综放沿空留巷围岩稳定性影响分析

岩石力学与工程学报 23(18)：3059～3065

2004年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，2004

2003年6月18日收到初稿，2003年8月15日收到修改稿。

* 国家自然科学基金(59734090)重点项目和国家技术创新项目资助课题。

作者 谢文兵 简介：男，38岁，博士，毕业于中国矿业大学测物系工程测量专业，现任副教授，主要从事巷道围岩控制、三下采煤、数值模拟方面的研究工作。E-mail ：wenbxie@sohu.com 。

综放沿空留巷围岩稳定性影响分析

*

谢文兵

(中国矿业大学能源学院 徐州 221008)

摘要 在工程实践基础上，采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC 建立相应的数值分析模型，详细分析了综放沿空留巷围岩移动规律，系统分析了老顶断裂位置、端头不放顶煤长度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度对综放沿空留巷围岩稳定性影响规律，得出了许多有益的结论。研究结果表明，在保证顶煤及顶板稳定前提下，合理利用围岩移动规律，确定合理充填方式和充填体强度，既能保证充填体稳定，又能达到很好的留巷效果。

关键词 采矿工程，综采放顶煤，沿空留巷，充填体，影响规律

分类号 TD 32 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)18-3059-07

INFLUENCE FACTORS ON STABILITY OF SURROUNDING ROCKS OF GOB-SIDE ENTRY RETAINING IN TOP-COAL CA VING MINING FACE

Xie Wenbing

(China University of Mining and Technology ， Xuzhou 221008 China )

Abstract Based on engineering practice ，corresponding numerical models are set up by numerical analysis software UDEC for analyzing the rupture and collapse of rock strata. The displacement regularity of surrounding rocks of gob-side entry retaining in fully-mechanized top-coal caving mining face is analyzed in detail. The influences of the location of main roof rupture ，length of uncaved top-coal at the end of working face ，original road support ，width of filling belt ，filling way and strength of filling belt on the stability of surrounding rocks of gob-side entry retaining in fully-mechanized top-coal caving mining face are systematically analyzed. The results show that in prerequisite for the stability of roof and top coal ，the displacement regularity of surrounding rocks should be rationally used to determine the reasonable filling pattern and filling strength ，so that the filling stability can be guaranteed and a good result of retaining roadway can be also obtained.

Key words mining engineering ，fully-mechanized top-coal caving mining ，gob-side entry retained ，filling belt ，effect regularity

1 引 言

综合机械化放顶煤开采是中国煤矿实现高产高效的一项先进生产技术，其中有关的岩石力学问题已引起许多学者的关注[1

～13]

。综放沿空留巷技术是采用Y 形通风方式来解决综放高产高效工作面瓦斯积聚与超限的关键技术，它可以实现往复式开采，消除孤岛工作面。目前在大量工程实践基础上，有些专家学者研究了综放沿空留巷的矿压显现规 律[1～

6]，分析了沿空留巷的主要参数及其适应性[9

，10]

，

并根据试验室试验结果分析了综放沿空留巷老顶两

种破断方式及其对围岩变形的影响[12，13]。这些研究成果对于合理使用综放沿空留巷技术具有一定的指导意义。

开采影响的围岩，包括后期为了留巷所设的充填体是一个相互作用的整体。这些围岩体受到开采影响后相互作用，引起围岩体整体变形，并在这一过程中老顶、直接顶、顶煤、充填体和底板形成具有自稳能力的承载结构。影响这一结构稳定的因素很多，如老顶断裂位置、端头不放顶煤长度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度等。研究这些因素的影响规律以及留巷变形特征，对于合理有效地使用沿空留巷技术十分重要。

2 分析模型

潞安矿务局常村煤矿2001年进行了综放沿空留巷的工业性试验研究，试验达到了预期效果。潞安矿务局常村煤矿S2-6综放工作面主采3#煤层，埋藏深度为330 m；煤层厚度为6.07 m；割煤高度为3.0 m；直接顶为砂岩，厚度为3.0 m；老顶为中细砂岩，厚度为6.0 m；直接底为细砂岩，厚度5.0 m；工作面长度为220 m；端头不放顶煤段长度d1为8.0 m；充填体宽度d2为2.5 m。留巷宽4.0 m，巷高3.0 m。巷道原采用12#矿工钢支护，后采用锚梁网索加固。工作面超前20 m，采用单体液压支柱(3.5 m)和木板架设一梁二柱抬棚加强支护。

根据潞安矿务局常村煤矿S2-6综放沿空留巷的现场试验条件，采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC[14，15]建立相应的数值分析模型，见图1。

围岩物理力学性质按常村矿S2-6工作面实际岩体力学特性确定，见表1。节理特性考虑采动影响，采用屈服弱化模型。模型边界按岩层走向移动角、走向充分采动角和连续弯曲带高度来确定[16，17]。已有研究结果表明，S2-6综放工作面老顶块体长度为20 m[13，18]。

模型重点考虑了老顶断裂位置l1、端头不放顶煤长度d1、充填体宽度d2、原有巷道支护技术S i、充填方式和充填体强度F i等因素对综放沿空留巷围岩稳定性影响。模型中各影响因素的具体情况见表2。为了便于分析，模型在顶煤下边界设置了a-a 剖面线，见图1。

图1 分析模型

Fig.1 Analysis model

表1 围岩力学性质

Table 1 Surrounding rock property

岩性

体积模量

/MPa

剪切模量

/MPa

粘聚力

/MPa

内摩擦角

/(°)

重度

/kN·m－3

煤 1

300

900 0.50 28 16 中砂岩 5 300 3 200 1.56 36 26

黑泥岩 2 300 1 200 1.00 30 24

中细砂岩 1 060 6 400 2.00 40 26

表2 各影响因素指标

Table 2 Index of each influence factor

影响因素

类型

老顶断裂位置l1端头不放顶煤长度

d1/m

原有巷道支护技术S i

充填体宽度

d2/m

充填方式及充填体强度

类型1 充填体外侧断裂，距煤壁10 m0S1：12#工字钢棚支护 2.0F1：充填空间100％充填，充填体单轴抗压强度6 MPa[19，20]。

类型2充填体上方断裂，距煤壁5 m4S2：锚梁网支护 2.5F2：充填空间100％充填，充填体单轴抗压强度6 MPa，充填体下方浮煤厚0.2 m。

类型3煤壁上方断裂，距煤壁0 m8S3：锚梁网索支护 3.0F3：充填体承载前，顶煤随老顶回转下沉0.2 m，充填体单轴抗压强度4 MPa，浮煤厚0.2 m。

类型4伸入煤壁5 m，距煤壁－5 m12 3.5F4：充填体承载前，顶煤随老顶回转下沉0.2 m，充填体单轴抗压强度6 MPa，浮煤厚0.2 m。

第23卷第18期谢文兵. 综放沿空留巷围岩稳定性影响分析• 3061 •

3 综放沿空留巷围岩应力演化及特点

煤层开采引起采空区周围岩层应力重新分布，其数值分析过程的时步虽不能与实际开采影响的时间过程相对应，但数值分析中不同时步的应力-位移结果反映了实际开采过程中应力-位移的演化过程。随着煤层开采，沿工作面方向老顶产生周期性断裂。沿空留巷主要受老顶岩层短边断裂的影响，在短边断裂前，长边已经形成了简支梁结构[9]，由此可见对综放沿空留巷有较大影响的老顶结构为悬臂砌体梁结构。图2(a)显示了综放沿空留巷围岩应力演化及特点，图中应力是剖面线a-a上的垂直应力。

围岩应力演化结果表明，充填体上方围岩应力具有以下特点：

(1) 工作面开采后，由于充填体滞后工作面形成，不能立即承载，靠采空区一侧顶板的垂直应力很小，待顶板及顶煤弯曲回转后，充填体逐步承载，此时，应力峰值在充填体外侧并逐渐扩展到整个充填体。

(2) 充填体上方围岩应力达到最大值时，应力呈近似对称分布。此时，充填体所承受的应力要大于充填体的强度，引起充填体变形。

(3) 随着老顶进一步回转触矸形成悬臂梁结构，以及充填体的变形适应老顶回转，充填体上应力降低到其强度以下，此时，应力峰值位于充填体内侧。

受工作面开采影响后，实体煤侧应力演化具有以下特点：

(1) 随着开采影响加大，实体煤上应力逐渐增大，应力分布受老顶岩层移动影响比充填体早，而且影响大。

(2) 受老顶岩层断裂的影响，在老顶断裂位置靠近采空区和实体煤深部形成2个应力峰值。靠近实体煤深部的应力峰值逐渐增大，并有向深部移动的趋势，靠近采空区侧的应力峰值先逐渐增大，后减小。在老顶断裂位置附近应力较小。

4 综放沿空留巷围岩位移过程及特点

与围岩应力演化过程相对应，在应力演化的不同过程，围岩产生了相应的位移，见图2(b)。

围岩位移具有以下特点：

(1) 受开采引起的集中应力作用，实体煤上产生了60 mm左右的整体下沉。

(2) 沿空留巷围岩位移不同于普通巷道的围岩位移，它的围岩位移明显受制于老顶岩层的回转运动，是老顶回转运动与围岩变形的综合反映。留巷顶板围岩位移u为

2

1

u

u

u

u+

+

=(1)

(a) 垂直应力演化图(b) 垂直位移发展过程图

图2 a-a剖面上应力和位移演化图

Fig.2 Evolution of stress and displacement on profile a-a

• 3062 • 岩石力学与工程学报 2004年

式中：0u 为煤壁附近实体煤的整体下沉量(mm)，1u 为老顶回转引起的下沉量(mm)，2u 为巷道围岩碎胀产生的变形量(mm)。

若将老顶回转引起的下沉量剔除，则留巷顶板下沉分布形态与一般采动影响巷道顶板下沉分布形态一致。

充填体承载前，顶煤及顶板主要产生随老顶的回转运动，并在围岩形成自稳承载结构前一直受这种运动的影响，导致沿空留巷和充填体采空区侧的顶板下沉量都相应大于实体煤侧的顶板下沉量。

充填体承载后，在老顶、直接顶、顶煤、充填体、底板的相互作用下，老顶回转触矸形成具有自稳能力的承载结构，之后充填体上方顶煤的回转变形增加很小。

5 老顶断裂位置的影响分析

试验室试验结果表明，综放沿空留巷老顶存在两种破断位置[13]：一种位于充填体外侧；另一种伸入煤壁。这两种断裂位置的综放沿空留巷效果差别很大。为了分析老顶断裂位置对综放沿空留巷围岩的稳定性影响，模型中考虑了A ，B ，C ，D 这4种情况，见图3(a)。老顶破断位置的不同，将会给留巷围岩稳定性产生什么样的影响呢？图3(a)是4种老顶破断位置在a -a 剖面线上的垂直位移结果。位移结果表明，老顶断裂位置不同，留巷上方顶煤回转下沉量差别较大。=1l 10 m 时，即老顶在充填体

外侧断裂时，在沿空留巷和充填体上方，老顶呈悬臂梁结构，由于此时悬臂较长，在老顶弯曲下沉作用下，引起煤壁附近的压缩变形增大，但充填体压缩变形较小。=1l 5 m 时，

即老顶在充填体上方断裂时，与=1l 10 m 时相比，煤壁附近的压缩变形明显减小，充填体压缩变形最小。=1l 0 m 时，即老顶在煤壁上方断裂时，煤壁附近压缩变形最小，但受老顶回转下沉影响，充填体压缩变形较大。=1l －5 m 时，即老顶断裂位置伸入煤壁5 m 时，受老顶断裂回转下沉影响，煤壁和充填体的压缩变形都较大。

工程实践表明，由于充填体强度不可能很高，很难在充填体外侧切断老顶。前面应力演化结果表明，开采对老顶岩层的影响比充填体早，而且大得多。放沿空留巷时，在保证顶煤及顶板稳定前提下，合理利用围岩移动规律，合理设计充填方式和充填体强度，这既能保证充填体稳定，又能达到很好的留巷效果，图3(b)是=1l －5 m 时综放沿空留巷围岩状况。

6 端头不放顶煤长度分析

根据综放沿空留巷围岩移动规律，为了有利于老顶回转时尽快触矸形成具有自稳能力的承载结构，需要在充填体外侧留设一定长度的顶煤不放。图4是端头为4种不放顶煤长度时，剖面线a-a 上的垂直位移结果。

围岩位移结果表明，当充填体外侧不留顶煤时，

(a)

a -a 剖面上垂直位移 图3 老顶断裂位置影响分析

Fig.3 Influence analysis of rupture location for main roof