近距離煤層沿空留巷數(shù)值模擬研究

邵國良

（山西壽陽段王集團友眾煤業(yè)有限公司，山西晉中045400）

近距離煤層沿空留巷數(shù)值模擬研究

邵國良

（山西壽陽段王集團友眾煤業(yè)有限公司，山西晉中045400）

沿空留巷會受到掘進、回采和復用期間多次采動的影響，而保持其圍巖穩(wěn)定是留巷技術能否實現(xiàn)的基礎和前提。采用UDEC數(shù)值模擬軟件，針對友眾煤礦3號煤層地質(zhì)條件建立了模型，對巷道掘進、留巷期間的巷道表面收斂和圍巖彈塑性區(qū)進行對比分析。結(jié)果表明，掘進期間的巷道支護形式難以承受留巷強動壓的影響，因此，必須加固采前頂板，增大幫部錨固區(qū)，實行采前加固和采后治理的分階段留巷方式。

近距離煤層；沿空留巷；UDEC；巷道圍巖

沿空留巷不僅可以減少區(qū)段煤柱損失，還可以大量減少平巷掘進工程量，是緩解同一采區(qū)集中生產(chǎn)接替緊張局面的有效途徑之一。對于近距離采空區(qū)下煤層的開采，采取無充填墻體沿空留巷技術可以取得良好的效果。本文以友眾煤礦30102運輸順槽沿空留巷為工程背景，通過UDEC數(shù)值模擬，分析巷道掘進和留巷復用期間巷道支護方案的控制效果，從而指導留巷過程中圍巖控制方案的設計。

1 工程地質(zhì)條件

友眾礦3號煤層位于山西組中部，煤厚1.20～2.65 m，平均厚度為2.05 m，煤層一般含1層夾矸，局部含2層夾矸，夾矸厚0.13～0.45 m。頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，節(jié)理發(fā)育，易冒頂，較難管理。底板砂質(zhì)泥巖、泥巖。泥巖頂板和底板的抗壓強度分別為265～896 kg/cm2和630～731 kg/cm2。

2 模型建立

本文采用UDEC軟件對巷道掘進和留巷過程進行數(shù)值模擬研究。針對友眾礦30104工作面具體的工程地質(zhì)條件，假設圍巖各項同性，建立相應的模型。

模型的尺寸長×寬＝355 m×100 m，巷道尺寸根據(jù)實際情況設置為寬×高＝4.2 m×2.6 m，位置為X∈（115.8，120），Y∈（39.51，42.11）。模型所采用的煤巖力學參數(shù)見表1.

巷道開挖后采用錨梁網(wǎng)的支護形式，支護參數(shù)為：頂板布置6根2.2 m長的錨桿，直徑為20 mm，布置3根直徑為15.24 mm的錨索；回采側(cè)幫部布置4根1.6 m長的錨桿，直徑為16 mm；非回采側(cè)幫部布置4根1.8 m長的錨桿，直徑為18 mm。巷道及支護模型如圖1所示。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 巷道表面收斂對比

巷道掘進及留巷重復采動階段的圍巖位移情況如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，在掘進期間，巷道圍巖位移以1 m范圍為主，說明實施的巷道支護方案能夠有效改善圍巖應力，巷道淺部圍巖的變形得到優(yōu)先控制。巷道掘出后，圍巖的最終變形量比較小，頂?shù)装逡平繛?16 m，其中，頂板下沉量比較大，下沉量為88 mm；巷道兩幫移近量比較小，僅為31 mm，兩幫變形基本一致。由圖2（b）可知，受留巷動壓的影響和相鄰2103工作面重復采動的影響，圍巖位移深度達到10 m，巷道表面位移嚴重，支護結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。頂板最大下沉量達到920 mm，淺部離層嚴重，因底板比較硬，底鼓量比較小，最大不到90 mm，實體幫煤體產(chǎn)生應力集中，移近量達到320 mm，巷道斷面僅為掘進期間斷面大小的1/2，巷道原支護形式無法保證巷道在強動壓作用下的穩(wěn)定性。因此，在動壓影響前，必須采用行之有效的方案加固巷道，才能確保巷道的使用安全。

圖2 圍巖位移場分布圖

3.2 彈塑性區(qū)對比

巷道開挖的卸荷作用對應力場有巨大擾動，會使得應力重新分布，導致巷道周邊徑向應力增大而切向應力減小，造成拉剪破壞，隨著應力的轉(zhuǎn)移，逐步形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應力區(qū)。在塑性區(qū)內(nèi)，圍巖會因大變形而發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，圍巖的力學性能也會隨著巷道變形而出現(xiàn)劣化。頂板在錨桿索的支護作用下，塑性區(qū)很小，底板由于沒有采取支護措施，塑性區(qū)范圍將近1 m?；夭蓚?cè)與非回采幫部塑性區(qū)范圍主要集中在上部煤體處，最大范圍未超過1 m，如圖3（a）所示。由圖3（b）和圖3（c）可知，2103工作面回采后，底板塑性區(qū)及其損傷范圍在3.53 m之內(nèi)，底板破壞嚴重。3101回采后，直接頂切頂及時，采空區(qū)冒落嚴實，由于采空側(cè)無充填墻體，非回采側(cè)實體煤壓酥，塑性區(qū)范圍明顯增大，向深部延伸，達到8 m以上。圍巖達到新的平衡以后，幫部中上部圍巖深部3 m范圍之內(nèi)已全部壓塑破壞，掘巷期間的支護的幫部錨桿基本失效。此外，由于30104工作面于2103采空區(qū)下回采，留巷頂板受此次采動與2103回采疊加的影響，相較于巷道掘進期間，頂板塑性區(qū)范圍明顯擴大，向深部延伸3 m以上。

圖3 巷道圍巖彈塑性區(qū)分布圖

4 小結(jié)

30102運輸順槽巷道開挖后，巷道圍巖變形量比較小，掘進期間支護形式已基本限制了淺部圍巖的松動變形和剪脹變形。但是，對比巷道彈塑性區(qū)發(fā)現(xiàn)，此時，兩幫塑性區(qū)范圍比較大，究其原因，是兩幫掘進期間，錨桿設計預緊力矩80 N·m過低，錨桿預緊力值比較低，主動支護效果已被降至最低。新掘巷道支護應采取一次支護最大化的原則。30104工作面回采后，底板損傷深度約2.04 m。30104工作面回采后，由于采空側(cè)無充填墻體，非回采側(cè)實體煤產(chǎn)生應力集中，煤體壓酥，圍巖達到新的平衡以后，幫部中上部圍巖深部3 m范圍之內(nèi)已全部被壓酥，遭到破壞，頂板劇烈下沉，最大值達到920 mm，淺部離層破壞嚴重，掘巷期間支護的幫部錨桿基本失效。掘進期間的巷道支護形式已難以承受留巷強動壓的影響，所以，必須加固采前頂板，增大幫部錨固區(qū)，實行采前加固和采后治理分階段的留巷方式。

［1］楊百順，謝洪.綜采沿空留巷充填墻體合理寬度的數(shù)值模擬研究［J］.煤炭工程，2011（4）：72-75.

［2］張煒，張東升，陳建本，等.極近距離煤層回采巷道合理位置確定［J］.中國礦業(yè)大學學報，2012，41（2）：182-188.

［3］張友誼.平煤二礦沿空留巷綜合控制技術研究［J］.煤炭工程，2012（6）：46-48.

［4］劉洪林.沿空留巷圍巖穩(wěn)定機理及控制技術研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2011.

〔編輯：白潔〕

TD353

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.038

2095－6835（2017）18－0038－03

邵國良（1967—），男，山東海陽人，工程師，2009年畢業(yè)于山東科技大學，主要從事煤礦生產(chǎn)及技術管理方面的工作，先后擔任山西壽陽段王集團友眾煤業(yè)總工程師、生產(chǎn)礦長。