近距離采空區(qū)下砂巖頂板沿空留巷承載力學(xué)模型構(gòu)建及工程試驗(yàn)

廉常軍

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

研究及實(shí)踐表明，沿空留巷可以解決以下問題：構(gòu)建Y形通風(fēng)，防治工作面上隅角瓦斯超限；不留煤柱，避免頂?shù)装鍛?yīng)力集中；重復(fù)使用，緩解采掘接替矛盾［1-3］。沿空留巷技術(shù)在淮南、陽(yáng)泉、晉城等高瓦斯突出礦區(qū)應(yīng)用較為普遍。

頂板近距離煤層采動(dòng)作用下，煤層間巖層遭到采動(dòng)破壞［4］，在此巖層下布置沿空留巷，頂板是否具備足夠的承載能力，沿空留巷的圍巖結(jié)構(gòu)如何承載周圍應(yīng)力，沿空留巷圍巖受到采動(dòng)影響是否能夠保持穩(wěn)定。筆者以云南省某煤礦110304工作面回風(fēng)巷沿空留巷為工程背景，針對(duì)上述問題進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件

云南省某煤礦110304工作面回風(fēng)巷埋深為320 m，開采C3煤層，工作面上方4 m處是C2煤層的采空區(qū)，煤層間巖層為粉砂巖，煤層平均傾角6°。C2煤層平均厚度1.85 m，直接頂為炭質(zhì)泥巖、平均厚度2.40 m，基本頂為中粒砂巖、平均厚度3.2 m；C3煤層平均厚度1.65 m，直接底為粉砂巖，平均厚度4.1 m。110304工作面平面布置圖如圖1所示，圖內(nèi)含110304工作面回風(fēng)巷頂?shù)装迕簬r層剖面圖。

圖1 110304工作面布置圖

2 近距離采空區(qū)下砂巖頂板破壞特征探測(cè)

C2煤層回采期間，其底板巖層受到超前支承應(yīng)力增壓、前方采空區(qū)卸載降壓、后方采空區(qū)充填壓實(shí)的動(dòng)態(tài)影響，發(fā)生一定深度的剪切滑移破壞，這一過程類似于地基基礎(chǔ)的破壞形式［5］。本研究采用JL-IDOI（D）智能鉆孔三維電視成像儀對(duì)C2煤層回采前后其底板巖層的結(jié)構(gòu)破壞情況進(jìn)行探測(cè)，具體情況如下。

在C2煤層回采前、后，打鉆并使用成像儀對(duì)C2煤層與C3煤層之間的巖層進(jìn)行探測(cè)發(fā)現(xiàn)：C2煤層回采前，層間巖層完整性較高，任1 m厚的巖層中含有裂隙2~5條，穿層裂隙占比不超過20%，且裂縫處于閉合狀態(tài)；C2煤層回采后，層間巖層次生裂隙發(fā)育，完整性變差，任1 m厚的巖層中含有裂隙8~14條，穿層裂隙占比超過75%，且裂隙大多處于張開狀態(tài)，裂隙寬度為1.4~5.5 mm。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)：①C2煤層的采動(dòng)作用，對(duì)底板巖層的破壞深度為7.6 m，而C2、C3煤層之間的巖層厚度僅為4.0 m，造成煤層間巖層的顯著破壞；②煤層間巖層受到C2煤層采動(dòng)破壞，次生裂隙以穿層裂隙為主，巖層沿橫向基本保持完整狀態(tài)、沿縱向被分割成塊狀，巖層整體上以塊狀咬合形式存在；③塊狀咬合是一種相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形態(tài)，其接受外來(lái)載荷時(shí)可以將其轉(zhuǎn)化成巖塊間的壓應(yīng)力并在巖塊接觸面產(chǎn)生摩擦力，維持穩(wěn)定狀態(tài)、產(chǎn)生較強(qiáng)的承載能力［6-7］。

3 沿空留承載力學(xué)模型構(gòu)建及充填體寬度計(jì)算

3.1 沿空留巷上覆巖層活動(dòng)特征分析

C2、C3煤層間巖層受到C2煤層采動(dòng)破壞影響，處于塊狀咬合狀態(tài)，C3煤層采煤面移架后即和上部C2煤層冒落帶松散矸石同步垮落，形成不規(guī)則冒落帶；上位裂隙帶鉸接梁失去矸石支撐，失穩(wěn)垮冒，形成規(guī)則冒落帶；兩者共同構(gòu)成C3煤層冒落帶，充滿采空區(qū)，支撐更上位的基本頂形成新的砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)。由于新的基本頂距離C3煤層較遠(yuǎn)，破斷載荷傳遞過程中被冒落帶矸石層吸收，工作面支架和沿空留巷支護(hù)體受周期來(lái)壓影響緩和，基本上處于靜載狀態(tài)。

C3煤層開采后，重新形成新的采空區(qū)冒落帶和采空區(qū)裂隙帶，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［8］和關(guān)鍵層分層理論［9］，結(jié)合某煤礦煤系巖層柱狀圖進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定新冒落帶高度為13.6 m，新裂隙帶高度為38.7 m。

3.2 沿空留巷承載力學(xué)模型構(gòu)建及充填體寬度計(jì)算

上覆巖層歷經(jīng)C2煤層和C3煤層兩次采動(dòng)作用，冒落帶發(fā)育充分，矸石碎脹充滿采空區(qū)；C3煤層采空區(qū)新砌體梁受矸石支撐充分，不易發(fā)生二次破斷，鉸接自承載能力強(qiáng)，沿空留巷頂板主要承受上覆新冒落帶軟弱巖層自重載荷，靜載特征明顯。依據(jù)沿空留巷上覆巖層活動(dòng)特征及力學(xué)傳遞形態(tài)，構(gòu)建塊狀咬合狀態(tài)頂板沿空留巷承載力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 近距離采空下砂巖頂板沿空留巷承載力學(xué)模型

模型中：q為沿空留巷上覆載荷巖層單位長(zhǎng)度自重，N；Pq為巷旁充護(hù)體支護(hù)阻力，N；qy為沿空留巷實(shí)煤體幫支撐應(yīng)力，N；x0為沿空留巷實(shí)煤體幫極限平衡區(qū)寬度，m；c為沿空留巷寬度，m；d為巷旁充護(hù)體寬度，本次使用高水材料充填體，m。對(duì)模型做如下簡(jiǎn)化：①煤層水平賦存；②沿空留巷上覆載荷q等同C3煤層開采后新裂隙帶高度范圍內(nèi)巖層單位長(zhǎng)度自重；③忽略新裂隙帶巖層受鉸接支撐作用。

式中：k0為沿空留巷載荷動(dòng)載系數(shù)；C0、φ0為煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，MPa、°；Px為支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，MPa；A為測(cè)壓系數(shù)；m為上下煤層累計(jì)采高，m；r為上覆巖層平均容重，MN/m3；k為應(yīng)力集中系數(shù)；HL為開采深度，m。

某煤礦的各參數(shù)為：k0為1.2，C0為0.1 MPa，φ0為18°，Px為0.042 9 MPa，A為0.3，m為3.5 m，r為0.025 MN/m3，k為2.0，HL為320 m；將上述參數(shù)代入式（1）（2），得到：Pq=6.4d+3.48；由中k1為充填體強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.85，σ為高水材料抗壓強(qiáng)度，取9.3 MPa，求得d大于1.89 m。

3.3 沿空留巷承載力學(xué)結(jié)構(gòu)變形破壞特征模擬研究

依據(jù)某煤礦110304工作面回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值模型，對(duì)沿空留巷采用1.89 m寬的巷旁充填體時(shí)，對(duì)沿空留巷受到一次采動(dòng)影響后圍巖垂直應(yīng)力分布特種及變形分布特征進(jìn)行研究，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知：①沿空留巷受一次采動(dòng)影響后，圍巖基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，1.89 m寬的充填體中間分布有一個(gè)顯著的應(yīng)力集中區(qū)，這說(shuō)明充填體處于彈性承載狀態(tài)，未發(fā)生塑性破壞，頂板在塊狀咬合作用下保持穩(wěn)定，體現(xiàn)出較強(qiáng)的承載能力。②沿空留巷底板鼓起量達(dá)到620 mm，頂板下沉量為190 mm，底板鼓起量是頂板下沉量的3.26倍，底板破壞比較嚴(yán)重，生產(chǎn)過程中需要采用合理的支護(hù)方式來(lái)強(qiáng)化底板支護(hù)，同時(shí)還要兼顧到二次采動(dòng)作用期間底板臥底作業(yè)。

圖3 沿空留巷受一次采動(dòng)影響穩(wěn)定后圍巖中垂直應(yīng)力分布圖

圖4 沿空留巷受一次采動(dòng)影響穩(wěn)定后圍巖變形曲線圖

3.4 巷旁充填體寬度確定

理論計(jì)算得到充填體寬度應(yīng)為1.89 m；數(shù)值模擬研究表明：1.89 m寬的充填體在受到一次采動(dòng)影響穩(wěn)定后仍然處于彈性承載狀態(tài)，未發(fā)生塑性破壞，巷道圍巖保持較好的穩(wěn)定狀態(tài)。1.89 m寬的充填體是滿足使用要求的，為了方便現(xiàn)場(chǎng)工程管理和提高充填體的可靠性，本研究確定充填體最終寬度為2.0 m。

4 效果考察

某煤礦110304工作面回風(fēng)巷斷面尺寸為4.0 m×2.5 m（寬×高），采用高水性材料構(gòu)筑沿空留巷巷旁充填體，充填體寬2.0 m、高2.5 m。構(gòu)架充填體模板時(shí)，起除模板下方淺部破碎底板，安裝對(duì)拉錨桿，并配合安裝托盤、鋼帶和金屬網(wǎng)等護(hù)表構(gòu)件來(lái)增強(qiáng)充填體強(qiáng)度和剛度，錨桿間排距為0.7 mm×0.7 mm。

圖5為110304工作面回風(fēng)巷沿空留巷受一次采動(dòng)影響穩(wěn)定后圍巖變形曲線。

圖5 110304工作面回風(fēng)巷沿空留巷圍巖變形曲線

由圖5可知：①沿空留巷圍巖變形平穩(wěn)增加，沒有發(fā)生突變；到工作面后方120 m左右圍巖變形趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后兩幫移近量為410 mm，頂?shù)装逡平繛?96 mm；②沿空留巷頂?shù)装逡平恳缘坠牧繛橹?，底鼓量占頂?shù)装逡平康?5%，兩幫變形量以充填體幫變形為主，充填體幫形量占兩幫移近量的64%；③工程試驗(yàn)表明二次回采之前，去除500.0 mm厚的底板，同時(shí)對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，即可使沿空留巷滿足二次回采需求。

5 結(jié)論

①C2煤層回采造成煤層間巖層縱向次生裂隙發(fā)育，煤層間巖層呈塊狀咬合狀態(tài)。

②構(gòu)建沿空留巷承載力學(xué)模型，計(jì)算得到充填體寬度為1.89 m，最終確定充填體寬度為2.0 m。

③工程試驗(yàn)表明：近距離采空區(qū)下砂巖頂板沿空留巷圍巖變形平穩(wěn)，兩幫移近量為410 mm，頂?shù)装逡平繛?96 mm，沿空留巷圍巖控制效果較為理想。