巷内预充填无煤柱开采围岩应力分布及变形破坏特征

巷内预充填无煤柱开采围岩应力分布及变形破坏特征
许宏伟;吴锐;王晖;罗利霞;刘国平
【摘要】巷内预充填无煤柱掘巷技术可有效解决留窄煤柱沿空掘巷存在煤炭资源浪费的问题,阐述了该无煤柱开采方法的原理,采用数值模拟综合分析了巷内预充填无煤柱掘巷“二次掘采”过程中围岩的应力分布及变形破坏特征,总结了充填体在“二次掘采”过程中的作用机理.结果表明:在“二次掘采”过程中充填体受力状态较复杂,且始终处于高应力状态;本工作面回采阶段应力峰值向实体煤侧转移;沿空巷道顶板在靠近充填体上部的顶煤发生压剪破坏切落下沉,巷道浅部的顶板发生拉伸破坏,同时顶板层间发生剪切错动离层,实体煤帮在高应力作用下发生压剪破坏.【期刊名称】《煤矿安全》
【年(卷),期】2018(049)007
【总页数】4页(P216-219)
【关键词】无煤柱掘巷;巷内预充填;应力分布;变形特征;二次掘采
【作者】许宏伟;吴锐;王晖;罗利霞;刘国平
【作者单位】江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州341000;江西理工大学资源与环境工程学院,江西赣州341000;核工业赣州工程勘察院,江西赣州341000;江西理工大学继续教育学院,江西赣州341000;兴国县安全生产监察大队,江西赣州342400
【正文语种】中文
【中图分类】TD322
目前，无煤柱开采主要通过沿空留巷和沿空掘巷的方式实现[1]。

沿空留巷是将上
区段工作面开采的运输平巷保留并采取相应的支护手段作为下区段工作面开采的回风平巷[2]。

沿空留巷巷道位于采空区边缘且受到2次采动的影响，巷道维护难度大，因此相关学者[3－4]研究分析了沿空留巷围岩的活动规律，并提出了相应的控制技术。

沿空掘巷则在靠近采空区的边缘位置重新掘进1条巷道作为本区段工作面开采的
回风平巷[5]，巷道仅受到一次回采扰动，相较沿空留巷而言护巷难度和成本有所
降低。

王猛等[6]研究发现沿空掘巷回采期间关键块主要为转动失稳，控制关键块
的转动失稳是维护巷道稳定的关键；李学华等[7]分析了6个典型的煤矿并采用FLAC数值模拟得到了窄煤柱变形破坏的影响因素及特征，提出了各因素下确保窄煤柱稳定的控制技术；许兴亮等[8]研究了窄煤柱中性面区域并采用高强度锚杆对
窄煤柱的稳定性进行控制。

然而留窄煤柱的沿空掘巷方式仍然存在煤炭资源浪费等问题，难以实现真正意义的无煤柱开采。

为此相关学者研究了综放巷内预充填无煤柱掘巷技术[9-10]，通过在巷道内预先构筑充填体将原有的窄煤柱置换出来，在减少资源损失的同时可以实现真正意义上的无煤柱开采。

研究分析了巷内预充填无煤柱掘巷“二次掘采”过程中围岩的应力分布特征，以及沿空巷道的顶板、实体煤帮、充填体帮的变形破坏特征，并阐述了充填体在“二次掘采”过程中的作用机理。

1 巷内预充填无煤柱掘巷技术
1.1 巷内预充填无煤柱掘巷技术原理
巷内预充填无煤柱掘巷技术示意图如图1，在布置上区段工作面运输平巷时，预先留出充填体墙的宽度采用大断面掘巷如图1（a），并靠着本区段工作面的巷帮煤
壁构筑与采高一致的充填体墙如图1（b）；上区段工作面回采后，直接顶垮落并
充填采空区，基本顶破断如图1（c）；回采结束后，当上覆岩层运动基本结束转
为静态受力平衡时，沿充填体掘进本区段工作面回风平巷如图1（d）。

图1 巷内预充填无煤柱掘巷技术示意图
1.2 上覆岩层的移动规律
随着回采工作面的不断推进，顶板周期来压采空区上方的直接顶不断垮落，基本顶断裂形成铰接结构（图2），并沿着工作面的走向形成“砌体梁”结构[11]，岩块B为弧形三角块。

上覆岩层与巷道“围岩-支护”承载共同体构成了围岩“大、小
结构”模型[12]，岩块A、B、C为沿充填体掘巷的“大结构”，巷道“围岩-支护”承载共同体为“小结构”。

充填体墙及本区段掘巷位置恰好位于岩块B的下方。

因此弧形三角块的稳定性及其移动规律都将影响充填体和沿空巷道的应力分布及变形特征。

图2 巷内预充填基本顶弧形三角块结构
2 “二次掘采”过程中围岩应力分布特征
2.1 上区段工作面回采阶段
“二次掘采”过程中围岩应力分布特征如图3。

通过数值模拟分析发现[10]，上区段工作面回采后围岩应力重新分布，如曲线1，受到上区段工作面采空区侧支承压力影响，充填体上方部分顶煤、直接顶和充填体侧的实体煤将进入塑性状态，由于充填体的强度和刚度较大作用于充填体上的支承压力难以转移，并在充填体处产生应力集中，应力峰值为37.7 MPa，应力集中系数为3.35；同时，在充填体侧的实体煤中迅速降低，随后升高。

因为充填体侧的实体煤承受不住在应力集中下的高应力，由弹性向塑性状态转变，在实体煤边缘部位发生塑性破坏承载能力下降，从而应力值降低，向里实体煤继续保持弹性状态承载能力上升，应力值升高，随着向实体煤深部移动应力值逐渐降低直至与原岩应力一致。

图3 “二次掘采”过程中围岩应力分布特征
2.2 本区段工作面掘巷阶段
由于上区段回采扰动引起的上覆岩层运动基本结束，已由活动状态转为静态受力平衡状态，且掘巷位置距离基本顶相对较远，因此掘巷过程仅对围岩“大、小结构”中“小结构”有较大影响。

同时，掘巷过程也是卸压的过程，积聚在实体煤和直接顶中变形能得到释放，进而引起围岩应力再次重新分布。

如图3曲线2，此时出现2个应力峰值，与掘巷前相比充填体上部的应力值有所降低，由37.7 MPa减少至30.4 MPa，应力集中系数为2.7，其原因是掘巷后，应力向实体煤侧移动；而实
体煤侧应力值有所增加，距离巷道实体煤帮5 m处的应力值由掘巷前的22.2 MPa增加至25.5 MPa，随着远离巷道应力值逐渐降低。

2.3 本区段工作面回采阶段
与掘巷时导致围岩应力重新分布的原因不同，本区段工作面回采是引起“大结构”受力状态的改变，在回采扰动下“大结构”的稳定性遭到破坏，巷道围岩应力的进一步重新分布，且应力集中程度远大于掘巷阶段。

如图3曲线3，充填体上方的应力虽增加但不明显，由30.4 MPa增至38.8 MPa；而距离巷道实体煤帮5 m处应力峰值由25.5 MPa增加至56.2 MPa，其原因是受到本区段工作面超前支承压力和上区段工作面侧向支承压力的叠加的影响，应力峰值由充填体向实体煤帮转移，叠加后的应力集中系数达到5左右。

3 沿空巷道围岩变形破坏特征
3.1 顶板变形破坏特征
掘巷前受到上区段工作面回采的扰动，弧形三角块回转、下沉，充填体、实体煤和直接顶受到上区段采空区侧较高的支承压力，实体煤和直接顶因受到挤压产生较大变形，同时实体煤和基本顶在挤压过程中积聚了一定的变形能。

本区段工作面掘巷阶段，掘巷过程也是卸压过程，在受到掘巷的影响，塑性区域进一步扩大，导致巷道围岩变形量较大。

无煤柱掘巷围岩变形特征示意图如图4，无煤柱掘巷顶板变形破坏主要集中在3个区域，由于充填体墙的强度较大，巷道上方的顶煤较为软弱，
因此在靠近充填体墙上方的顶煤形成“压剪切落区”，在此区域内顶煤容易压剪破坏，导致切落下沉；由于巷道顶板中心位置所承受的弯矩最大容易发生拉伸破坏，因此在巷道顶板的中部形成“拉破坏区”；本区段回采后，受到本区段超前支承压力影响下，基本顶岩块向本区段工作面实体煤侧回转导致直接顶被迫回转下沉，造成顶煤与直接顶、直接顶与基本顶间的层里面发生剪切破坏，从而导致巷道顶板层间错动离层，形成“剪切错动离层区”。

图4 无煤柱掘巷围岩变形特征示意图
3.2 实体煤帮变形破坏特征
本区段工作面掘巷阶段，在受上区段工作面回采的扰动，实体煤已经产生一定范围的塑性区，掘巷位置恰好位于塑性区内，因此在本区段工作面掘巷阶段，实体煤帮的变形量较大，本区段工作面回采时，受到本工作面的超前支承压力影响，弧形三角块进一步回转、下沉，使原处于极限平衡状态下的块体失稳破坏，导致巷道围岩剧烈变形。

而在掘巷后就已发生应力集中的实体煤帮在采动超前支承压力将可能发生压裂破坏或者剪切破坏，形成如图4的“高应力压剪区”。

3.3 充填体帮变形破坏特征
通过上文对“二次掘采”过程中围岩应力分布规律的分析发现，充填体在“二次掘采”过程中始终处于高应力状态下，由于充填体可人为设定，刚度和强度较大，在上区段工作面回采前，充填体已达到了最终强度，有利于在该阶段充填体的稳定；本区段工作面掘巷阶段，应力向实体煤处转移，充填体上方的应力有所降低，该阶段的水平位移极小，充填体能维持良好工作状态；本区段工作面回采阶段，充填体受到超前支承压力的垂直应力和水平应力影响，同时水平应力给予充填体侧向约束，有利于充填体的稳定。

而本区段工作面沿空巷道的底鼓和上区段工作面充填体侧巷道的底鼓将可能同时影响充填体的稳定性，造成充填体底部失稳而发生倾倒。

3.4 “二次掘采”过程中充填体的作用机理
1）上区段工作面回采阶段，充填体应接顶良好，有足够的宽度、强度和刚度支撑顶煤和直接顶，防止顶板之间离层，并分担实体煤的荷载。

2）本区段工作面掘巷阶段，充填体不被压裂或发生倾倒，满足生产安全。

3）本区段工作面回采阶段，充填体需要有足够的强度和刚度来抵御基本顶来压，避免工作面处及超前支护范围内的充填体破坏出现裂隙，从而有效防止上工作面采空区的瓦斯通过裂隙涌入本工作面，防止造成本工作面瓦斯超限，同时充填体还需起到挡矸、防水、防火等灾害的作用。

4 结语
巷内预充填无煤柱掘巷技术可有效的解决留窄煤柱沿空掘巷带来的煤炭资源浪费等问题，可实现真正意义上的无煤柱开采。

通过对巷内预充填无煤柱掘巷技术“二次掘采”过程中围岩应力分布、变形特征及充填体的作用机理分析发现，在“二次掘采”过程中充填体受力状态较复杂，且始终处于高应力状态保证充填体在“二次掘采”过程中的稳定，是巷内预充填无煤柱掘巷技术的关键。

一般而言巷道底鼓问题普遍存在于沿空巷道中，尤其是在巷内预充填无煤柱掘巷的情况，充填体宽度较小，上区段工作面、本区段工作面的底鼓都将影响充填体的稳定。

然而，目前针对巷内预充填无煤柱掘巷技术的研究大多放在巷道顶板、两帮变形规律以及充填体稳定性上，尚缺乏在该护巷方式中两帮在高支承压力下底板应力演化及其变形机制的研究。

因此，需进一步研究巷内预充填无煤柱掘巷技术中巷道底板稳定性的主要影响因素，并揭示各因素对巷道底板稳定性的影响规律；同时分析在“二次掘采”全过程中底板应力演化及变形破坏特征，并揭示沿充填体掘巷两帮在高支承压力下底鼓机理，以及相应的控制技术等。

煤矿深部开采是伴随着地球浅部煤炭资源日益枯竭过程中亟待解决的问题。

深部复杂的物理力学状态下，导致巷道围岩大变形、动力灾害等事故频发。

为此，将开展各类地质条件下深部高应力开采中巷内预充填无煤柱掘巷技术的工程实践，完善该
技术的理论与实践，从而为此技术成熟推广夯实基础。

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