单侧工作面沿空留巷全生命周期围岩稳定性控制研究

陈大广

(山西高河能源有限公司，山西 长治 047100)

沿空留巷不仅解决了煤柱资源浪费的问题[1，2]，对于高瓦斯矿井来说还可以采取“Y”型通风方式，能够有效降低空气中瓦斯浓度[3-5]。但是由于沿空留巷一般会服务到整个工作面回采结束，期间会遭受多次采动影响而使巷道围岩变形量大巷道维护困难[6-8]。因此对于单侧工作面沿空留巷期间，甚至是沿空巷道重复利用期间围岩变形破坏规律的研究显得很有必要。

对于沿空留巷围岩变形破坏规律的研究，国内外专家学者对不同矿区、不同条件、不同时期的沿空留巷技术及规律进行了大量的理论和试验研究，取得了大量的研究成果。赵洪宝等探究了巷道在受到上煤层工作面回采与煤柱应力集中情况下产生非对称性破坏的机理与演化规律[9]；王凯等针对软弱厚煤层条件下的沿空留巷变形破坏特征进行了研究，提出了软弱厚煤层沿煤层顶板布置沿空留巷变形协同支护体系[10]；康志鹏等针对厚煤层软底条件下的沿空留巷，建立了顶板、煤帮、底板破坏力学模型，提出了“三位一体”的围岩支护控制方案[11]；闫志强通过分析上煤层采空区底板应力分布与下煤层巷道变形特征，确定了近距离采空区下沿空留巷围岩控制对策，提出了非对称耦合控制技术[12]。

上述研究对于不同地质条件下的沿空留巷支护技术进行了改进，对沿空留巷期间围岩变形破坏特征进行了研究，有效地解决了沿空留巷围岩变形大的特点。但是对于沿空留巷前后整个生命周期，甚至是复用阶段的围岩变形破坏规律却鲜有总结与研究。本研究以高河煤矿W2306、W2307工作面为工程背景，探究了W2306工作面单侧双留巷掘进、留巷、复用三个阶段围岩变形破坏规律，并对留巷阶段围岩支护方案下的围岩变形进行了监测与分析。

1 工程概况

图1 沿空留巷阶段巷道空间位置

2 沿空留巷围岩服务周期活动规律分析

根据W2307综放工作面沿空留巷的不同作用时期，将沿空留巷围岩变形过程大致分为三个阶段：

1)掘巷阶段：W2307运输巷掘进阶段，巷道周围岩层应力平衡被打破，巷道两侧一定距离内出现应力集中现象，巷道顶底板小范围内出现应力降低区，并且小于原岩应力。随着巷道掘进距离的增加，应力逐渐趋于平衡，巷道变形量逐渐减小。

2)留巷阶段：当W2307工作面开始回采时，煤壁前方出现应力集中，之间掘进的巷道应力平衡重新被打破，巷道承受应力增加，变形破坏加剧[11]；随着回采的继续进行，巷道继续受到采空区的影响，尽管有充填体的保护，但是巷道周围应力集中也会小幅度地增加，塑性区范围扩大[13]。

3)复用阶段：由于高河煤矿W2306、W2307工作面的特殊性，W2307只采了一部分，后期W2306的回采又要用到W2307运输巷。此时，靠近W2306工作面的部分W2307运输巷又会受到二次采动的影响而导致巷道应力平衡重新被打破，遭受进一步的破坏变形，随着回采距离的增加，最终重新平衡，趋于稳定。

3 工作面沿空留巷稳定性研究

3.1 模型建立

利用FLAC3D数值模拟软件建立W2306、W2307工作面数值模型，根据高河矿区具体地质条件、煤岩物理力学参数为模型赋参。整体尺寸为300 m×300 m×78.1 m，模型X方向为W2307、W2306工作面推进方向，Y方向为工作面布置方向，基于实验室试验测定的煤岩物理力学参数对各岩层赋参，整体计算采用Mohr-Coulomb破坏准则，开启大变形模式，边界条件为底部边界限制垂直位移、周部边界限制水平移动，自模型顶部施加均布载荷11.3 MPa，具体建模如图2所示。

图2 数值模型

3.2 围岩变形破坏规律研究

3.2.1 掘巷阶段

在巷道掘进期间，运输巷的顶板位移量在27 mm左右波动，帮部围岩的水平位移量不超过23 mm，此时巷道整体的变形量均较小。掘进阶段围岩位移量变化如图3所示。

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图3 掘进阶段围岩位移量变化

由图3可知，W2307运输巷掘进期间，由于边界效应的存在，巷道两侧与顶底板围岩小范围内出现应力降低现象，且顶底板围岩应力低于巷道两侧。究其原因是上覆岩层的重量绝大部分由两帮承担，在巷道两侧稍远距离内出现应力集中，表现在塑性区分布中则是两侧出现塑性区破坏；而顶板则是由于巷道顶板为3 m左右质地松软的煤层，因此应力传播到顶板时，产生了3 m左右的塑性区，掘进巷道垂直应力及塑性区分布如图4、图5所示。

图4 掘进巷道垂直应力分布(Pa)

图5 掘进巷道塑性区分布

掘进巷道顶板垂直位移分布如图6所示。由图6可知，顶板中心下沉量最大，随着上方岩层距离顶板越来越远，垂直位移量也逐渐减小趋于稳定。而左右帮上覆岩层的位移在深部则表现出比浅部岩层垂直位移量大的特点，主要原因是由于巷道顶板为强度较低的以煤层为代表的直接顶，虽然所受矿压较大，但卸压也快，因此顶板中心下沉量大，离中心越远垂直位移变形速率也越慢，因此表现出浅部位移量小的特点；而深部围岩则由于关键层的存在[14，15]，不论是顶板中心还是中心两侧均表现出相似的垂直位移量。

图6 掘进巷道顶板垂直位移分布

W2307掘进后方40 m处的巷道两帮的水平位移量如图7所示，除了构造应力的作用下，在大小方向上则表现出与应力分布图相似的情况。煤帮高度两米处，水平位移量在距离煤帮两米左右达到最大值，随着距离煤帮越远，煤帮高度的增加，水平位移量逐渐减小。

图7 掘进巷道帮部水平位移分布

3.2.2 留巷阶段

留巷阶段围岩位移量变化如图8所示。在W2307工作面回采时，整个巷道受采动影响出现较大变形，顶板下沉量大幅度增加，位移量最大值超过500 mm，实体煤帮围岩水平位移量最大值为182 mm，充填体墙体的水平位移量最大值达到了96 mm，在W2307工作面回采期间实体煤帮的变形始终大于充填体的变形量，此时巷道整体变形量突增。

图8 留巷阶段围岩位移量变化

留巷阶段可分为采动超前影响阶段和采动后滞后影响阶段，工作面采动的超前影响阶段包括：工作面前方10、15、20、25 m，滞后影响阶段包括：工作面后方20、30、40、50 m的巷道所受应力与变形情况如图9—图12所示。

图9 超前与滞后采动影响下巷道垂直应力分布

图10 超前与滞后采动影响下塑性区分布

1)在工作面的超前影响阶段内，巷道顶底板和两帮小范围内为应力降低区，左帮深部出现应力集中区域，出现小范围的塑性区破坏，表现出与掘进巷道应力和塑性区分布相似的特点，不同的是应力集中相较于掘进巷道更大。而右帮则出现大范围的应力升高区，随着超前距离的增加，右帮应力和塑性区影响范围逐渐减小，表现出与左帮应力和塑性区分布相似的特点。

2)在工作面的滞后影响阶段内，左帮应力集中则随着滞后距离的增加而增加到某一最大值，右帮顶板及上覆岩层则由于采空区的影响出现不同程度的下沉，且充填体所受的应力比周围区域更大。

根据图11、图12超前巷道顶板垂直位移和左右帮水平位移分布图可知，巷道顶板垂直位移依然为中心最大两侧逐渐减小，左右帮水平位移量相比，右帮水平位移量更大，与应力分布图相似。共同点则是受W2307工作面回采的影响，前巷道顶板、左帮、右帮位移整体出现偏向右帮一侧。

图11 超前巷道顶板、左帮、右帮位移分布

图12 滞后巷道顶板、左帮、充填体位移分布

由滞后巷道顶板、左帮位移分布图可知，中心靠右下沉量最大，两侧逐渐减小。虽然表现出超前巷道变形趋势一样的特点，但下沉量却比超前巷道更大，几乎大了一个数量级。并且距左帮中心位置2 m处即顶板位置，与超前巷道则不一样，水平位移量也不再是0。而充填体的水平位移的最大值则随着滞后距离的增加而逐渐增加并且趋于某一最大值；由于边界效应的存在[16]，充填体与底板交界处几乎为0，随着距离顶板越来越近，到3 m左右到达最大值，之后在0.5 m范围内逐渐降低，但整体位移量则比围岩较小。

3.2.3 复用阶段

复用阶段围岩位移量变化如图13所示。由于所处位置和保护煤柱的原因，走向相邻的W2306工作面开采对W2307工作面的沿空留巷围岩扰动影响较小，留巷顶板和帮部围岩在W2306工作面回采时变形量只增加了不到10 mm左右。

图13 复用阶段围岩位移量变化

以W2306工作面回采0，40，80 m为例，研究W2307工作面沿空留巷运输巷距离区段煤柱15 m处的情况结果如图14、图15所示。

图14 二次采动影响下垂直应力分布

图15 二次采动影响下塑性区分布

由图14、图15可知，留巷阶段内，随着W2306工作面的回采，W2307运输巷围岩应力平衡被打破，随着二次回采距离的增加，巷道左帮深部应力集中逐渐变大，巷道顶板上方及采空区顶底板围岩应力增加，尤其是巷道顶板围岩塑性区由于遭受剪切力而再次破坏，随着距离W2306采空区距离的增加而逐渐趋于稳定，接近滞后巷道围岩应力与塑性区分布特征。

二次采动影响下顶板、充填体位移分布如图16所示。由图16可知，留巷阶段内，巷道顶板垂直位移量和充填体的位移则随着回采距离的增加而逐渐增加，且距离顶板中心距离相同的位置，顶板右方比左方更大。随着充填体高度的增加，在0到1.5 m内位移则比较稳定，一旦超过1.5 m则水平位移则迅速增加。

图16 二次采动影响下顶板、充填体位移分布

3.2.4 整个周期

沿空留巷服务周期内围岩位移量分布如图17所示。根据图17可知，在整个周期内，掘进阶段位移量最为稳定，并且最小，随着W2307工作面回采，顶板下沉量明显比左帮水平位移量速率更大，变形量也更大，由于充填体强度比围岩高，且距离采空区更近，因此比左帮位移量更大，但变化趋势相似；随着W2306工作面的回采，顶板、左帮充填体位移量几乎不受影响且趋于稳定，原因则是距离W2306工作面距离较远所导致的。

图17 沿空留巷服务周期内围岩位移量分布

4 工程实测分析

4.1 留巷变形监测方案

分别对巷道、顶板以及充填体进行监测，具体方案如下：①巷道表面位移监测：在顶板中部垂直方向和两帮中部水平方向设置测点，测点可悬挂在巷道顶板或帮部锚杆上，左右帮安装∅20 mm×500 mm的螺纹钢，以螺纹钢为观测基点，进行巷道表面位移的监测；②顶板离层监测：在巷道掘进期间，每掘进30 m安装一个顶板离层检测仪，进行顶板下沉量的监测；③充填体变形监测：分别在充填体上部，中部，下部埋设钢杆，记录安装时钢杆的外露长度，根据外露长度的变化作为充填体的水平位移数值，在钢杆上安装螺母，通过绕在螺母上的测绳长度变化记录充填体的垂直位移。

4.2 实测结果及分析

在工作面推进后，各个测站内的测点随着围岩的移动也会产生相应的位移，此处选取典型数据进行分析研究，结果如图18所示。

图18 W2307工作面留巷变形监测曲线

由图18(a)(b)可知，沿空留巷围岩顶底板移进量和两帮移进量变化趋势相同，顶板移进量更大，都是60 m左右趋于稳定，几乎不再增加；充填体的水平位移在0到30 m左右位移量几乎相同，30 m到60 m差值越来越大，直到60 m后垂直位移量比水平位移量大40 mm左右，且不再增加；顶板下沉量在0到25 mm左右，在距工作面30 m后变形速率逐渐减小，趋于稳定。由图18可知，W2307运输巷支护效果良好，没有剧烈的变形与矿压显现，对于W2306工作面来说基本符合正常的通风要求。

5 结 论

1)通过建立FLAC3D数值模型，全面分析了W2307运输巷整个服务周期内，巷道及充填体的围岩应力、塑性区、位移变化情况。

2)三个阶段内，掘进阶段巷道围岩应力、位移变化最小且最为稳定；留巷阶段，由于受到W2307工作面回采的影响，巷道所受应力最大变形最大，而充填体由于强度大位移速率则最小位移量也较小；留巷复用阶段随着W2306工作面的回采，距离W2306工作面较近的巷道，围岩、充填体变形量也有明显的增加，需要做加强支护。

3)工程实测结果表明，掘进、留巷、复用三个阶段围岩变形破坏规律与模拟基本相符，复用阶段沿空留巷在经过加强支护后，没有剧烈的变形与矿压显现，对于W2306工作面来说基本符合正常的通风要求。