变厚煤层沿空留巷变形破坏原因及规律

钱志良

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

沿空留巷作为无煤柱护巷之一，能减小煤炭损失，提高煤炭回收率，有效解决瓦斯超限等问题，符合我国科学采矿、绿色采矿的发展方向，因此被越来越多的煤矿认可和使用。到目前为止，我国在沿空留巷理论与技术研究方面做了大量工作，在条件较好的煤层采煤工作面，沿空留巷技术已日趋完善[1-5]。但沿空留巷受顶板活动和动压影响，围岩应力集中程度高，巷道变形破坏严重。尤其对于厚度变化不一煤层而言，巷道高度变化较大，围岩以及充填墙体稳定性差异性较大。目前，国内大多数理论研究和实际应用都针对同一厚度煤层[6-8]，不能满足巷道高度较大变化需求，当只采用1种支护策略时，按巷道较高时设计，强度太高，支护费用不合理；按巷道较低时设计，巷道强度又达不到要求，影响巷道稳定。为此研究分析变厚煤层沿空留巷巷道变形破坏原因、规律及其稳定情况，为该类巷道合理的分类支护提供技术支撑，既能维持巷道稳定，又能提高效率和经济效益。

1 沿空留巷变形破坏理论

沿空留巷变形破坏最主要原因是由上覆岩层大结构活动和巷道周边小结构失稳破坏造成。根据关键层理论[9]，沿空留巷上覆岩体大结构如图1。

图1 沿空留巷上覆岩体大结构模型

在工作面回采过程中，上覆岩层运动在工作面前后一定范围内，巷道上覆顶板岩层由完整层状结构变为砌体梁结构。该结构可简化为三铰拱式结构，2块体结构运动形态如图2，根据砌体梁“S-R”稳定理论[10]可知，砌体梁稳定需满足如下S和R条件。若θ角较小时易形成滑落失稳，θ角较大时易发生变形失稳，都严重影响沿空留巷稳定。

图2 2块体结构运动形态

S条件：

R条件：

式中：h为关键块B的厚度；h1为承载层负载岩层的厚度；σc为承载层抗压强度；ρ为岩体的平均密度；φ为岩块间的摩擦系数；i为断裂度，为h/l；l为B岩块长度；θ为B块体的转角。

形成稳定砌体梁过程中，必然存在关键块B下沉回转，引起巷道围岩内部应力重新分布，并转移为煤柱帮和充填体上方应力，这是沿空留巷变形破坏的应力来源。另一方面，关键块B还起一定保护作用，其自身稳定是沿空留巷成功的前提。巷道顶板也会随着产生不可避免的下沉，需给定顶板一定的变形量，这样反而有利于巷道维护。

沿空留巷是否成功一方面需克服这种不可避免应力变形，另一方面需保证周边小结构稳定。围岩小结构是由巷道顶板支护岩层结构、底板岩层结构、实体煤帮支护结构和充填体支护结构组成的复合结构。理论研究和现场实践表明，围岩小结构的变形破坏[11]有以下几种类型。

1）充填体诱导型破坏。在经受基本顶破断、回转、形成砌体梁结构过程中，充填体从不承载到承载，最终形成由底板、充填体、顶板组成的承载结构。当充填墙体破坏后，顶板会沿着充填体下沉，承载结构发生破坏，继而造成巷道围岩变形破坏，这种破坏称为充填体诱导型破坏。

2）实体煤帮诱导型破坏。由顶板结构可知，实体煤帮的应力集中程度在小结构当中是最大的。煤帮作为悬臂梁的支承点，在悬臂梁急剧转动过程中，煤帮会产生严重破坏并向巷道内挤出，使顶板向实体煤侧下沉，影响充填体的稳定性，也会导致底板严重鼓起。最终导致小结构失稳破坏。

3）底板诱导型破坏。工作面回采前，底板一定深度有较高水平应力，但由于处在较低的应力环境中，能保持稳定。采动后，巷道围岩应力增大，垂直应力通过煤帮传递到底板岩层中，促使水平应力发挥作用，导致底鼓。而这种底鼓由于垂直应力集中的不均衡性，其变形也是不对称的。

综上所述，沿空留巷服务期间围岩变形将经历掘进采动和二次采动影响，大结构的下沉回转和小结构的失稳破坏是造成沿空留巷失败的最主要原因，控制该时期巷道围岩变形是支护成功与否的关键，故需有效防止充填体、实体煤帮和顶底板等围岩小结构的强烈变形和充填体的变形坍塌。除此之外，变厚煤层沿空留巷围岩的变形特点和支护侧重点也有所不同，还需进一步分析探讨。

2 不同开采高度对沿空留巷的影响

2.1 沿空留巷的顶板下沉与采厚的关系

巷道顶板的最终下沉量是由垮落带岩层厚度、采厚和岩石碎胀系数确定的，沿空留巷顶板最终下沉量如图3。

图3 沿空留巷顶板最终下沉量

由此可知，岩性相同时，巷道顶板下沉量与煤层采厚呈正比关系，即采厚越大，顶板下沉量越大，巷道支护也越难。所以对煤层厚度较高时进行加强支护是必不可少的。

2.2 不同高度沿空留巷充填体支护阻力分析

从沿空留巷顶板围岩活动规律和变形破坏原因可以看出，充填体稳定性很大程度上决定沿空留巷稳定性。所以针对沿空留巷不同厚度开采，分析研究充填体提供多少支护阻力尤为关键。沿空留巷每米充填体合理的巷旁支护阻力为[12]：

式中：p为巷旁支护体需要最小的支护阻力；n为垮落层数；ρ为第1～n层的岩层平均密度；h为切顶岩层的分层厚度；a为巷道维护宽度；α为切顶岩层垮落角的余角；Ln为第n层岩层的垮落顶板岩块长度；Rt为第Ln层岩层的抗拉强度。

根据工作面地质条件，可相应取出式（4）中参数值，确定沿空留巷的巷旁支护强度。

对于不同采厚的沿空留巷，由理论分析可知，厚度由小变大时，α角增大，对应所需巷旁支护阻力也增加。同时由下式（5）[13]可知，巷旁支护所需宽度也会随巷旁支护强度增加而增加，所以对于巷道变厚开采时，充填墙体宽度可适当变化，在不影响巷道稳定性的前提下节约巷道支护成本。

式中：a1为巷旁支护平均宽度；K为安全系数，一般取1.1～1.2；F为沿空留巷所需的巷旁支护强度；p1d为巷旁支护体成型后1 d的抗压强度。

2.3 不同高度对回转角的影响

不同高度关键块B的回转角度是不一样的，回转角大小取决于：

式中：θ为B块体的转角；M为采高；∑h为直接顶总厚度；Kp为岩石破断厚度的松散系数。

当采高增大，回转角度增大，当回转角超出变形稳定范围时，顶板垮落对充填体冲击较大并产生横向推力，造成充填体剪胀变形的同时向巷道内移，容易造成充填体诱导型破坏。所以在顶板“定变形”的同时，实施充填墙体抗变形措施和防内移措施，保证充填体稳定性，是支护沿空留巷的关键之一。

3 变厚煤层沿空留巷围岩变形活动规律数值分析

3.1 模型建立

根据某矿8101工作面现有地质采矿条件，建立平面模型。模型尺寸为：130 m×74 m，共划分38 480个有限差分单元。本模型底边界为固定边界，水平边界为支承边界，上边界为应力边界，受模型计算容量所限，在模型的顶部加13.57 MPa的等效载荷，相当于约520 m厚的上覆岩层。由于地壳中原岩应力分布的基本规律是水平应力普遍大于垂直应力，水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，结合某矿实际采深，侧压系数取1.3。为了分析变厚煤层开采时沿空留巷围岩稳定性，结合现场实际情况，模型中选取巷道高为2、3、4 m，巷道宽为4.2 m。大量工程实践证明巷道充填体宽高比最好大于0.8[14-15]，结合实际选取充填墙宽为3 m。

数值模拟过程中岩体参数选取对模拟效果具有直接影响，由于岩块单轴抗压强度难以全面反映工程岩体的实际强度。结合某矿已有地质参数，以及8101工作面围岩赋存情况和揭露的围岩岩性，采用岩体强度参数分析软件RocLab，综合选取得到数值模型主要岩体的力学参数（表1）。

表1 数值模拟模型岩体力学参数

3.2 变厚煤层沿空留巷围岩活动规律分析

3.2.1 巷道变形分析

不同巷道高度条件下，工作面回采后巷道表面位移情况如图4。从图4（a）可知，巷道高度增加，顶底板移近量增大，最大值分别为160、268、525 mm，都出现在近充填体侧，并随着与充填侧距离增大，顶底板移近量逐渐减小。图 4（b）~4（d）为巷道高为 2、3、4 m时两帮移近量，分析可知，巷道中部两帮移近量最大，最大值随巷道高度增大而增大，但变化幅度不大。

不同巷道高度充填墙体变形情况如图5。巷道高度增加，充填体垂直压缩量增大，其中巷道高2 m时压缩量略小于巷道高3 m时压缩量，两者平均约为巷高4 m时充填体压缩量的1/2。而充填体侧向变形量都出现在充填体中部，并随着巷道高度增大而增大。当与充填体内侧距离增大，高3 m和4 m巷道其充填体压缩量增大，4 m时增加了34%，3 m增加了27.5%，而巷道高2 m时，压缩量基本不变。

图4 不同高度巷道围岩表面位移情况

图5 不同巷道高度充填体变形情况

综合可知，巷道高度增加，顶板回转程度和充填体变形量加大，充填体外侧变形加剧，此时充填体容易产生推垮型破坏。巷道的稳定性和充填体的承载能力随巷道高度增大而减小。

3.2.2 巷道围岩应力分布规律分析

1）直接顶与煤帮应力对比分析。不同高度巷道直接顶应力对比曲线如图6。图6中横坐标-10～-7.2 m范围为采空区，-7.2～-4.2 m范围为充填墙体，-4.2～0 m范围为巷道，0～10 m范围是指实体煤帮。由图6可知，直接顶垂直应力和水平应力沿着煤帮向采空区方向主要呈减小趋势。相对于垂直应力变化幅度，水平应力变化幅度较小。随着巷道高度不断增大，垂直应力小幅度增加，水平应力基本不变，只在近煤帮处顶板有少许增大。在基本顶砌体梁结构中，实体煤帮作为梁的1个支点，采空区垮落矸石为另1支点，根据侧向支承压力分布规律，充填墙体由于支承作用，在其上方会产生应力集中，并随着巷道高度的增加，支承压力也逐渐增大。对比图6中2图，不同巷道高度时，应力在采空区、充填体、巷道上方应力变化不大，但在实体煤帮上方直接顶应力有少许减小。结合上节分析可知，这主要是由于巷道高度增加，实体煤内部应力增大，导致变形加剧并造成其应力有所减小。不同高度巷道实体煤帮应力对比曲线如图7。图7中，0～10 m范围为实体煤帮。煤帮垂直应力和水平应力最大值随着巷道高度增加而减小，浅部围岩变形加剧，围岩应力得以释放，应力逐渐向深部转移。同时煤帮始终处于高应力状态，不加以支护易导致煤帮变形，并造成实体煤帮诱导型破坏。

2）最大主应力分布对比分析。不同高度巷道围岩最大主应力分布图如图8。由图8可知，巷道高度增大，导致巷道围岩最大主应力低应力区的范围逐渐增大，低应力区范围越大，浅部围岩支护承载结构内岩体的剪胀变形越强烈，支护承载结构的稳定性越弱。综合以上数值结果分析不难看出：随着巷道高度增加，大结构回转程度增大，巷道变形加重，作用在充填体上的支承压力也增大，同时实体煤帮围岩应力也应随之增高。但由于帮角处应力集中，易造成帮角变形加重，并释放变形能，帮角成为承载结构的薄弱点。变形导致的低应力区增大会致使围岩应力向深部延伸。所以对大采高巷道，增加充填体强度、减小其内移和提高实体煤帮的稳定性，是控制巷道变形的关键。而对于巷道高度较小时，巷道自承载能力较好，考虑经济因素，提高煤帮的稳定性就可控制好此类巷道。

图6 不同高度巷道直接顶应力对比曲线

图7 不同高度巷道实体煤帮应力对比曲线

图8 不同高度巷道围岩最大主应力对比图

4 结论

1）大结构的回转和小结构失稳是沿空留巷变形破坏主要原因。针对变厚煤层沿空留巷，当高度增加，顶板下沉量增大，巷道支护难度、充填体所需支护阻力、充填宽度和回转角度增加，易造成充填体破坏并向巷道内移，并在巷道实体煤帮和帮角处产生应力集中，应力峰值向深部延伸。此时支护重点是在给定变形的情况下对充填墙体进行强化，提高充填墙体支护阻力的同时加强实体煤帮支护强度，从而保证墙体实体煤帮的稳定性。

2）高度较小时，巷道变形不显著，但实体煤帮应力集中，存在变形隐患，故其支护重点为选择合适充填宽度并集中对煤帮的加强支护，充填体强度可适当减小。