變厚煤層沿空留巷變形破壞原因及規(guī)律

錢志良

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

沿空留巷作為無煤柱護(hù)巷之一，能減小煤炭損失，提高煤炭回收率，有效解決瓦斯超限等問題，符合我國科學(xué)采礦、綠色采礦的發(fā)展方向，因此被越來越多的煤礦認(rèn)可和使用。到目前為止，我國在沿空留巷理論與技術(shù)研究方面做了大量工作，在條件較好的煤層采煤工作面，沿空留巷技術(shù)已日趨完善[1-5]。但沿空留巷受頂板活動(dòng)和動(dòng)壓影響，圍巖應(yīng)力集中程度高，巷道變形破壞嚴(yán)重。尤其對(duì)于厚度變化不一煤層而言，巷道高度變化較大，圍巖以及充填墻體穩(wěn)定性差異性較大。目前，國內(nèi)大多數(shù)理論研究和實(shí)際應(yīng)用都針對(duì)同一厚度煤層[6-8]，不能滿足巷道高度較大變化需求，當(dāng)只采用1種支護(hù)策略時(shí)，按巷道較高時(shí)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度太高，支護(hù)費(fèi)用不合理；按巷道較低時(shí)設(shè)計(jì)，巷道強(qiáng)度又達(dá)不到要求，影響巷道穩(wěn)定。為此研究分析變厚煤層沿空留巷巷道變形破壞原因、規(guī)律及其穩(wěn)定情況，為該類巷道合理的分類支護(hù)提供技術(shù)支撐，既能維持巷道穩(wěn)定，又能提高效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 沿空留巷變形破壞理論

沿空留巷變形破壞最主要原因是由上覆巖層大結(jié)構(gòu)活動(dòng)和巷道周邊小結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成。根據(jù)關(guān)鍵層理論[9]，沿空留巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 沿空留巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)模型

在工作面回采過程中，上覆巖層運(yùn)動(dòng)在工作面前后一定范圍內(nèi)，巷道上覆頂板巖層由完整層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠鲶w梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可簡化為三鉸拱式結(jié)構(gòu)，2塊體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)如圖2，根據(jù)砌體梁“S-R”穩(wěn)定理論[10]可知，砌體梁穩(wěn)定需滿足如下S和R條件。若θ角較小時(shí)易形成滑落失穩(wěn)，θ角較大時(shí)易發(fā)生變形失穩(wěn)，都嚴(yán)重影響沿空留巷穩(wěn)定。

圖2 2塊體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)

S條件：

R條件：

式中：h為關(guān)鍵塊B的厚度；h1為承載層負(fù)載巖層的厚度；σc為承載層抗壓強(qiáng)度；ρ為巖體的平均密度；φ為巖塊間的摩擦系數(shù)；i為斷裂度，為h/l；l為B巖塊長度；θ為B塊體的轉(zhuǎn)角。

形成穩(wěn)定砌體梁過程中，必然存在關(guān)鍵塊B下沉回轉(zhuǎn)，引起巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，并轉(zhuǎn)移為煤柱幫和充填體上方應(yīng)力，這是沿空留巷變形破壞的應(yīng)力來源。另一方面，關(guān)鍵塊B還起一定保護(hù)作用，其自身穩(wěn)定是沿空留巷成功的前提。巷道頂板也會(huì)隨著產(chǎn)生不可避免的下沉，需給定頂板一定的變形量，這樣反而有利于巷道維護(hù)。

沿空留巷是否成功一方面需克服這種不可避免應(yīng)力變形，另一方面需保證周邊小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。圍巖小結(jié)構(gòu)是由巷道頂板支護(hù)巖層結(jié)構(gòu)、底板巖層結(jié)構(gòu)、實(shí)體煤幫支護(hù)結(jié)構(gòu)和充填體支護(hù)結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。理論研究和現(xiàn)場實(shí)踐表明，圍巖小結(jié)構(gòu)的變形破壞[11]有以下幾種類型。

1）充填體誘導(dǎo)型破壞。在經(jīng)受基本頂破斷、回轉(zhuǎn)、形成砌體梁結(jié)構(gòu)過程中，充填體從不承載到承載，最終形成由底板、充填體、頂板組成的承載結(jié)構(gòu)。當(dāng)充填墻體破壞后，頂板會(huì)沿著充填體下沉，承載結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，繼而造成巷道圍巖變形破壞，這種破壞稱為充填體誘導(dǎo)型破壞。

2）實(shí)體煤幫誘導(dǎo)型破壞。由頂板結(jié)構(gòu)可知，實(shí)體煤幫的應(yīng)力集中程度在小結(jié)構(gòu)當(dāng)中是最大的。煤幫作為懸臂梁的支承點(diǎn)，在懸臂梁急劇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，煤幫會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞并向巷道內(nèi)擠出，使頂板向?qū)嶓w煤側(cè)下沉，影響充填體的穩(wěn)定性，也會(huì)導(dǎo)致底板嚴(yán)重鼓起。最終導(dǎo)致小結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

3）底板誘導(dǎo)型破壞。工作面回采前，底板一定深度有較高水平應(yīng)力，但由于處在較低的應(yīng)力環(huán)境中，能保持穩(wěn)定。采動(dòng)后，巷道圍巖應(yīng)力增大，垂直應(yīng)力通過煤幫傳遞到底板巖層中，促使水平應(yīng)力發(fā)揮作用，導(dǎo)致底鼓。而這種底鼓由于垂直應(yīng)力集中的不均衡性，其變形也是不對(duì)稱的。

綜上所述，沿空留巷服務(wù)期間圍巖變形將經(jīng)歷掘進(jìn)采動(dòng)和二次采動(dòng)影響，大結(jié)構(gòu)的下沉回轉(zhuǎn)和小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞是造成沿空留巷失敗的最主要原因，控制該時(shí)期巷道圍巖變形是支護(hù)成功與否的關(guān)鍵，故需有效防止充填體、實(shí)體煤幫和頂?shù)装宓葒鷰r小結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈變形和充填體的變形坍塌。除此之外，變厚煤層沿空留巷圍巖的變形特點(diǎn)和支護(hù)側(cè)重點(diǎn)也有所不同，還需進(jìn)一步分析探討。

2 不同開采高度對(duì)沿空留巷的影響

2.1 沿空留巷的頂板下沉與采厚的關(guān)系

巷道頂板的最終下沉量是由垮落帶巖層厚度、采厚和巖石碎脹系數(shù)確定的，沿空留巷頂板最終下沉量如圖3。

圖3 沿空留巷頂板最終下沉量

由此可知，巖性相同時(shí)，巷道頂板下沉量與煤層采厚呈正比關(guān)系，即采厚越大，頂板下沉量越大，巷道支護(hù)也越難。所以對(duì)煤層厚度較高時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)是必不可少的。

2.2 不同高度沿空留巷充填體支護(hù)阻力分析

從沿空留巷頂板圍巖活動(dòng)規(guī)律和變形破壞原因可以看出，充填體穩(wěn)定性很大程度上決定沿空留巷穩(wěn)定性。所以針對(duì)沿空留巷不同厚度開采，分析研究充填體提供多少支護(hù)阻力尤為關(guān)鍵。沿空留巷每米充填體合理的巷旁支護(hù)阻力為[12]：

式中：p為巷旁支護(hù)體需要最小的支護(hù)阻力；n為垮落層數(shù)；ρ為第1～n層的巖層平均密度；h為切頂巖層的分層厚度；a為巷道維護(hù)寬度；α為切頂巖層垮落角的余角；Ln為第n層巖層的垮落頂板巖塊長度；Rt為第Ln層巖層的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)工作面地質(zhì)條件，可相應(yīng)取出式（4）中參數(shù)值，確定沿空留巷的巷旁支護(hù)強(qiáng)度。

對(duì)于不同采厚的沿空留巷，由理論分析可知，厚度由小變大時(shí)，α角增大，對(duì)應(yīng)所需巷旁支護(hù)阻力也增加。同時(shí)由下式（5）[13]可知，巷旁支護(hù)所需寬度也會(huì)隨巷旁支護(hù)強(qiáng)度增加而增加，所以對(duì)于巷道變厚開采時(shí)，充填墻體寬度可適當(dāng)變化，在不影響巷道穩(wěn)定性的前提下節(jié)約巷道支護(hù)成本。

式中：a1為巷旁支護(hù)平均寬度；K為安全系數(shù)，一般取1.1～1.2；F為沿空留巷所需的巷旁支護(hù)強(qiáng)度；p1d為巷旁支護(hù)體成型后1 d的抗壓強(qiáng)度。

2.3 不同高度對(duì)回轉(zhuǎn)角的影響

不同高度關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)角度是不一樣的，回轉(zhuǎn)角大小取決于：

式中：θ為B塊體的轉(zhuǎn)角；M為采高；∑h為直接頂總厚度；Kp為巖石破斷厚度的松散系數(shù)。

當(dāng)采高增大，回轉(zhuǎn)角度增大，當(dāng)回轉(zhuǎn)角超出變形穩(wěn)定范圍時(shí)，頂板垮落對(duì)充填體沖擊較大并產(chǎn)生橫向推力，造成充填體剪脹變形的同時(shí)向巷道內(nèi)移，容易造成充填體誘導(dǎo)型破壞。所以在頂板“定變形”的同時(shí)，實(shí)施充填墻體抗變形措施和防內(nèi)移措施，保證充填體穩(wěn)定性，是支護(hù)沿空留巷的關(guān)鍵之一。

3 變厚煤層沿空留巷圍巖變形活動(dòng)規(guī)律數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)某礦8101工作面現(xiàn)有地質(zhì)采礦條件，建立平面模型。模型尺寸為：130 m×74 m，共劃分38 480個(gè)有限差分單元。本模型底邊界為固定邊界，水平邊界為支承邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，受模型計(jì)算容量所限，在模型的頂部加13.57 MPa的等效載荷，相當(dāng)于約520 m厚的上覆巖層。由于地殼中原巖應(yīng)力分布的基本規(guī)律是水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度增加而減小，結(jié)合某礦實(shí)際采深，側(cè)壓系數(shù)取1.3。為了分析變厚煤層開采時(shí)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，模型中選取巷道高為2、3、4 m，巷道寬為4.2 m。大量工程實(shí)踐證明巷道充填體寬高比最好大于0.8[14-15]，結(jié)合實(shí)際選取充填墻寬為3 m。

數(shù)值模擬過程中巖體參數(shù)選取對(duì)模擬效果具有直接影響，由于巖塊單軸抗壓強(qiáng)度難以全面反映工程巖體的實(shí)際強(qiáng)度。結(jié)合某礦已有地質(zhì)參數(shù)，以及8101工作面圍巖賦存情況和揭露的圍巖巖性，采用巖體強(qiáng)度參數(shù)分析軟件RocLab，綜合選取得到數(shù)值模型主要巖體的力學(xué)參數(shù)（表1）。

表1 數(shù)值模擬模型巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 變厚煤層沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律分析

3.2.1 巷道變形分析

不同巷道高度條件下，工作面回采后巷道表面位移情況如圖4。從圖4（a）可知，巷道高度增加，頂?shù)装逡平吭龃螅畲笾捣謩e為160、268、525 mm，都出現(xiàn)在近充填體側(cè)，并隨著與充填側(cè)距離增大，頂?shù)装逡平恐饾u減小。圖 4（b）~4（d）為巷道高為 2、3、4 m時(shí)兩幫移近量，分析可知，巷道中部兩幫移近量最大，最大值隨巷道高度增大而增大，但變化幅度不大。

不同巷道高度充填墻體變形情況如圖5。巷道高度增加，充填體垂直壓縮量增大，其中巷道高2 m時(shí)壓縮量略小于巷道高3 m時(shí)壓縮量，兩者平均約為巷高4 m時(shí)充填體壓縮量的1/2。而充填體側(cè)向變形量都出現(xiàn)在充填體中部，并隨著巷道高度增大而增大。當(dāng)與充填體內(nèi)側(cè)距離增大，高3 m和4 m巷道其充填體壓縮量增大，4 m時(shí)增加了34%，3 m增加了27.5%，而巷道高2 m時(shí)，壓縮量基本不變。

圖4 不同高度巷道圍巖表面位移情況

圖5 不同巷道高度充填體變形情況

綜合可知，巷道高度增加，頂板回轉(zhuǎn)程度和充填體變形量加大，充填體外側(cè)變形加劇，此時(shí)充填體容易產(chǎn)生推垮型破壞。巷道的穩(wěn)定性和充填體的承載能力隨巷道高度增大而減小。

3.2.2 巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析

1）直接頂與煤幫應(yīng)力對(duì)比分析。不同高度巷道直接頂應(yīng)力對(duì)比曲線如圖6。圖6中橫坐標(biāo)-10～-7.2 m范圍為采空區(qū)，-7.2～-4.2 m范圍為充填墻體，-4.2～0 m范圍為巷道，0～10 m范圍是指實(shí)體煤幫。由圖6可知，直接頂垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力沿著煤幫向采空區(qū)方向主要呈減小趨勢。相對(duì)于垂直應(yīng)力變化幅度，水平應(yīng)力變化幅度較小。隨著巷道高度不斷增大，垂直應(yīng)力小幅度增加，水平應(yīng)力基本不變，只在近煤幫處頂板有少許增大。在基本頂砌體梁結(jié)構(gòu)中，實(shí)體煤幫作為梁的1個(gè)支點(diǎn)，采空區(qū)垮落矸石為另1支點(diǎn)，根據(jù)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，充填墻體由于支承作用，在其上方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并隨著巷道高度的增加，支承壓力也逐漸增大。對(duì)比圖6中2圖，不同巷道高度時(shí)，應(yīng)力在采空區(qū)、充填體、巷道上方應(yīng)力變化不大，但在實(shí)體煤幫上方直接頂應(yīng)力有少許減小。結(jié)合上節(jié)分析可知，這主要是由于巷道高度增加，實(shí)體煤內(nèi)部應(yīng)力增大，導(dǎo)致變形加劇并造成其應(yīng)力有所減小。不同高度巷道實(shí)體煤幫應(yīng)力對(duì)比曲線如圖7。圖7中，0～10 m范圍為實(shí)體煤幫。煤幫垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力最大值隨著巷道高度增加而減小，淺部圍巖變形加劇，圍巖應(yīng)力得以釋放，應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移。同時(shí)煤幫始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，不加以支護(hù)易導(dǎo)致煤幫變形，并造成實(shí)體煤幫誘導(dǎo)型破壞。

2）最大主應(yīng)力分布對(duì)比分析。不同高度巷道圍巖最大主應(yīng)力分布圖如圖8。由圖8可知，巷道高度增大，導(dǎo)致巷道圍巖最大主應(yīng)力低應(yīng)力區(qū)的范圍逐漸增大，低應(yīng)力區(qū)范圍越大，淺部圍巖支護(hù)承載結(jié)構(gòu)內(nèi)巖體的剪脹變形越強(qiáng)烈，支護(hù)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越弱。綜合以上數(shù)值結(jié)果分析不難看出：隨著巷道高度增加，大結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)程度增大，巷道變形加重，作用在充填體上的支承壓力也增大，同時(shí)實(shí)體煤幫圍巖應(yīng)力也應(yīng)隨之增高。但由于幫角處應(yīng)力集中，易造成幫角變形加重，并釋放變形能，幫角成為承載結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)。變形導(dǎo)致的低應(yīng)力區(qū)增大會(huì)致使圍巖應(yīng)力向深部延伸。所以對(duì)大采高巷道，增加充填體強(qiáng)度、減小其內(nèi)移和提高實(shí)體煤幫的穩(wěn)定性，是控制巷道變形的關(guān)鍵。而對(duì)于巷道高度較小時(shí)，巷道自承載能力較好，考慮經(jīng)濟(jì)因素，提高煤幫的穩(wěn)定性就可控制好此類巷道。

圖6 不同高度巷道直接頂應(yīng)力對(duì)比曲線

圖7 不同高度巷道實(shí)體煤幫應(yīng)力對(duì)比曲線

圖8 不同高度巷道圍巖最大主應(yīng)力對(duì)比圖

4 結(jié)論

1）大結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)和小結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是沿空留巷變形破壞主要原因。針對(duì)變厚煤層沿空留巷，當(dāng)高度增加，頂板下沉量增大，巷道支護(hù)難度、充填體所需支護(hù)阻力、充填寬度和回轉(zhuǎn)角度增加，易造成充填體破壞并向巷道內(nèi)移，并在巷道實(shí)體煤幫和幫角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值向深部延伸。此時(shí)支護(hù)重點(diǎn)是在給定變形的情況下對(duì)充填墻體進(jìn)行強(qiáng)化，提高充填墻體支護(hù)阻力的同時(shí)加強(qiáng)實(shí)體煤幫支護(hù)強(qiáng)度，從而保證墻體實(shí)體煤幫的穩(wěn)定性。

2）高度較小時(shí)，巷道變形不顯著，但實(shí)體煤幫應(yīng)力集中，存在變形隱患，故其支護(hù)重點(diǎn)為選擇合適充填寬度并集中對(duì)煤幫的加強(qiáng)支護(hù)，充填體強(qiáng)度可適當(dāng)減小。