堅(jiān)硬頂板條件下厚煤層沿空留巷最優(yōu)巷高參數(shù)研究

張建超，楊 森

（1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

沿空留巷是實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全、高效開采的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是對(duì)于高瓦斯厚煤層，沿空留巷能夠?qū)崿F(xiàn)煤與瓦斯共采[1-3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)西部厚煤層開采量增加，厚煤層沿空留巷成為1個(gè)研究熱點(diǎn)，薛俊華[4]等利用數(shù)值模擬方法，分析了厚煤層沿空留巷過(guò)程中沿空巷道圍巖應(yīng)力變化。華心祝[5]等通過(guò)分析沿空留巷過(guò)程中煤體自身承載作用和巷內(nèi)支護(hù)對(duì)留巷體系穩(wěn)定性的影響，建立了考慮相應(yīng)因素的力學(xué)模型。謝生榮[6]等通過(guò)利用UDEC數(shù)值模擬，提出了巷旁、巷內(nèi)聯(lián)合支護(hù)方法。韓昌良[7]等通過(guò)分析大采高沿空留巷側(cè)向頂板的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了大采高沿空留巷“頂-墻-底”復(fù)合承載結(jié)構(gòu)。馮吉成[8]等運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬方法，確定了深井大采高沿空巷道采空側(cè)留設(shè)煤柱的合理寬度。許永祥[9]通過(guò)數(shù)值模擬，分析了采用高預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)對(duì)大采高沿空留巷穩(wěn)定性的影響。張東升[10]等根據(jù)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究了采用空間錨栓加網(wǎng)技術(shù)對(duì)留巷體系圍巖變形的控制效果。謝文兵[11]采用數(shù)值模擬分析方法，對(duì)厚煤層綜放開采沿空巷道圍巖移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。姚亞虎[12]等提出了卸壓爆破和圍巖強(qiáng)化相結(jié)合的堅(jiān)硬頂板沿空留巷控制技術(shù)煤層沿空留巷技術(shù)進(jìn)行了研究。王永志[13]利用數(shù)值軟件對(duì)堅(jiān)硬厚層頂板下沿空留巷穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了研究。池秀文[14]等對(duì)堅(jiān)硬頂板在薄煤層眼沿空留巷問(wèn)題進(jìn)行了研究。這些研究成果對(duì)提升厚煤層沿空留巷技術(shù)有著重要的意義。

但是從整體上講，厚煤層特別是堅(jiān)硬頂板下厚煤層沿空留巷技術(shù)在我國(guó)還未取得廣泛的應(yīng)用，對(duì)工程實(shí)際中存在的一些問(wèn)題未能進(jìn)行科學(xué)的解釋。同時(shí)現(xiàn)有的研究多數(shù)集中在對(duì)厚煤層或堅(jiān)硬頂板單一工程環(huán)境下的沿空留巷問(wèn)題進(jìn)行研究，較少對(duì)堅(jiān)硬頂板下厚煤層復(fù)雜環(huán)境下沿空留巷問(wèn)題進(jìn)行研究。特別是堅(jiān)硬頂板下厚煤層沿空留巷合理巷高方面的研究較少，出現(xiàn)了由于留巷高度不合理造成的留巷失敗、煤炭資源采出率低等問(wèn)題。因此對(duì)堅(jiān)硬頂板下厚煤層沿空留巷合理留巷高度問(wèn)題進(jìn)行研究能夠?yàn)橄嗨茥l件下的沿空留巷留巷高問(wèn)題提供理論借鑒，從而提升該種工程條件下留巷體系的穩(wěn)定性和安全性。

1 工程概況

沿空巷道所在工作面埋深在470～550 m之間，平均埋深為515 m，留巷所屬工作面長(zhǎng)度為230 m，煤層平均厚度在6.5 m，屬于厚煤層，傾角在3°~7°之間，平均傾角為5°，賦存條件較為簡(jiǎn)單，工作面采用綜采方法。留巷區(qū)域煤層基本頂為6 m厚的細(xì)砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)f=8，直接頂為粗砂巖，平均厚度為2 m，堅(jiān)固性系數(shù)為6，從整體上看，沿空留巷所在區(qū)域?qū)儆趫?jiān)硬頂板厚煤層。巷道在掘進(jìn)完成后立即進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)。巷旁充填體系采用鋼筋混凝土，充填墻體寬度3 m。根據(jù)開采要求，留巷寬度4 m。

2 厚煤層沿空留巷覆巖運(yùn)動(dòng)與破斷特征

根據(jù)已有研究，采用關(guān)鍵層理論對(duì)沿空留巷頂板破斷進(jìn)行分析是合適的。對(duì)于堅(jiān)硬頂板下厚煤層沿空留巷來(lái)講，最主要的關(guān)鍵層為煤層基本頂。沿空巷道上方側(cè)向頂板破斷過(guò)程如圖1。

自開切眼至回采過(guò)程中，首先在采空區(qū)及工作面前方的煤體上方，基本頂出現(xiàn)斷裂，形成平行斷裂線A1和A2。同時(shí)工作面兩側(cè)短邊方向也產(chǎn)生斷裂，形成斷裂線B1和B2，隨著破斷頂板在沿空留巷側(cè)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成斷裂線C，與前期形成的斷裂線貫通，在沿空巷道上方形成弧形三角塊。隨著工作面回采的進(jìn)行，在沿空巷道上方形成一系列弧形三角塊。因此對(duì)沿空留巷體系來(lái)講，側(cè)向弧形三角塊的破斷與運(yùn)動(dòng)對(duì)留巷體系的穩(wěn)定性有著重要的影響。研究表明，沿空留巷側(cè)向頂板在煤層上方側(cè)向弧形三角塊斷裂位置位于沿空留巷煤幫彈塑性交界位置。對(duì)于厚煤層沿空留巷，煤體彈塑性交界位置與沿空巷道煤體側(cè)的距離X0可以按照式(1)進(jìn)行計(jì)算[15]。

圖1 沿空留巷側(cè)向頂板破斷過(guò)程

式中：h為采高；C、φ為煤層與頂板巖層的交界面的黏聚力和內(nèi)摩擦角；α為煤層傾角；px為煤幫的支護(hù)阻力；λ為沿空巷道所在區(qū)域的側(cè)壓系數(shù)；H煤層埋深；ρ為煤層上方巖層的平均密度；K為應(yīng)力集中系數(shù)。

從上式可知，在同一工程環(huán)境當(dāng)中，煤體上方弧形三角塊的斷裂位置距沿空巷一側(cè)的距離隨著采高的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。當(dāng)采高過(guò)大時(shí)，弧形三角塊的斷裂位置距離巷道表面較遠(yuǎn)，使得沿空巷道位于采空側(cè)頂板下方，巷道穩(wěn)定性大大降低。因此堅(jiān)硬頂板厚煤層沿空巷道，合理的采高將降低沿空巷道變形量，提升留巷成功率。

3 不同采高條件下沿空巷道圍巖承載與變形特征

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，利用FLAC3D模擬軟件建立計(jì)算模型。模型的尺寸為長(zhǎng)×寬×高=200 m×100 m×44 m，模型各巖層屬性見(jiàn)表1。模型計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，上方施加12.5 MPa的垂直應(yīng)力，除上邊界以外，其它邊界固定。數(shù)值模擬中留巷的高度分別為 3.0、4.0、4.5、5.0、6.0 m，巷道高度與采高相同，巷道沿頂板掘進(jìn)。

3.2 不同采高下沿空巷道圍巖承載特征

3.2.1 留巷頂板垂直應(yīng)力

不同采高條件下基本頂垂直應(yīng)力分布如圖2。由圖2可知，采高從3.0 m增加至6.0 m時(shí)，基本頂中的垂直應(yīng)力分布趨勢(shì)基本相同。但是隨著采高的增加，巷道正上方基本頂中的垂直應(yīng)力逐漸降低，而煤幫上方基本頂中最大垂直應(yīng)力沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但是高應(yīng)力集中區(qū)距離巷道表面的距離從2.0 m增加至7.0 m。以上分析表明：當(dāng)采高增加時(shí)，沿空巷道上方側(cè)向頂板破斷位置發(fā)生了明顯變化，從而造成沿空留巷上方基本頂垂直應(yīng)力發(fā)生變化。

表1 數(shù)值模擬模型各層巖層特征

圖2 不同采高下頂板垂直應(yīng)力

3.2.2 充填體垂直應(yīng)力

充填體內(nèi)部垂直應(yīng)力如圖3。由圖3可知，充填體中的最大垂直應(yīng)力和高應(yīng)力承載區(qū)域范圍隨著采高的增加而減小。且當(dāng)采高超過(guò)4.5 m時(shí)，充填體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，充填體受力更加均勻，充填體的穩(wěn)定性提升。這表明當(dāng)采高增加至合理高度（4.5 m）時(shí)，留巷上方側(cè)向頂板斷裂位置比較合理，沿空留巷上方頂板受力均勻，從而降低了由于側(cè)向頂板下沉在煤幫和充填體中形成的高應(yīng)力集中程度。

圖3 充填體內(nèi)部垂直應(yīng)力

3.3 不同采高下沿空巷道圍巖變形特征

3.3.1 沿空巷道頂板下沉量和底鼓量

不同采高下頂板下沉量和底板鼓起量如圖4。由圖4可知，當(dāng)采高達(dá)到合理高度時(shí)頂板下沉量較小且底鼓量均迅速降低。當(dāng)采高由4.5 m增加至5.0 m和6.0 m時(shí)，頂板下沉量為均為0.70 m，增加了0.18 m，底鼓量分別為0.04 m和0.02 m。表明采高達(dá)到合理采高（4.5 m）時(shí)沿空巷道頂板下沉量和底鼓量均較小，頂板底板圍巖體系較為穩(wěn)定。當(dāng)采高超過(guò)合理采高時(shí)，頂板下沉量迅速增加，巷道有效使用高度迅速降低。

圖4 不同采高下頂板下沉量和底板鼓起量

3.3.2 沿空巷道煤幫和充填體側(cè)向位移

不同采高下煤幫和充填體側(cè)向變形如圖5。由圖5可知，當(dāng)采高為4.5 m時(shí)，煤幫和充填側(cè)向位移基本不發(fā)生變化，均在0.10 m和0.30 m左右。當(dāng)采高由4.0 m增加至4.5 m時(shí)，充填體側(cè)向位移為0.5 m，增加量了0.2 m，煤幫側(cè)向位移為0.18 m，增加了0.06 m。當(dāng)采高增加至6.0 m，煤幫側(cè)向位移迅速增加至0.3 m。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是當(dāng)采高超過(guò)某一值時(shí)，充填體和煤幫的穩(wěn)定性降低，在承受較小的荷載時(shí)即產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致留巷體系整體穩(wěn)定性降低。

3.3.3 巷道斷面收縮率

變形穩(wěn)定后巷道收縮率如圖6。由圖6可知，沿空巷道的斷面收縮率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。采高從3.0 m增加至4.5 m時(shí)，巷寬收縮率從20%降低為15%，巷高收縮率未發(fā)生明顯的變化，均在12%左右，整個(gè)巷道斷面收縮率從27%降低為18%。當(dāng)采高從4.5 m增加至6.0 m，巷寬收縮率略微降低，但巷高收縮率明顯增加，從12%增加至22%，整個(gè)巷道斷面收縮率迅速增加，達(dá)到27%。從以上分析可知，當(dāng)采高在4.5 m時(shí)整個(gè)巷道的斷面收縮率最小，巷道有效使用率最高。

圖5 不同采高下煤幫和充填體側(cè)向變形

圖6 變形穩(wěn)定后巷道收縮率

4 工程實(shí)踐

充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力如圖7。由圖7可知，在工作面回采期間，在工作面后方110 m范圍內(nèi)，巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為0.55 m，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，底板最大底鼓量為0.22 m，大于數(shù)值模擬的最大底鼓量。巷道煤幫和充填體的最大側(cè)向位移分別為0.25 m和0.26 m，其中煤幫側(cè)向位移大于數(shù)值模擬結(jié)果。但從總體上看，采高4.5 m時(shí)巷道變形穩(wěn)定后，巷道最小斷面能夠滿足生產(chǎn)要求，整個(gè)區(qū)域未出現(xiàn)由于大變形而造成的巷道失穩(wěn)。充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力如圖8，由圖8可知，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)充填體內(nèi)部垂直應(yīng)的最大垂直應(yīng)力位于巷道中間位置，為32 MPa，與模擬結(jié)果相近。

圖7 巷道變形曲線

圖8 充填體內(nèi)距巷道表面不同位置垂直應(yīng)力

5 結(jié)論

1）在堅(jiān)硬頂板厚煤層條件下，留巷高度對(duì)頂板側(cè)向斷裂位置有重要影響，合理的采高能夠提升沿空留巷體系的穩(wěn)定性。經(jīng)數(shù)值模擬研究，確定某礦6 m厚煤層的最優(yōu)巷高為4.5 m。

2）堅(jiān)硬頂板厚煤層沿空留巷存在最優(yōu)巷高。最優(yōu)巷高下，沿空巷道圍巖應(yīng)力集中度降低，巷道變形穩(wěn)定后巷道斷面收縮率最低，留巷成功率高。

3）工程實(shí)踐表明，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬確定的沙曲礦堅(jiān)硬頂板條件下厚煤層沿空留巷的最優(yōu)巷高為4.5 m。在該巷高參數(shù)下，留巷體系的整體變形量較小，留巷體系穩(wěn)定性和留巷成功率大大提升，滿足了礦井安全、高效生產(chǎn)的需要。