考虑采空区矸石非均匀充填影...倾斜煤层沿空留巷稳定性分析_李季.pdf

考虑采空区矸石非均匀充填影响的倾斜煤层沿空留巷稳定性分析李季1,3，李博1，张荣光1，万龙文2，汪胜2，李国玉2，彭博4，沈蓥2（1.西安科技大学能源学院,陕西西安710054；2.四川省华蓥山煤业股份有限公司龙门峡南煤矿,四川广安638020；3.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安710054；4.四川川煤华荣能源有限责任公司,四川攀枝花617000）摘要：倾斜煤层开采后，由于采空区顶板冒落矸石在重力作用下向下运动堆积充填采空区，使得倾斜煤层沿空留巷矿压显现规律与水平煤层不尽相同。为研究倾斜煤层采空区矸石非均匀充填对沿空留巷围岩稳定性的影响，以四川龙门峡南煤矿 3131 运输巷为工程背景，对采空区垮落矸石充填分区长度进行量化，并采用双屈服模型反演得到采空区矸石分区压实特性参数；并以此为基础建立数值计算模型，重点研究了倾斜煤层沿空留巷全服务周期内围岩应力场环境和塑性区分布形态的演化特征，以及承载状态下巷旁充填体的应力状态和支护性能。研究结果表明：3131 工作面采空区的充填压实区、完全充填区以及部分充填区的倾向长度分别为 57.20、72.18、10.62m；对于考虑采空区分区压实特性的倾斜煤层沿空留巷而言，其工作面前方支承压力和采空区残余支承压力沿煤层倾向随深度增加而增大；相比于一次采动，二次采动时工作面前方支承压力峰值和影响范围明显增大，侧向支承压力集中程度也明显提高；留巷阶段采空区垮落带矸石对巷道顶板岩层具有一定的支撑作用，侧向支承压力有明显的应力集中；受重复采动影响，两帮塑性区破坏范围发生顺层扩展现象，且巷道顶板与采空区顶板的塑性区相贯通，巷道靠近高帮侧顶板和两帮围岩破碎较为严重，稳定性较差；矿方现用的巷旁充填体采空区侧承载应力明显大于巷道侧，且水平应力大于垂直应力，巷旁充填体能够满足强度要求，但抗倾覆性能较弱。在此基础之上，分析了现有支护条件下巷道围岩稳定性的控制效果，并针对性地提出了 3131 运输巷围岩补强支护方案。关键词：倾斜煤层；沿空留巷；采空区充填；巷旁充填体；围岩稳定性中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06003012Stability analysis of inclined coal seam roadway along goaf consideringnon-uniform filling of gob gangueLIJi1,3,LIBo1,ZHANGRongguang1,WANLongwen2,WANGSheng2,LIGuoyu2,PENGBo4,SHENYing2（1.School of Energy,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China;2.Longmenxia South Coal Mine,Sichuan Huayingshan Coal In-dustry Co.,Ltd.,Guangan 638020,China;3.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention,Ministry of Education,Xian 710054,China;4.Sichuan Chuan Coal Huarong Energy Co.,Ltd.,Panzhihua 617000,China）Abstract:Aftertheminingofinclinedcoalseam,therooffallinggangueofgoafmovesdownwardtofillthegoafduetogravity,whichmakesthestratabehaviorlawofgob-sideentryretainingininclinedcoalseamdifferentfromthatinhorizontalcoalseam.Inordertostudytheinfluenceofnon-uniformfillingofgangueonsurroundingrockstabilityofgob-sideentryretainingininclinedcoalseam,takingNo.3131machineroadwayofLongmenxiaSouthCoalMineinSichuanasengineeringbackground.Thefillingzonelengthofcavingrockingoafwasquantified,andthecompactionparametersofrockinquantifiedgoafwereobtainedbydoubleyieldmodelinversion.Onthisbasis,anumericalcalculationmodelwasestablishedtostudytheevolutioncharacteristicsofsurroundingrockstressfieldandthedistribu-收稿日期：20211128责任编辑：朱恩光DOI：10.13199/ki.cst.2021-1348基金项目：国家自然科学基金资助项目（51804243）作者简介：李季（1992），男，陕西汉中人，副教授，硕士生导师，博士。E-mail：通讯作者：张荣光（1998），男，山东临沂人，硕士研究生。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023李季，李博，张荣光，等.考虑采空区矸石非均匀充填影响的倾斜煤层沿空留巷稳定性分析J.煤炭科学技术，2023，51（6）：3041.LIJi，LIBo，ZHANGRongguang，et al.Stabilityanalysisofinclinedcoalseamroadwayalonggoafconsideringnon-uniformfillingofgobgangueJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（6）：3041.30tionpatternofplasticzoneinthewholeservicecycleofgob-sideentryretainingininclinedcoalseam,aswellasthestressstateandsup-portperformanceofroadsidefillingbodyunderbearingstate.Theresultsshowedthattheinclinedlengthsoffillingcompactionzone,com-pletefillingzoneandpartialfillingzoneingoafof3131workingfacewere57.20m,72.18mand10.62m,respectively.Forthegob-sideentryretainingofinclinedcoalseamconsideringthezoningcompactioncharacteristicsofgoaf,theabutmentpressureinfrontofworkingfaceandtheresidualabutmentpressureingoafincreasewiththeincreaseofdepth.Comparedwiththefirstmining,thepeakvalueandin-fluencerangeoftheabutmentpressureinfrontoftheworkingfaceunderthesecondminingweresignificantlyincreased,andtheconcen-trationdegreeofthelateralabutmentpressurewasalsosignificantlyimproved.Therockinthecavingzoneofgoafhadacertainsupport-ingeffectontheroofstrataofroadway,andthelateralabutmentpressurehadobviousstressconcentration.Affectedbyrepeatedmining,thefailurerangeoftheplasticzoneofthetwosidesextendedalongthelayer,theplasticzoneofroadwayroofandgoafroofwasconnec-ted,andtheroofnearthehighsidewallandthesurroundingrockofthetwosidewallswereseriouslybrokenandthestabilitywaspoor.Thebearingstressofgobsideofroadsidebackfillusedintheminewassignificantlygreaterthanthatofroadwayside,andthehorizontalstresswasgreaterthantheverticalstress.Theroadsidefillingbodycanmeetthestrengthrequirements,buttheanti-tiltingperformancewasweak.Onthisbasis,thecontroleffectofroadwaysurroundingrockstabilityunderexistingsupportconditionswasanalyzed,andtherein-forcementsupportschemeof3131machineroadwaysurroundingrockwasputforward.Key words:inclinedcoalseam；alongtheemptylane；goaffilling；roadsidefillingbody；stabilityofsurroundingrock0引言倾斜煤层在我国西南地区赋存占比高达 80%，属于赋存较少的稀缺煤种，且多为优质的无烟煤和焦煤。沿空留巷作为提高煤炭采出率、优化通风以及缓解采掘紧张关系的关键技术被广泛应用1。然而，在倾斜煤层沿空留巷过程中，采空区垮落矸石在重力作用下会堆积和压实，导致其矿压显现规律与水平煤层沿空留巷不尽相同，围岩稳定性问题日益凸显2-4。因此，研究基于采空区充填的倾斜煤层沿空留巷围岩应力场环境和塑性区演化特征对于维护巷道围岩稳定具有重要意义。针对倾斜煤层开采沿空留巷围岩稳定性和采空区充填问题，众多学者对其进行了深入的研究和探索。张培森等5-6采用数值模拟研究方法分析了倾斜煤层倾角、厚度，以及地质和技术等因素对沿空留巷围岩应力和变形的影响，揭示了不同工况条件对巷道围岩稳定性的影响规律。曹树刚等7通过建立倾斜煤层沿空留巷力学模型分析给出了相应留巷方式下巷旁支护阻力计算公式，并指出留运输巷时在煤层倾角作用下采空区垮落矸石堆积支撑顶板，减小了沿空留巷所需的巷旁支护阻力，有助于保持巷道顶板的完整性。黄庆享等8通过相似模拟和数值模拟等方法研究了大倾角煤层沿空留巷非均匀大变形机理，并给出了相应的支护对策。张吉雄等9基于固体密实充填采煤技术，将采空区一侧视为均匀密实充填体，理论分析了沿空留巷围岩变形特征和巷旁支护体的作用机理，并结合现场工程实践验证给出了巷旁支护体稳定性力学模型和宽度计算公式。李永明等10-11针对倾斜煤层采空区充填问题进行研究，指出未充填采空区的围岩顶板变形量较大，呈抛物线型；矸石充填采空区有效降低了工作面顶板下沉挠度，减小了围岩变形。张鹏飞等12对倾斜煤层矸石充填工作面采空区顶板下沉机理进行研究，分析了矸石区承载特性的顶板沉降时空演化规律