厚煤层条件下沿空巷道不同充填体宽度围岩变形分析

任自锐

（山西汾西矿业集团公司安监局， 山西 介休 032000）

目前巷旁充填沿空留巷技术在薄煤层开采中的应用已经较为成熟，一般都是在靠近巷道一侧的采空区内布置充填帮。但在中厚煤层及后煤层开采中，这种巷旁充填沿空留巷技术很难取得成功，因此提出了巷内充填沿空留巷、预置充填体沿空掘巷。但对于不同充填帮布置方式的沿空巷道围岩结构没有系统的分析和研究，而且在不同的地质条件下如何选择充填帮的布置位置也没有系统的分析和结论[1-3]。因此，本文将对充填帮位置的沿空巷道围岩变形破坏特征进行研究，并根据地质条件对不同充填帮位置的沿空巷道的适用性进行分析，并进一步完善对于沿空巷道围岩结构及变形特征的理论研究；同时对于现场巷道选择应用具有一定的实用价值[4-5]。

1 模拟方案建立

模拟模型采用库伦—摩尔模型。模型底边界为垂直位移固定，左右边界为水平方向位移固定。各个岩层及煤层的力学参数见表1、表2。模型中坚硬及软弱直接顶的力学参数不同，其他岩层参数相同。模拟煤层为水平煤层，建立煤层厚度别6m的数值模型，其余岩层厚度相同。模拟巷道尺寸为（宽×高）4.0 m×3.0m，薄煤层时模拟巷道尺寸为（宽×高）3.0m×2.4 m。

2 充填体的合理模拟宽度

在厚煤层数值模拟中选择充填体宽度分别为1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m 进行模拟实验，对比选择变形合理的充填体宽度。数值模拟结果如下页图1、图2所示。

由图1、图2可以看出，在两种直接顶条件下，当充填体的宽度由1.5 m增加到2.5 m时，充填体的下沉量都明显减小，这说明充填体宽度达到2.5 m时其稳定性明显增加。当继续增加充填体宽度，在距离巷道内表面侧充填体下沉量变化很小，说明充填体在2.5 m宽时已经基本稳定。因此在厚煤层模拟中选择充填体宽度为2.5 m。

表1 块体力学参数

表2 接触面力学参数

3 坚硬直接顶沿空巷道围岩变形分析

坚硬直接顶条件下巷道顶板、煤帮及充填体的变形量分别如下页图3所示。

图1 坚硬直接顶条件下充填体下沉量

图2 软弱直接顶条件下充填体下沉量

图3 厚煤层坚硬直接顶条件下巷道围岩变形曲线图

通过对图3的分析，可以得到在厚煤层坚硬直接顶条件下巷道围岩变形的主要特征：

3.1 顶板下沉分析

由图3-1得，采空区侧充填和巷内充填沿空留巷巷道顶板下沉量都是从巷道煤壁一侧向充填帮侧先增大后减小，采空区侧充填沿空留巷巷道顶板最大下沉量在距巷道煤壁2.30 m时达到最大，为0.86 m，巷内充填沿空留巷顶板下沉量在距巷道煤壁2.40 m时达到最大，为0.73 m，可以看出巷内充填沿空留巷顶板下沉量要明显小于采空区侧充填沿空留巷。预置充填体沿空掘巷顶板的下沉量要明显小于采空区侧充填和巷内充填沿空留巷，且从煤壁一侧向充填帮一侧逐渐增大，最大下沉量为0.27 m。

3.2 充填帮变形分析

由图3-2、图3-3可以看出，预置充填体沿空掘巷中，掘巷后充填帮的下沉量要明显的小于沿空留巷充填帮的下沉量，分析其主要原因是在掘巷前充填帮受到顶板运动的作用有一定的下沉量，掘巷后充填帮下沉量主要是由于掘巷应力重新分布引起的。两种沿空留巷充填帮下沉量的变化趋势基本相同，充填帮的最大下沉量为，采空区侧充填沿空留巷为0.74 m；巷内充填沿空留巷为0.66 m。预置充填体沿空掘巷充填帮向采空区侧移动。而采空区侧充填和巷内充填沿空留巷充填帮向巷道内移动的量基本相同，分别为0.07 m和0.08 m。

3.3 煤帮变形变形分析

由图3-4、图3-5可得，煤帮变形量的大小顺序为，采空区侧充填沿空留巷大于巷内充填沿空留巷大于预置充填体沿空掘巷。

煤帮最大下沉量分别：采空区侧充填沿空留巷为0.47 m，巷内充填沿空留巷为0.45 m，预置充填体掘巷为0.26 m。

煤帮向巷道内最大水平位移量：采空区侧充填沿空留巷为0.32 m，巷内充填沿空留巷为0.27 m，预置充填体掘巷为0.18 m。

3.4 巷道围岩变形模拟效果

厚煤层坚硬直接顶条件下巷道围岩变形模拟效果如图4所示。

图4 厚煤层坚硬直接顶条件下模拟效果图

厚煤层软弱直接顶沿空巷道围岩变形分析软弱直接顶条件下巷道顶板、煤帮及充填体的变形量分别如图5所示。

4 软弱直接顶沿空巷道围岩变形分析

分析图5得到，在厚煤层软弱直接顶条件下巷道围岩变形的主要特征：

4.1 顶板下沉分析

图5 厚煤层软弱直接顶条件下巷道围岩变形量曲线图

由图5-1，巷内充填沿空留巷顶板下沉量比采空区侧充填沿空留巷顶板的下沉量小，且从煤壁向充填帮侧先增大后减小，最大值出现在距离巷道煤壁2.40 m位置，最大值为0.77 m。采空区侧充填沿空留巷顶板下沉量最大，且从煤壁向采空区侧先是逐渐增大，最大值在巷道充填帮处为0.98 m。预置充填体沿空掘巷顶板下沉量最小，且从煤壁侧向采空区侧逐渐增大，最大值为0.27 m。

4.2 充填帮变形分析

由图5-2、图5-3，采空区侧充填沿空留巷充填帮的下沉量要明显大于巷内充填沿空留巷与预置充填体沿空掘巷，其最大下沉量为1.00 m。巷内充填沿空留巷充填帮的下沉量大于预置充填体沿空掘巷，其最大下沉量为0.67 m。预置充填体沿空掘巷充填帮的下沉量最小。充填帮向巷道内的位移与坚硬直接顶条件下基本相同，采空区侧充填沿空留巷充填帮的位移量为0.08 m，巷内充填沿空留巷充填帮的位移量为0.09 m。

4.3 煤帮变形分析

由图5-3、图5-4，采空区侧充填沿空留巷煤帮变形比巷内充填沿空留巷煤帮变形大，其下沉量最大分别为：采空区侧充填0.41 m，巷内充填0.38 m。向巷道内的最大水平位移量分别为：采空区侧充填0.28 m，巷内充填0.24 m。预置充填体沿空掘巷煤帮的变形比沿空留巷煤帮的变形量要小的多，其下最大沉量为0.10 m，向巷道内的最大位移量为0.15 m。

4.4 巷道围岩变形模拟效果

厚煤层坚硬直接顶条件下巷道围岩变形模拟效果如图6所示。

5 结论

1）对于采空区侧充填，在直接顶坚硬条件下顶板自身有一定的承载能力，充填帮能够将一定的支撑力传递给顶板，减小顶板下沉；而在直接顶软弱时，顶板的自我承载能力差，充填帮不能将支撑力传递给顶板，所以顶板下沉量从煤壁到充填帮侧逐渐增大。

2）巷内充填沿空留巷围岩变形量比采空区侧充填沿空留巷围岩的变形量小，而且在软弱直接顶条件下，其减小的幅度比在坚硬直接顶条件下要大。巷内充填沿空留巷顶板下沉量从煤壁侧向充填帮侧先增大后减小，特别是在软弱直接顶条件下，巷内充填沿空留巷顶板下沉量在充填帮一侧有明显的减小。

图6 厚煤层坚硬直接顶条件下模拟效果图

3）预置充填沿空掘巷巷道围岩的变形量最小。其顶板下沉量从煤壁侧向充填帮侧逐渐增大。而且在坚硬直接顶和软弱直接顶条件下顶板的最大下沉量相同，说明顶板岩性对其围岩变形基本没有影响。