昆明煤炭设计研究院 云南昆明 650011
摘要：沿空留巷技术是煤矿开采及回采巷道支护技术的一项重大改革，对提高煤炭资源回收率!降低巷道掘进率，缓减采掘紧张关系和实现矿井集约化生产有显著效果，论文以某煤矿沿空留巷为研究对象，采用数值模拟软件FLAC,研究在两次采动影响下，巷道围岩的应力及变形规律，模拟结果表明，在两次采动影响下，由于巷内支护与巷旁支护联合作用，沿空巷道依然具有足够的断面和稳定性。论文具有较好的现场实用价值。
关健词：沿空留巷、围岩控制、数值模拟、巷旁充填
煤炭是我国的主体能源，约占我国能源的70%，煤炭工业是我国重要的基础产业[1]，近年来，随着我国经济的飞速发展，对能源的需求不断增加，同时，由于开采力度的增加，我国大部分地区浅层煤炭资源已接近枯竭，矿井开采的深度不断增加，目前我国的大部分矿井的主采煤层都在500m以下，因此，合理高效的开采煤炭资源成为当今煤炭资源国家面临的重要问题
沿空留巷技术作为一种无煤柱开采技术，近年来得到了迅速的发展[2-3]，沿空留巷是将已采工作面后方的运输机巷或风巷用一定方法沿采空区保留下来，作为下一工作面顺槽的无煤柱护巷方式，可有效的避免煤炭资源的浪费，不仅合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、提高煤炭回收率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进量、降低开掘率、改善巷道维护、缓解采掘接替矛盾，其技术优势和经济效益显著[4-8]。因此，凡是有条件的矿井应将沿空留巷作为首选护巷方案，并形成适合其矿井特点的成熟技术，充分发挥沿空留巷的技术经济优势和潜能。
1 现场采矿地质条件
该煤矿工作面位于位于+590m水平南四采区，介于4～5号勘探线之间。上部为已采的2441工作面；北部为已采的2444工作面。下部、南部均为未采区域。工作面对应地表七星洞，桃垭一带山地，地面标高+1032～+1107m，工作面标高+674m～+725m。该面煤层赋存基本稳定，倾角在18～20°之间，平均19°,煤层厚度在0.6～1.2m之间，平均厚1.0m,工作面平均倾斜长154m（详见2443工作面布置图）。K4煤层是矿井保护层开采，具有煤与瓦斯突出危险性。煤尘爆炸指数为17～27%，煤尘具有爆炸危险性。
伪顶：暗黑色炭质页岩，厚0.1～0.2m，实属硬炭，与煤同采。
直接顶：黑灰色泥岩，厚0.33～1.78m，含黄铁矿细晶及结核裂隙发育，较破碎，而陷落，属一级顶板。
老顶：深灰色含白云质、层状燧石灰岩（P2L2大铁板岩）。厚15～30m，坚硬稳定，缓慢下沉，属Ⅳ级顶板。
直接底：浅灰色泥岩,厚0.8～1.2m，含植物化石受压或遇水而膨胀。常产生底鼓现象。
老底:深灰色细砂岩,厚1.0～3.0m，岩性变化较大，不稳定，常变相为砂页岩或砂质岩互层。
2 模型的建立及计算参数
2.1 模型的建立
一般情况下，巷道支护方面的问题，可简化为平面应变问题(ετ=0)。为了详细分析沿空留巷巷旁支护对巷道围岩稳定性的影响规律，针对工作面的地质开采条件，将围岩视为分层各向同性弹性介质，建立相应的数值力学分析模型，如图1所示。计算模型尺寸为长×宽=200m×120m，巷道宽3m，巷高长边2.5m，短边1.5m。
为了研究沿空留巷在采动影响下的围岩稳定性，分析留巷围岩结构特点，建立了沿空留巷的力学分析模型，该模型左右两边与底边均为法向约束，在模型顶端布置法向的均布载荷作用来模拟上覆岩层。
（2）模型边界条件
模拟计算模型边界条件如下：
位移边界条件：模型的左右及下部边界为位移边界，左右边界限制x方向的位移；下部边界限制y方向的位移。
2.2 物理力学参数
莫尔-库仑屈服准则所揭示的岩石力学特性己被众多的岩石力学试验所证实，由于其参数较少且较容易获得，在工程中得到了广泛的应用。本次数值模拟选取莫尔一库仑塑性模型。
模型中将巷道围岩视为服从莫尔库仑准则，围岩物理力学性质参照试验开采区域实际岩体力学特性和岩体力学参数确定，见表1，并考虑了煤层、直接顶、直接底的应变软化特性。
3.2 结果分析
（1）巷道在开挖初期即煤层回采以前，在地应力的作用下巷道围岩发生变形，此时顶底板及两帮的变形都比较小。
（2）由沿空留巷位移分布图，可以得知在工作面采后，巷内顶底板及两帮位移都有较大增加。
（3）通过对顶板位移曲线进行分析，可以看出巷道开挖后未经采动时，巷道顶部方向位移值最大值为-4.1mm，经过采动后顶部位移最大值为-133mm。此时顶板位移最大值发生在巷道上部边缘靠近充填体的一侧。
（4）通过对底板的位移曲线的分析，可以看到巷道在开挖后，底板最大垂直变形量为11mm，其分布为两边低中间高，待煤层回采完毕后，底板的垂直方向位移发生较大变化，最大位移为-19mm，此时最大垂直位移发生在底板靠近下帮的一侧，由于采动的影响，底板的垂直方向位移不仅数值上变化较大，方向也产生了变化，由巷道开挖初期的底板向上鼓起变为采动后底板产生了向下的位移。
根据底板的位移变化曲线，用垂直位移的最大值减去巷道底角的位移，得到底板的鼓起量，在巷道开挖后，底板的鼓起量为1.2mm，工作面回采后，鼓起量发生的较大的变化，为7mm。
（5）在工作面回采后，沿空留巷的围岩产生了较大范围的剪切破坏，充填体本身也发生较为强烈的拉伸破坏，充填体靠近巷道的一边最大水平位移为为-110mm，最大水平位移发生在充填体的中部。
（6）综上分析，沿空留巷的顶板主要呈剪切破坏状态，巷道实体煤帮、顶板及底板均产生较大的变形，顶底板的最大收敛值达0.12m，但由于巷内支护与巷旁支护联合作用，沿空巷道依然具有足够的断面。
3 结论
论文通过FLAC 2d有限差分软件，对某煤矿沿空留巷进行了模拟计算，得到了围岩及巷旁充填体在二次采动影响条件下的应力及变形规律，结果表明，在煤层回采过程中，巷道及巷旁充填体发生了较大的变形，但是沿空巷道依然具有足够的断面，此外，巷旁充填体尽管产生了一定范围的剪切破坏和拉伸破坏，但破坏区域没有贯通，其整体完整性保持较好，说明巷旁充填体在采动应力的影响下，其自身的稳定性可以满足生产的要求。
参考文献
[1] 费旭敏，我国沿空留巷支护技术现状及存在的问题探讨[J].中国科技信息，2008，(7)：48—51.
[2] 李晋平，综放沿空留巷技术及其在潞安矿区的应用[D].煤炭科学研究总院，2005.
[3] 唐建新，邓月华，涂兴东等，锚网索联合支护沿空留巷顶板离层分析[J].煤炭学报，2010，35(11)：1827—1831.
[4]Whittaker.B.N，Woodron.G.G.M etc，Design Loads for Gateside pack and Support System[J].TheMining Engineer，Feb，1997.
[5] Deng Yue-hua,Tang Jian-xin,Zhu Xiang-ke, et al. Analysis of and application in controlling surrounding rock of support reinforced roadway in gob-side entry with fully mechanized mining[J], Press in Mining Science and Technology,2010.839-845.
[6] 鲁印英，沿空留巷巷旁充填体与顶板岩层的相互作用[J].煤炭技术，2008，27(4)：57—59.
[7]杨万斌，蔡美峰，董传彤. 锚索支护沿空留巷技术研究[J].煤炭科学技术，2006，34(9)：65—67.
[8]谭树家. 浅析沿空留巷支护效果[J].煤矿天地，2007，(18)：478.
论文作者:王鹏,刘鳗萱
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/18
标签：巷道论文; 位移论文; 工作面论文; 围岩论文; 底板论文; 顶板论文; 煤层论文; 《基层建设》2017年第13期论文;