沿空留巷预制充填采空区数值模拟研究

李晓明

（西山煤电（集团）有限责任公司， 山西 太原 030053）

近些年来，随着工业化发展的不断加速，能源的消耗量逐年增大，我国开始绿色能源使用，如风能水能的大力开发也逐步成为我国能源消耗的目标。但由于我国的绿色能源并不能完全满足我国生产的需求，煤炭资源仍是我国目前为止最大的能源消耗。考虑到我国煤炭资源的不断开采，能源消耗过快，我国提出高产量和高品质的煤炭开采[1]。沿空留巷技术可以较好的减小巷道的掘进量，增大煤矿的出煤率。但沿空留巷采空区的上覆岩层受到工程扰动会对工作面造成较大的冲击，造成工作面开采的安全隐患[2，3]。众多学者对此类问题作出了一定的研究对沿空留巷的上覆岩层进行切顶卸压。本文通过对沿空留巷的岩层进行预制断裂角度的数值模拟研究[4]，分析了不同断裂角度下的巷道顶板和沿空留巷采空区侧的上覆岩层下沉情况，给出了比较合理的断裂角度设计值，并研究了利用沿空留巷的岩体垮落填充采空区，增加了巷道稳定性，为沿空留巷的采空区上覆软弱岩层受工程扰动造成的问题提供了一定的技术指导和理论指引。

1 沿空留巷建模过程

受到工作面煤层的开采影响，巷道的变形量增大，上覆岩层的结构发生下沉。由于沿空留巷一般位于采空区的周边，巷道的上覆岩层从下向上依次发生垮落，造成巷道的围岩周期来压。在岩层的多次垮落后，巷道的围岩受到扰动强度直线下降，造成沿空留巷的长久变形。煤层的倾角不同施行断顶填充沿空留巷会有着不同的规律。研究更高位的上覆岩层断裂规律对巷道顶板断裂充填沿空留巷的围岩变形机理有着重要的作用。

巷道的上覆岩层是由泥岩和砂质泥岩为主要成分的软弱岩层，此类岩层的强度低，岩层的承载能力较弱，受到开采工作面的工程扰动，岩体发生破碎，维护较为困难，在进行工作面推进后，较弱的岩层不会出现大面积的悬顶，发生及时垮落。本文利用离散元模拟软件3DEC 对巷道的顶板的运动作出一定的研究。根据现场的岩层特性进行二维数值模型建模，模型的长度为80 m，模型高度32.5 m，开采的厚度为2 m，煤层的平均埋深为200 m。图1 为转化的断裂岩体充填沿空留巷的开采系统示意图。

图1 开采系统巷道布置示意图

因为煤层的埋深达到了200 m，上覆岩层的平均密度为2 500 kg/m3，计算可得模型的上覆岩层的载荷为5 MPa，对模型的上边界的施加5 MPa。模型的使用摩尔-库伦准则作为模型的屈服准则，准则如下：

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；c为岩石的粘结力；α 为岩体的内摩擦角。当f＞0 时，材料的内部会发生剪切破坏现象。摩尔-库伦屈服极限准则可以较好的对岩石内部的结构破坏进行监测。对模型进行网格参数进行设置，第一层为砂质泥岩弹性模量为6.5 GPa，剪切模量8.6 GPa，抗压强度为2.1 MPa，内聚力为1.2 MPa，内摩擦角为32°。第二层为煤层，煤层的弹性模量为1.5 GPa，剪切模量2.0 GPa，抗压强度为1.2 MPa，内聚力为0.9 MPa，内摩擦角为24°，依次对模型的各层属性进行设置，设置完成的模型网格图如图2 所示。

图2 离散元模型示意图

2 模拟结果分析

对软弱顶板进行预裂，受到周期来压和上层岩体弯曲载荷作用下，软弱岩层发生垮落，随后上层岩层发生断裂。上覆岩层的垮落会对巷道造成巨大的冲击载荷，所以对顶板进行预裂。本文设定断顶线向工作面的偏转方向为正向，设定偏转角为-5°、0°、5°三种，研究不同的断顶线下的厚煤层软弱顶板的垮落机理，沿空留巷的岩层垂直方向的位移图如图3所示，其中棕色的点为块体间的滑移面。

图3 不同断裂角度下顶板垮落图

当断顶角为-5°时，随着工作面进行推进时，由于断裂线偏向巷道方向，所以上覆岩层会向着采空区发生一定的弯曲，由于顶板会对上覆岩层的软弱岩层起到一定的支撑力，软弱岩层随着工程的扰动和工作面的推进下沉量明显增大，顶板由于载荷增大使得巷道的顶板发生离层现象，且离层现象明显增大。当断顶角为0°，断裂线会切断沿空留巷和采空区顶板的联系，在采空区的上覆岩层发生垮落的过程中，巷道与采空区顶板和沿空留巷会产生的一定的摩擦力，采空区的顶板由原先的固结结构改变为了铰接，俩者间的摩擦力会对沿空留巷的采空区侧发生一定的磨损现象。当断顶角为5°时，由于采空区的顶板与沿空留巷的顶板的连接较好的发生了切断，随着工作面的推进，阻隔了沿空留巷的上覆顶板发生垮落后对巷道的围岩造成的冲击，断裂线的偏转方向朝着采空区，所以沿空留巷的垮落顶板会对巷道的采空区起到很大的支撑作用，很好的保证了巷道的稳定性，保障了工作面员工的安全。

厚煤层软弱顶板发生垮落填充沿空留巷取决于煤层的弯曲和垮落的剧烈程度，对沿空留巷的围岩变形与采空区岩层垮落进行一定的分析，通过对上覆岩层的位移的到岩层的运动和变形进行研究。图4 为煤层的顶板下沉量、巷道的顶板和采空区顶板的下沉量关系。

图4 沿空留巷周边顶板的下沉曲线

根据图4 可以看出，当断顶角为-5°时，随着工作面的推进，沿空留巷的采空区跨落后对巷道的围岩具有一定的挤压作用，当计算步数在2 500 步以下时，巷道和采空区侧的下沉量持续增大，最大的下沉量分别达到了950 mm 和1 700 mm，当计算步在2 500～4 000 的过程中，由于采空区的岩层发生垮落，载荷明显减小，下沉量明显趋于稳定，可知切顶后的采空区侧的岩层与沿空留巷的顶板间产生铰接作用。当断顶角为0°时，实体煤侧的上覆岩层的最大下沉量达到了200 mm，对比断顶角为-5°时的实体煤侧的上覆岩层的最大下沉量降低了200 mm，考虑到软弱顶板在发生垮落时与沿空留巷的顶板发生一定摩擦，巷道的顶板与采空区顶板没有形成铰接结构，发生下沉垮落。巷道和采空区侧的下沉量与断顶角为-5°的下沉量无明显的区别，最大的下沉量分别达到了850 mm 和1 700 mm。当断顶角为5°时采空区侧的顶板下沉量明显较为平稳，呈现出一次函数的趋势，采空区的顶板垮落对巷道的顶板有着明显的支护作用，巷道的顶板下沉量明显下降，最大下沉量减小到了350 mm，较断裂角-5°的下沉量900 mm和断裂角0°的850 mm 有着明显的下降，保证了巷道的正常使用。

3 结论

1）根据断顶角为-5°、0°、5°的模拟研究发现，当断顶角为5°时，沿空留巷顶板与采空区侧的顶板的连接被切断，阻隔了采空区的垮落对巷道围岩的冲击。

2）断顶角为5°时，沿空留巷的变形量明显较小，且切顶后沿空留巷的承载能力明显增强，完整性明显更好，更好地保证了沿空留巷的使用。

3）根据沿空留巷周边顶板的下沉曲线研究可以发现，随着断顶角从-5°到0°然后到5°的不断增加，巷道顶板的下沉量逐渐减少，实体煤侧的上覆岩层的下沉量也从400 mm 降低到了150 mm，沿空留巷侧的岩层垮落有效的支护了巷道顶板的稳定性。