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综采沿空留巷无煤柱开采技术研究

摘 要：沿空留巷无煤柱开采属于绿色开采技术，是目前围岩控制研究的重点和难点。本文分析了锚喷+立柱+横梁支护方式下围岩位移随岩体完整程度（龟裂系数）的变化特征，研究了工作面回采过程中围岩的变形规律。
关键词：综合开采 沿空留巷 应力 变形 龟裂系数
1 引言
目前，在沿空留巷技术方面，大量学者已经开展了大量的研究。侯朝炯等[3]认为支护强度是沿空巷道稳定性的关键因素，提出了沿空留巷的稳定性原理；缪协兴[4]基于以有限变形力学理论，分析了不同支护方式对沿空软岩巷道的影响规律；张农等[5]分析了开采区侧围岩的应力传递特征，总结了“三位一体”的无煤柱沿空留巷技术。在前人研究的基础上，本文分析了锚喷+立柱+横梁支护方式下围岩位移随围岩完整程度（龟裂系数）的变化特征，研究了工作面回采过程中围岩的变形规律。本文的研究成果可为近似地质条件的沿空留巷提出强有力的技术支撑。
2 数值计算模型的建立
2.1 工程概况
以某矿的地质条件为基础开展综采沿空留巷无煤柱技术研究，其15#煤的地层基本参数如表1所示，其中14#煤层厚度较薄且含硫量较大不适宜开采。目前主采煤层为15#煤层，15#煤共三层，总平均厚3.67m，结构复杂，自下而上有两层夹石，总平均厚度3.22m，煤质较好，节理发育。
2.2 模型基本参数
15#号煤层及顶底板岩石的物理力学性质测试结果如表2所示。分别考虑围岩强度龟裂系数q为1，0.8，0.5和0.3建立围岩体模型。模型长83.7 m，宽50 m，高为33.53 m，共有155800个三维单元，164934个结点，如图1a所示。采用锚喷+立柱+横梁的支护方式（图1b），两帮采用Ф20 mm×2.2 m锚杆支护，间距800 mm，排距850 mm，采空区一侧增加Ф150 mm立柱支护，顶部采用Ф18 mm×1.8 m锚杆+Ф17.8 mm×7.2 m锚索+横梁支护，锚杆间距和排距均为850 mm，两排锚杆间加锚索支护，间距2000 mm，排距850 mm。
数值模拟的计算流程如下：
第1步：建立考虑岩层分布、巷道与开采面间距等的数值模型；
第2步：考虑不同的龟裂系数q，然后对模型进行加压和自重应力场计算；
第3步：一次性开挖巷道，并对其顶层和两帮进行支护，然后计算至平衡；
第4步：对煤层开采工作面前方20m的巷道进行立柱和横梁预支护施工；
第5步：每次将煤层开采工作面向前方推进1m，研究工作面前方岩层的支撑应力分布以及附近巷道的顶板和帮部收敛变形情况。
3 数值计算结果分析
3.1 龟裂系数对围岩变形的影响规律
评价岩体质量的标准包括普氏系数法、岩石质量指标（RQD法）、弹性波速分类（龟裂系数法）、岩石地质学分类（RMR法）等[6]，本文选用了适用于岩体变形分析的龟裂系数法来分析岩石强度对无煤柱沿空巷道变形的影响规律，通过龟裂系数q改变模型中围岩的体积模量和剪切模量，q取值分别为1、0.8、0.5和0.3。
不同龟裂系数下，开采面前方煤体的竖直应力分布规律基本相同，即前方煤体竖直应力沿采面推进方向呈“单峰”形分布，煤体在距开采面约2.5 m处出现竖直应力最大值。
当煤层开采工作面向前推进了30 m后，图3给出了沿开采面推进方向，不同龟裂系数下巷道顶板和右帮中心岩体的变形分布曲线。
3.2 采面推进对围岩变形破坏的影响
（1）采面前方煤体的竖直应力分布
随着采面的向前推进，开采工作面前方煤体的竖直应力也虽呈“单峰”形分布，其峰值应力一般出现在工作面前方3～5 m处，但其峰值应力却变化较大，引起这种现象的原因为：开采后方顶板岩体一端“悬空”，一端固定于开采面煤体，类似于悬臂梁结构，因此工作面向前推进过程中，后方顶板岩体的悬空长度随之增大，导致开采面前方煤体峰值点应力将逐渐增大；当悬空长度达到一定程度时，开采面附近煤体将达到承载极限值，此时，前方煤体峰值应力最大；如继续推进，则悬空长度会继续增大而引起工作面附近煤体发生屈服或失穩，煤体应力得到一定释放，此时，峰值应力反而减小。因此，随着开采工作面的向前推进，工作面前方煤体的峰值应力将呈先增大又减小的变化规律。
（2）巷道顶板岩体的变形分布
开采工作面不同推进长度时巷道顶板岩体的沉降曲线如图5所示。
随着采面推进距离的增大，采面前方巷道顶板岩体变形变化不大，但后方顶板岩体变形则逐渐增大；当采面推进距离小于24 m时，采面后方巷道顶板岩体变形增长速率相对减小，但当采面推进距离大于24 m时，采面后方巷道顶板岩体变形增长速率开始急剧增长，说明此时采面后方顶板岩体悬空长度达到极限，出现周期来压，顶板发生垮落。
4 结论
本文分析了工作面回采过程中沿空巷道围岩的应力和位移特征，研究了围岩应力和位移随岩石完整程度的变化规律，主要结论如下：
（1）沿空巷道围岩的应力特征与龟裂系数无关；而围岩变形量随龟裂系数的减小而增大，与龟裂系数q=1.0相比，q分别为0.8、0.5和0.3时顶部岩体最大变形分别增大了约60%、200%和500%。
（2）不同工作面推进距离的条件下，围岩的竖直应力随距工作面距离呈现出了“单峰”形分布，其峰值应力先增大后减小，在24 m处达到最大值。
（3）巷道大变形主要出现在工作面后方，且当采面推进距离大于24 m时，采面后方巷道顶板岩体变形增长速率急剧增长。
参考文献：
[1] 钱鸣高， 许家林， 王家臣. 再论煤炭的科学开采[J]. 煤炭学报， 2018（1）.
[2] 蔚保宁. 浅埋煤层综采面切顶卸压无煤柱开采技术研究[J]. 内蒙古煤炭经济， 2016（17）：93-95.
[3] 黄志丹. 沿空留巷技术在综采工作面条件下的应用技术研究[J]. 科研， 2016（12）：00001-00001.

-全文完-