沿空留巷預(yù)制充填采空區(qū)數(shù)值模擬研究

李曉明

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

近些年來，隨著工業(yè)化發(fā)展的不斷加速，能源的消耗量逐年增大，我國開始綠色能源使用，如風(fēng)能水能的大力開發(fā)也逐步成為我國能源消耗的目標(biāo)。但由于我國的綠色能源并不能完全滿足我國生產(chǎn)的需求，煤炭資源仍是我國目前為止最大的能源消耗。考慮到我國煤炭資源的不斷開采，能源消耗過快，我國提出高產(chǎn)量和高品質(zhì)的煤炭開采[1]。沿空留巷技術(shù)可以較好的減小巷道的掘進(jìn)量，增大煤礦的出煤率。但沿空留巷采空區(qū)的上覆巖層受到工程擾動會對工作面造成較大的沖擊，造成工作面開采的安全隱患[2，3]。眾多學(xué)者對此類問題作出了一定的研究對沿空留巷的上覆巖層進(jìn)行切頂卸壓。本文通過對沿空留巷的巖層進(jìn)行預(yù)制斷裂角度的數(shù)值模擬研究[4]，分析了不同斷裂角度下的巷道頂板和沿空留巷采空區(qū)側(cè)的上覆巖層下沉情況，給出了比較合理的斷裂角度設(shè)計值，并研究了利用沿空留巷的巖體垮落填充采空區(qū)，增加了巷道穩(wěn)定性，為沿空留巷的采空區(qū)上覆軟弱巖層受工程擾動造成的問題提供了一定的技術(shù)指導(dǎo)和理論指引。

1 沿空留巷建模過程

受到工作面煤層的開采影響，巷道的變形量增大，上覆巖層的結(jié)構(gòu)發(fā)生下沉。由于沿空留巷一般位于采空區(qū)的周邊，巷道的上覆巖層從下向上依次發(fā)生垮落，造成巷道的圍巖周期來壓。在巖層的多次垮落后，巷道的圍巖受到擾動強(qiáng)度直線下降，造成沿空留巷的長久變形。煤層的傾角不同施行斷頂填充沿空留巷會有著不同的規(guī)律。研究更高位的上覆巖層斷裂規(guī)律對巷道頂板斷裂充填沿空留巷的圍巖變形機(jī)理有著重要的作用。

巷道的上覆巖層是由泥巖和砂質(zhì)泥巖為主要成分的軟弱巖層，此類巖層的強(qiáng)度低，巖層的承載能力較弱，受到開采工作面的工程擾動，巖體發(fā)生破碎，維護(hù)較為困難，在進(jìn)行工作面推進(jìn)后，較弱的巖層不會出現(xiàn)大面積的懸頂，發(fā)生及時垮落。本文利用離散元模擬軟件3DEC 對巷道的頂板的運動作出一定的研究。根據(jù)現(xiàn)場的巖層特性進(jìn)行二維數(shù)值模型建模，模型的長度為80 m，模型高度32.5 m，開采的厚度為2 m，煤層的平均埋深為200 m。圖1 為轉(zhuǎn)化的斷裂巖體充填沿空留巷的開采系統(tǒng)示意圖。

圖1 開采系統(tǒng)巷道布置示意圖

因為煤層的埋深達(dá)到了200 m，上覆巖層的平均密度為2 500 kg/m3，計算可得模型的上覆巖層的載荷為5 MPa，對模型的上邊界的施加5 MPa。模型的使用摩爾-庫倫準(zhǔn)則作為模型的屈服準(zhǔn)則，準(zhǔn)則如下：

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；c為巖石的粘結(jié)力；α 為巖體的內(nèi)摩擦角。當(dāng)f＞0 時，材料的內(nèi)部會發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象。摩爾-庫倫屈服極限準(zhǔn)則可以較好的對巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行監(jiān)測。對模型進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，第一層為砂質(zhì)泥巖彈性模量為6.5 GPa，剪切模量8.6 GPa，抗壓強(qiáng)度為2.1 MPa，內(nèi)聚力為1.2 MPa，內(nèi)摩擦角為32°。第二層為煤層，煤層的彈性模量為1.5 GPa，剪切模量2.0 GPa，抗壓強(qiáng)度為1.2 MPa，內(nèi)聚力為0.9 MPa，內(nèi)摩擦角為24°，依次對模型的各層屬性進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成的模型網(wǎng)格圖如圖2 所示。

圖2 離散元模型示意圖

2 模擬結(jié)果分析

對軟弱頂板進(jìn)行預(yù)裂，受到周期來壓和上層巖體彎曲載荷作用下，軟弱巖層發(fā)生垮落，隨后上層巖層發(fā)生斷裂。上覆巖層的垮落會對巷道造成巨大的沖擊載荷，所以對頂板進(jìn)行預(yù)裂。本文設(shè)定斷頂線向工作面的偏轉(zhuǎn)方向為正向，設(shè)定偏轉(zhuǎn)角為-5°、0°、5°三種，研究不同的斷頂線下的厚煤層軟弱頂板的垮落機(jī)理，沿空留巷的巖層垂直方向的位移圖如圖3所示，其中棕色的點為塊體間的滑移面。

圖3 不同斷裂角度下頂板垮落圖

當(dāng)斷頂角為-5°時，隨著工作面進(jìn)行推進(jìn)時，由于斷裂線偏向巷道方向，所以上覆巖層會向著采空區(qū)發(fā)生一定的彎曲，由于頂板會對上覆巖層的軟弱巖層起到一定的支撐力，軟弱巖層隨著工程的擾動和工作面的推進(jìn)下沉量明顯增大，頂板由于載荷增大使得巷道的頂板發(fā)生離層現(xiàn)象，且離層現(xiàn)象明顯增大。當(dāng)斷頂角為0°，斷裂線會切斷沿空留巷和采空區(qū)頂板的聯(lián)系，在采空區(qū)的上覆巖層發(fā)生垮落的過程中，巷道與采空區(qū)頂板和沿空留巷會產(chǎn)生的一定的摩擦力，采空區(qū)的頂板由原先的固結(jié)結(jié)構(gòu)改變?yōu)榱算q接，倆者間的摩擦力會對沿空留巷的采空區(qū)側(cè)發(fā)生一定的磨損現(xiàn)象。當(dāng)斷頂角為5°時，由于采空區(qū)的頂板與沿空留巷的頂板的連接較好的發(fā)生了切斷，隨著工作面的推進(jìn)，阻隔了沿空留巷的上覆頂板發(fā)生垮落后對巷道的圍巖造成的沖擊，斷裂線的偏轉(zhuǎn)方向朝著采空區(qū)，所以沿空留巷的垮落頂板會對巷道的采空區(qū)起到很大的支撐作用，很好的保證了巷道的穩(wěn)定性，保障了工作面員工的安全。

厚煤層軟弱頂板發(fā)生垮落填充沿空留巷取決于煤層的彎曲和垮落的劇烈程度，對沿空留巷的圍巖變形與采空區(qū)巖層垮落進(jìn)行一定的分析，通過對上覆巖層的位移的到巖層的運動和變形進(jìn)行研究。圖4 為煤層的頂板下沉量、巷道的頂板和采空區(qū)頂板的下沉量關(guān)系。

圖4 沿空留巷周邊頂板的下沉曲線

根據(jù)圖4 可以看出，當(dāng)斷頂角為-5°時，隨著工作面的推進(jìn)，沿空留巷的采空區(qū)跨落后對巷道的圍巖具有一定的擠壓作用，當(dāng)計算步數(shù)在2 500 步以下時，巷道和采空區(qū)側(cè)的下沉量持續(xù)增大，最大的下沉量分別達(dá)到了950 mm 和1 700 mm，當(dāng)計算步在2 500～4 000 的過程中，由于采空區(qū)的巖層發(fā)生垮落，載荷明顯減小，下沉量明顯趨于穩(wěn)定，可知切頂后的采空區(qū)側(cè)的巖層與沿空留巷的頂板間產(chǎn)生鉸接作用。當(dāng)斷頂角為0°時，實體煤側(cè)的上覆巖層的最大下沉量達(dá)到了200 mm，對比斷頂角為-5°時的實體煤側(cè)的上覆巖層的最大下沉量降低了200 mm，考慮到軟弱頂板在發(fā)生垮落時與沿空留巷的頂板發(fā)生一定摩擦，巷道的頂板與采空區(qū)頂板沒有形成鉸接結(jié)構(gòu)，發(fā)生下沉垮落。巷道和采空區(qū)側(cè)的下沉量與斷頂角為-5°的下沉量無明顯的區(qū)別，最大的下沉量分別達(dá)到了850 mm 和1 700 mm。當(dāng)斷頂角為5°時采空區(qū)側(cè)的頂板下沉量明顯較為平穩(wěn)，呈現(xiàn)出一次函數(shù)的趨勢，采空區(qū)的頂板垮落對巷道的頂板有著明顯的支護(hù)作用，巷道的頂板下沉量明顯下降，最大下沉量減小到了350 mm，較斷裂角-5°的下沉量900 mm和斷裂角0°的850 mm 有著明顯的下降，保證了巷道的正常使用。

3 結(jié)論

1）根據(jù)斷頂角為-5°、0°、5°的模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斷頂角為5°時，沿空留巷頂板與采空區(qū)側(cè)的頂板的連接被切斷，阻隔了采空區(qū)的垮落對巷道圍巖的沖擊。

2）斷頂角為5°時，沿空留巷的變形量明顯較小，且切頂后沿空留巷的承載能力明顯增強(qiáng)，完整性明顯更好，更好地保證了沿空留巷的使用。

3）根據(jù)沿空留巷周邊頂板的下沉曲線研究可以發(fā)現(xiàn)，隨著斷頂角從-5°到0°然后到5°的不斷增加，巷道頂板的下沉量逐漸減少，實體煤側(cè)的上覆巖層的下沉量也從400 mm 降低到了150 mm，沿空留巷側(cè)的巖層垮落有效的支護(hù)了巷道頂板的穩(wěn)定性。