综放沿空留巷变形与影响因素数值模拟分析

吴 锋

（山西汾西矿业集团南关煤业，山西 晋中 031300）

1 数值计算模型及有关参数

1.1 深厚表土综放沿空掘巷数值计算模型

以某矿2302工作面沿空留巷为原型，建立如图1所示的数值计算模型。模型两侧为滑动支承，底部为固定支承。

图1 综放沿空留巷数值计算模型

1.2 有关参数确定

数值模拟相关参数主要有模型尺寸、岩体力学参数、回采参数及沿空掘巷尺寸等。根据关键层理论，将关键层以上岩层简化为均布载荷施加在数值计算模型上边界，主关键层以下岩层全部构建。根据厚表土层的特点，工作面宽度（220m）不需要完全模拟。考虑到边界影响及上述要求，本模型范围取300m×84m。工作面埋深800m，倾斜长度130m，割煤高度3.5m，放煤高度5.5m；沿空留巷尺寸宽×高＝4.5m×3.5m，沿底板掘进。岩层的物理力学参数（见表1）来自岩石力学实验。

表1 岩层的物理力学参数

2 模拟方案建立

综放沿空留巷围岩稳定性受多个因素影响，如充填体强度、充填体宽度、端头不放顶煤距离等。这些因素的作用使综放沿空留巷围岩产生具有不同特征的变形。

1）充填体强度对沿空留巷围岩变形的影响。充填体强度是影响沿空留巷充填体稳定性的关键参数。确定合理的充填体材料配比，是保证充填体初期强度和后期强度的关键，模拟过程选择充填体强度为6MPa与8MPa两种情况。

2）充填体宽度对沿空巷道围岩变形的影响。合理的充填体宽度既能保证巷旁充填体的稳定性，又能取得巷旁支护较好的经济效果。国外巷旁充填体宽度通常为采高的0.6～1.0倍，我国学者分析大量工程实践发现，当充填体宽高比为4∶5时，有利于充填体本身的稳定。因此，数值模拟煤柱宽度：2、2.5、3、4m。

3）工作面端头不放顶煤宽度对沿空巷道围岩变形的影响。模拟不放顶煤宽度对沿空巷道围岩变形的影响，为护巷煤柱合理宽度的确定提供基础。模拟不放顶煤宽度：15、12、9、6、3、0m。

4）基本顶特征对沿空留巷围岩变形的影响。基本顶特征包括基本顶厚度、位置、断裂步距等，这些参数决定着基本顶的回转角。基本顶回转角越大，沿空巷道围岩变形越大。模拟基本顶距离煤层10m、15m、20m；模拟基本顶断裂步距：15m、20m、25m。

3 综放沿空留巷变形特征与影响因素分析

3.1 充填体强度对沿空留巷围岩变形的影响

图2所示为不同充填体强度对应的围岩变形效果图。从图中可以看出，关键块回转下沉，当充填体强度6MPa时，关键块回转角大，巷道实体煤帮发生坍塌，充填体变形严重从而失去承载能力；充填体强度8MPa时，关键块回转角相对较小，巷道围岩变形较小，稳定性较好。

图2 不同充填体强度对应的围岩变形效果图

基于上述模拟结果可以看出，充填体强度对沿空留巷巷道围岩变形具有关键性的影响。充填体达到一定的强度后能够有效地控制关键块的回转下沉，保持顶板的完整性，保证巷道围岩的稳定性［1］。

3.2 充填体宽度对沿空巷道围岩变形的影响

图3所示为工作面回采阶段不同充填体宽度对应的围岩变形效果图。从图中可以看出，当关键块回转下沉，充填体宽度2m时，关键块回转角大，巷道实体煤帮发生坍塌，充填体变形严重从而失去承载能力；当充填体宽度2.5m、3m时，关键块回转角相对较小，稳定性较好，虽然沿空巷道实体煤帮变形较大，但没有发生坍塌，充填体变形较小，仍具有承载能力；当充填体宽度4m时，巷道围岩变形小，巷道稳定性好，但是充填体宽度越大，充填费用越高。

图3 不同充填体宽度对应的围岩变形效果图

基于上述模拟结果可以看出，在工作面回采阶段，充填体宽度对沿空留巷巷道围岩变形具有重要影响。随工作面推进关键块回转下沉，充填体宽度与巷道围岩变形量成反比关系，充填体宽度越小，巷道围岩变形量越大，巷道充填体宽度越大，巷道围岩变形量越小。

3.3 上区段工作面端头不放顶煤距离对沿空巷道围岩变形的影响

下页图4所示为不放煤距离不同时的围岩变形效果图。从图中可以看出，当不放煤距离为12m时，沿空巷道两帮变形明显，但巷道整体稳定；当不放煤距离为8m时，巷道两帮变形严重，底鼓明显，发生失稳；当不放煤距离为4m时，巷道发生炸帮；当不放煤距离为0时，巷道发生失稳。因此，从沿空巷道围岩控制的角度考虑，上区段工作面端头不放煤距离应不小于12m。

基于以上模拟结果分析，不放顶煤宽度对综采放顶煤沿空留巷围岩的稳定性具有重要的影响。端头支架顶煤不放，间接起到煤层直接顶作用，顶煤垮落，充实沿空留巷附近采空区，有利于减小关键块回转下沉量，减小附加在充填体上的载荷，与充填体一起共同作用，有利于形成良好的充填体——围岩共同承载体系。

图4 不放顶煤距离对应的沿空巷道围岩变形效果图

3.4 基本顶特征与沿空巷道围岩变形之间的关系

图5所示为基本顶位置不同时沿空巷道围岩变形效果图。从图中可以看出，当基本顶距煤层6m时，沿空巷道实体鼓帮严重，沿空帮鼓帮量较小；当基本顶距煤层15m时，沿空巷道两帮都有鼓帮现象，但鼓帮量较小。图6所示为基本顶断裂步距不同时沿空巷道围岩变形效果图。从图6中可以看出，基本顶断裂步距为15m时沿空巷道两帮变形明显，而基本顶断裂步距为25m时沿空巷道两帮变现不明显。另外，从图5、图6中还可以看出，基本顶到煤层的距离越小，基本顶回转角度越大；基本顶断裂步距越小，回转角度越大。

因此，基本顶对沿空巷道围岩变形的影响与回转角有关，基本顶回转角越大，沿空巷道两帮鼓帮量及顶板下沉量越大。而基本顶的断裂步距是通过综放采场基本顶在周期来压时的断裂模式和周期来压步距确定的。因此，基本顶的断裂步距与采高、直接顶厚度、周期来压步距、放出率、直接顶碎胀系数有关，间接指导不放顶煤距离。

图5 基本顶位置不同时沿空巷道围岩变形效果图

图6 基本顶断裂步距不同时沿空巷道围岩变形效果图

4 结语

通过分别模拟不同因素对沿空留巷围岩变形特征的影响，得出2302工作面沿空留巷各技术参数：充填体强度8MPa，充填体宽度2.5～3m，不放顶煤距离12m以上。同时，分析了基本顶特征对沿空围岩变形特征的影响，基本顶距煤层15m时，沿空巷道两帮都有鼓帮现象，但鼓帮量较小，基本顶断裂步距为25m时沿空巷道两帮变现不明显。

［1］ 钱鸣高，李鸿昌.采场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响［J］.煤炭学报，1982（2）：1－12.