沿空留巷圍巖變形規(guī)律及充填體穩(wěn)定性分析

李建強(qiáng)

(山西亞美大寧能源有限公司，山西 晉城 048000)

隨著我國煤炭科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，沿空留巷無煤柱開采技術(shù)成為煤礦安全高效生產(chǎn)的主要研究領(lǐng)域。沿空留巷技術(shù)可以減少巷道掘進(jìn)工程量，提高煤炭資源回收率，同時(shí)也能優(yōu)化采面通風(fēng)方式，降低瓦斯積聚風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。但由于留巷經(jīng)歷了兩次采動影響，其圍巖變形劇烈，尤其是充填體在頂板結(jié)構(gòu)運(yùn)動中極易發(fā)生失穩(wěn)。為準(zhǔn)確掌握沿空留巷圍巖變形發(fā)生機(jī)制，本文以山西華潤大寧礦111-203工作面為背景，采用理論和有限元分析方法研究沿空留巷圍巖變形力源及應(yīng)力場分布，并現(xiàn)場監(jiān)測留巷充填體變形情況，分析充填體在采動影響下的穩(wěn)定性。

1 基本概況

山西華潤大寧礦111-203綜采面位于二采區(qū)東部，南北長1 444.5 m，東西寬244.5 m。工作面東部為已回采的111-202綜采工作面，西部為待準(zhǔn)備的111-204綜采工作面，南部為二采區(qū)回風(fēng)巷，北部為停采線及二采區(qū)的1、2、3號橫巷。工作面主采3號煤層，煤層埋深217.1～447.8 m，平均埋深415 m，其頂?shù)装迕簬r力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

111-203綜采工作面2401巷從31橫貫開始實(shí)施沿空留巷工程，長度約1 416 m，留巷巷寬為1.5 m，留巷巷高為實(shí)際成巷高度。根據(jù)沿空留巷設(shè)計(jì)方案，充填墻采用高水材料留設(shè)，材料水灰比為1.5∶1，充填體規(guī)格為：長×寬×高=4 m(3 m、2 m)×1.2 m×3.5 m。沿空留巷施工過程見圖1所示。本工作面實(shí)行區(qū)段留巷施工，遇橫貫后進(jìn)行充填封閉，防止工作面乏風(fēng)分流至留巷區(qū)。203工作面回采完成后，在204工作面回采時(shí)拆除橫置充填體。

2 沿空留巷圍巖變形規(guī)律

2.1 留巷力源分析及變形階段劃分

根據(jù)采場礦壓理論，在工作面推進(jìn)過程中，上覆直接頂巖層逐步垮落并填充采空區(qū)，而老頂巖層在推進(jìn)長度達(dá)到初次來壓步距后，在采空區(qū)內(nèi)周期性形成“O-X”破斷特征，并在巷道靠采空區(qū)側(cè)上方形成“砌體梁”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于沿空留巷位于采場邊緣，因此采空區(qū)端頭“砌體梁”結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)性，特別是弧形三角塊(B塊)的穩(wěn)定性，是決定留巷圍巖(及充填體)變形程度的關(guān)鍵力源。

圖1 沿空留巷施工過程

圖2 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布特征

此外，沿空留巷自掘進(jìn)成巷、充填留巷到采后封巷的全壽命服務(wù)周期內(nèi)，需要經(jīng)歷掘進(jìn)階段的擾動影響和兩次工作面的采動影響，所以巷道圍巖的變形過程是一個(gè)階段性加載卸載的受載過程。根據(jù)沿空留巷在不同時(shí)期的服務(wù)特點(diǎn)，可將其圍巖變形特征分為如圖3所示的4個(gè)階段[3-4]。

圖3 沿空留巷圍巖變形階段劃分

1) 巷道掘進(jìn)變形階段：受成巷開挖擾動應(yīng)力影響，巷道斷面附近圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并造成開挖影響范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形。此后開挖擾動影響逐漸遠(yuǎn)離，圍巖應(yīng)力逐漸平衡，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。綜合來看，該階段因掘進(jìn)擾動影響有限，且巷道內(nèi)支護(hù)作用顯著，圍巖變形通常較小，變形期也相對較短。

2) 超前采動影響變形(采前變形)階段：工作面推進(jìn)過程中，由于支承壓力影響，巷道圍巖應(yīng)力平衡態(tài)再次破壞，圍巖塑性區(qū)范圍在第一階段基礎(chǔ)上明顯擴(kuò)大，圍巖變形顯著增長。該影響區(qū)一般位于工作面前方100 m范圍內(nèi)，尤其在工作面前方20 m范圍內(nèi)礦壓現(xiàn)象明顯。

3) 沿空留巷漸次變形階段：留巷初期，受強(qiáng)采動應(yīng)力影響，巷道變形速度較上階段明顯加劇，并在工作面后方附近達(dá)到峰值。此后，隨著工作面逐漸推進(jìn)，在一定時(shí)期內(nèi)受采空區(qū)頂板周期性垮落影響，巷道變形速度也表現(xiàn)出漸次衰減性變化。該階段內(nèi)留巷的支護(hù)方式和充填體的承載性能是決定巷道圍巖變形程度最關(guān)鍵的因素。

4) 圍巖變形穩(wěn)定階段：當(dāng)工作面遠(yuǎn)離一定范圍后，采動影響基本結(jié)束，采空區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，由于擾動應(yīng)力源的消失，所以后續(xù)留巷圍巖變形趨于穩(wěn)定。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)工作面賦存特征和表1所示的頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型[5]，模型尺寸為420 m×350 m×110 m，模型左側(cè)為111-204備采工作面，右側(cè)為111-203回采工作面，回采過程中在2401巷進(jìn)行沿空留巷作業(yè)，巷道尺寸為5.5 m×3.5 m，充填體規(guī)格為4 m×1.2 m×3.5 m。通過連續(xù)開挖運(yùn)算得出工作面采動應(yīng)力場分布情況如圖4所示。

從圖4可以看出，工作面開挖后，采空區(qū)邊緣出現(xiàn)了與超前支承壓力類似的應(yīng)力分布曲線，即自采空區(qū)側(cè)向深部煤體應(yīng)力呈先增后減趨勢，但采空區(qū)邊緣支承壓力峰值明顯大于超前支承壓力峰值，且其整體呈“陡而高”特征，而超前支承壓力曲線表現(xiàn)為“緩而低”特征。分析原因?yàn)槌爸С袎毫μ幱趧討B(tài)遷移過程中，應(yīng)力轉(zhuǎn)移不穩(wěn)定，所以峰值較小且曲線相對緩和，而邊緣應(yīng)力已處于相對穩(wěn)定的頂板空間結(jié)構(gòu)中，淺部煤體承載強(qiáng)度有限，應(yīng)力已轉(zhuǎn)移至深部煤體中，所以應(yīng)力曲線偏陡。同時(shí)沿空留巷處于支承應(yīng)力降低區(qū)，說明其位置正處于采空區(qū)邊緣頂板斷裂后形成的拱形結(jié)構(gòu)下方，從而有效弱化了留巷負(fù)載，這也是沿空留巷實(shí)施的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。此外可以看出，隨著工作面的逐漸推移，采空區(qū)應(yīng)力逐漸趨近至原巖應(yīng)力狀態(tài)，表明采空區(qū)內(nèi)垮落巖體逐漸壓實(shí)后重新承載了覆巖自重荷載。

3 充填體變形監(jiān)測

沿空留巷充填體的穩(wěn)定性直接決定了巷道服務(wù)周期和后期返修量，為分析留巷后充填體在工作面推進(jìn)過程中的變形特征，對隨工作面推進(jìn)而間續(xù)逐段實(shí)施的充填體設(shè)置相應(yīng)測站，觀測其橫向、縱向變形量，得出變形曲線如圖5、6所示。

圖4 工作面推進(jìn)過程中應(yīng)力場分布情況

圖5 充填體變形量

從圖5可以看出，隨著工作面逐漸遠(yuǎn)離，留巷充填體縱向及橫向變形表現(xiàn)出先迅速增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，并在距工作面110 m后，其縱向變形穩(wěn)定在149 mm，橫向變形穩(wěn)定在93 mm，從而說明工作面回采對沿空留巷的擾動影響范圍約為110 m。根據(jù)圖6可知，變形速度曲線也表現(xiàn)為先增后減趨勢，最大縱向變形速率出現(xiàn)在距工作面20 m左右，最大速率達(dá)到11.7 mm/d，最大橫向變形速率出現(xiàn)在距工作面40 m處，最大速率達(dá)到6.2 mm/d，可以看出采動作用在70 m范圍，尤其是距工作面40 m范圍內(nèi)對充填體影響較大，此后隨著工作面遠(yuǎn)離，頂板結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，充填體變形速率逐漸趨于零。

圖6 充填體變形速度

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)沿空留巷位置和頂板結(jié)構(gòu)特征，理論分析得出了留巷圍巖變形的關(guān)鍵力源是老頂弧形三角塊(B塊)的穩(wěn)定性；同時(shí)根據(jù)留巷不同時(shí)期服務(wù)特點(diǎn)，劃分成四個(gè)變形階段：巷道掘進(jìn)變形階段、超前采動影響變形階段、沿空留巷漸次變形階段、圍巖變形穩(wěn)定階段。

2) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采空區(qū)邊緣應(yīng)力分布曲線為先增后減趨勢，其峰值大于超前支承壓力峰值，且整體呈“陡而高”特征；同時(shí)驗(yàn)證了沿空留巷處于支承應(yīng)力降低區(qū)的關(guān)鍵理論基礎(chǔ)。

3) 根據(jù)對充填體縱橫向變形觀測得出，隨著工作面遠(yuǎn)離，留巷充填體縱向及橫向變形均表現(xiàn)出先迅速增大后逐漸穩(wěn)定的趨勢，最大縱、橫向變形分別穩(wěn)定在149 mm和93 mm；而變形速度曲線也整體表現(xiàn)為先增后減趨勢，最大縱、橫向變形速率為11.7 mm/d和6.2 mm/d，此后充填體變形速率逐漸趨于零。