巖水平應力動態分布規律的影響，數值模擬結果統計出的工作面后方不同跨度頂板水平應力峰值如表6所示。

表6 工作面后方不同跨度頂板水平應力峰值

由表6可知，隨著工作面的向前推進，在工作面后方0～20 m，頂板水平應力隨著離工作面的距離越大而增加，且增加幅度較工作面后方20～40 m大；隨著跨度的增加，頂板水平應力峰值呈現減小的趨勢，并且當跨度在3.5～5.5 m時減小幅度較為平穩，當跨度從5.5 m增加到6 m時，頂板水平應力發生突變，當跨度在6 m以后，水平應力峰值變化不大。

3.4 沿空留巷期間不同跨度工作面后方頂板煤幫變形分布規律

計算平衡后，對于不同跨度取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m巷道上方左右角點所在塊體輸出節點的位移，得出的實體煤和頂板的下沉量如下頁表7、表8所示。

由下頁表7、表8可知，隨著距離工作面的距離越來越大，工作面后方巷道頂板、煤幫最大下沉量呈增大的趨勢，工作面后方40 m時頂板、煤幫下沉量最大，由沿空留巷礦壓顯現規律知工作面后方40 m左右后方圍巖變形達到穩定。

表7 工作面后方不同跨度頂板下沉量

表8 工作面后方不同跨度實體煤幫下沉量

3.5 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖塑性區分布規律

數值模擬結果可以看出，不同跨度煤幫塑性區范圍在工作面后方40 m時最大，并在40 m后方達到穩定狀態。以等效塑性區半徑反映煤幫塑性區的范圍，工作面后方40 m煤幫塑性區半徑變化隨跨度的變化曲線如圖1所示。

由圖1可得，煤幫塑性區范圍隨巷道跨度的增加而擴大，當巷道跨度小于5 m時，煤幫等效塑性區半徑在226 mm左右，基本保持不變，當跨度達到5.5 m時，塑性區范圍發生突變。荷載重新分布過程中，由于集硬效應，使荷載主要集中在剛度較大的煤幫和充填體上，由于煤幫處于沿空留巷圍巖形成的小結構范圍內，主要受到斷裂拱內的巖梁作用，而關鍵塊在巖層中的斷裂位置隨著跨度的增加會保持在某一固定值，所以煤幫受到的巖梁力在巷道發生破壞前不會產生很大變化，隨著跨度增加，煤幫受到的力會增加，但增加幅度不會很大，當跨度到達5.5 m時，老頂關鍵塊形成的穩定結構可能會失穩致使一部分荷載加在煤幫上，塑性區范圍會產生一定程度突變[5]。

4 結論

1）跨度增加，圍巖剪切應力峰值向圍巖深部轉移，且集中范圍不斷擴大，巷道頂板靠近幫角和巷道頂板上方一定距離應力集中程度最高，底板和煤幫剪切應力集中程度小。巷道頂板剪切應力峰值隨著跨度的增加而增加，當跨度在5.5 m時，頂板剪切應力峰值產生一定程度的突變。巷道頂板靠近煤幫的幫角為剪切應力破壞的危險點。

圖1 工作面后方40 m煤幫塑性區等效半徑變化隨跨度的變化曲線

2）工作面后方隨著跨度的增加，煤幫垂直應力和隔離墻垂直應力成增加的趨勢，當跨度從3.5 m增加5.5 m時增加幅度較為平穩，當跨度從5.5 m增加至6 m時，垂直應力產生突變，應力增加幅度明顯增加。隨著跨度的增加，煤幫垂直應力集中程度最大的點距離煤壁的距離成減小的趨勢，但基本保持在2～3 m的范圍內。

3）沿空留巷工作面后方水平應力在巷道左邊角隅處一定范圍內應力集中程度大，隨著巷道跨度的增加，頂板水平應力集中程度大的范圍區域成增大的趨勢，并向實體煤幫方向擴展，當跨度從3.5 m增加到7 m時，頂板水平應力集中程度最大的點從長1 m范圍增加至7 m范圍。

4）隨著巷道跨度的增加，巷道上方頂板的下沉量基本呈直線增長的趨勢，且增大幅度較大，煤幫的下沉量基本呈直線增長的趨勢，但增加幅度不大。

5）巷道圍巖塑性區主要在煤幫和隔離墻上較為發育，塑性區在煤幫處呈半橢圓形發展，隔離墻上部巖層塑性區范圍隨巷道跨度的增加有所增大；煤幫塑性區范圍隨巷道跨度的增加而擴大，當巷道跨度小于5 m時，煤幫等效塑性區半徑基本保持不變，當跨度達到5.5 m時，塑性區范圍發生突變。