Numerical Simulation Analysis of Pre-cutting Roof without
Filling Gob-side Entry Retaining
佟波 TONG Bo；王怀远 WANG Huai-yuan
（山东新巨龙能源有限责任公司，菏泽 274900）
（Shandong New Julong Energy Co.，Ltd.，Heze 274900，China）
摘要：为了分析研究预切顶留巷技术应用效果，以某煤矿20916工作面为研究对象，采用PFC2D模拟软件模拟该工作面预切顶留巷工程实践，分析了留巷周边围岩的应力分布和裂隙发育规律。研究结果表明，采用预切顶无巷旁充填这种沿空留巷方式，使留巷围岩始终处于低应力区，从而沿空留巷上方基本顶稳定性，使覆岩压力向能够更深部煤体传递，有效防止顶板事故的发生。
Abstract: In order to analyse and research the effect of pre-cutting roof gob side entry retaining technology, the 20916 working face is regarded as the research object, the PFC2D simulation software was used to simulate the engineering practice of pre-cutting roof gob side entry retaining, and the low of stress distribution and crack development were analyzed. The research results show that the way of pre-cutting roof without filling can make the surrounding rock of the roadway be always in the low stress area, the basic roof is keep stability, and the pressure of overlying strata is deeper to coal body, and the roof accidents can be effectively prevented.
关键词：沿空留巷；预切顶留巷；PFC2D数值模拟
Key words: leave the lane along the empty；pre-cut roof；PFC2D numerical simulation
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0191-03
0 引言
沿空留巷是指工作面回采时，采用一定支护方式沿采空区的边缘将该工作面的巷道保留下来为下一工作面继续服务的一种巷道布置方式。沿空留巷在开采方面具有缓解采掘接替紧张、降低回采巷道的掘进率、消除煤与瓦斯突出事故的动力来源、提高资源回收率等方面技术和经济优势；在通风方面可以实现Y型通风，控制工作面瓦斯浓度，同时可以实现临近煤层瓦斯资源的合理抽采，瓦斯治理优势显著[1-3]。
我国在坚硬顶板条件下沿空留巷的实际应用方面积累了丰富的经验，应用范围由最初仅在薄煤层的尝试发展到厚煤层及综放大断面巷道中大量运用，留巷支护工艺由最初的木棚巷内支护配合矸石墙巷旁支护发展到最新的锚网索联合巷内支护技术配合高水充填和空间锚栓加固网技术[4]。但由于坚硬顶板下使用留巷方式时，需要的巷旁充填体宽度大、强度要求高，砌筑过程对工作面回采速度的影响不可忽视，且留巷附近采空区侧向顶板悬臂面积大，悬顶持续时间长，又促进了留巷顶板的层间离层。同时坚硬顶板悬梁在冒落时产生较大的应力冲击波，不间断突然冒落会对巷道围岩形成持续的应力扰动，在巷道围岩中主要宏观表现为留巷围岩受采动影响程度深，持续时间长，留巷断面顶板下沉量过大、底板鼓起严重、煤帮破碎并鼓出、巷旁充填体压裂等，断面收缩率甚至达50％以上[5]。保留的巷道断面不得不进行大量返修，很难直接适应下一工作面的正常生产需要，导致留巷成本节节攀升。
坚硬顶板条件下沿空留巷技术难度较大，成本高，但是由于我国三分之二的煤层为坚硬顶板条件，现场应用迫切。随着煤炭资源的开发强度加大，坚硬顶板条件下沿空留巷技术的应用领域会不断增加。在保证工作面回采速度不受影响的前提下，同时具有较低成本和较好围岩控制效果的留巷方式是坚硬顶板条件下沿空留巷技术的发展趋势。
本文以某煤矿20916工作面为基本地质条件模拟预切顶留巷方案在回风巷中的应用效果，选用离散元计算原理的PFC2D模拟软件[6]，分析了预切顶留巷方案对留巷周边的围岩应力分布及裂隙发育的影响规律。
1 工程概况
该煤矿位于黔北高原，地面标高全部在千米之上，井田总体呈向斜构造，断层稀少。20916工作面属于该煤矿二采区，并且为首采工作面，煤层倾角范围为4~12°，大部分为9~10°。煤层整体表现为倾角变化不大，并且厚度较为稳定。直接顶岩性大部分为粉砂质泥岩、泥岩，厚度平均为2.2m，较为稳定。直接底为炭质泥岩、灰岩、泥质粉砂岩，薄层状，强度较好。
2 PFC2D模型的建立
综合考虑模型计算精度以及计算机计算速度的影响，依据该煤矿地质柱状图及20916回风巷矿压监测情况，本次模拟最终设计模型尺寸为50m×37m（侧向×纵向），模拟煤层顶底岩板共7层，详见表1。模拟所用模型中粒径值服从高斯分布，颗粒最小半径取0.15m，颗粒最小半径取0.18m，最终生成颗粒数目为12617个。模拟巷道埋深300m，原岩应力7.5MPa。为使覆岩垮落与实际相符，设置为循环开挖，每次开挖5m，共开挖5次，开挖过程中始终保持边界应力恒定（墙约束）。
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确定合适的模型细观参数，使之与岩石宏观力学参数相匹配是使用PFC数值软件进行工程模拟的关键。通过室内力学实验，测得各层岩石的主要物理力学特性，然后建立与室内测试相同的尺寸的数值试件，并进行相同项目的力学测试，经过多次反演使数值模型与实际试件的力学特性相近。此次细观参数标定时室内实验室和数值试件均采用单轴压缩和巴西实验，如图1所示。最终反演得到的细观参数见表2。
3 模拟结果分析
PFC作为颗粒流离散元数值软件，与有限元数值软件不同，没有严格的应力及应变概念。为了更好的研究巷道开挖后的煤体某点处的受力状态，在煤岩接触面处布置一条侧向监测线，在距离巷帮2m、12m和24m处布置1#、2#、3#等3个Φ4m的测量圆，测定其内的平均受力状态。
开始开挖阶段，直接顶失去煤体的支承后首先产生裂隙，不断扩展贯通形成大裂隙发育带。巷旁煤体的边缘和工作面前方煤壁出现大量的裂隙发育。整个基本顶的稳定性较好，均未产生明显的裂隙发育。此时工作面前后方及覆岩裂隙发育规律如图2所示。
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开挖前巷旁煤体的完整性较好，其边缘部分承担的覆岩压力逐渐增加。当覆岩压力超过煤体极限抗压强度前，压力会持续作用在边缘煤体上，即1#测点周围，因此2#测点和3#测点的应力值并无明显的变化；当覆岩压力值超过煤体的强度极限后煤体内部裂隙发育明显，开始由弹性状态变化为塑性状态，边缘部分首先呈破坏状态，其承压能力急剧下降。此时覆岩压力被迫向煤体的中深部转移，所以2#测点和3#测点的应力值开始增高。软件检测的测点的应力数据曲线如图3所示。
随着工作面推进距离的增加，工作面附近的直接顶裂隙发育明显，采空区上方直接顶不断大块冒落，在留巷边缘呈整体堆积状态。留巷上方基本顶仍然无裂隙发育，而采空区上方基本顶的裂隙发育逐渐明显，出现两条明显的裂隙发育带，并最终在裂隙带处断裂垮落。巷旁煤柱的边缘裂隙并未连续向深部扩展，而在煤柱的中深部开始出现新的裂隙发育。该阶段工作面前后方及覆岩裂隙发育规律如图4所示。
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由图5可知此时围岩中应力分布规律，覆岩压力在向下传递时经矩形承载区的左侧区域直接传递至巷旁中深部煤柱，使承载区的左上部岩体处于高应力状态，而与留巷位置较近的右下侧区域则处于应力降低区，因此2#测点的应力值会不断增高。由于2#测点处煤体处于三向受压应力状态，其承压能力明显高于1#测点，当覆岩压力超过其极限抗压强度后会出现屈服效应，导致其承压能力降低，但屈服后的煤体仍有较强的承压能力。因此覆岩压力继续向深部转移的趋势明显变缓，3#测点周边煤体应力值略有升高，但总体变化较小，如图6所示。
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当工作面处于回采后期时，整个采空区上方的基本顶已完全垮落，其中充满了矸石，由于关键层（砂岩）的活动空间相对较小，除有少部分的下部围岩已垮落外，大部分围岩都呈横跨在采空区矸石的正上方，呈一种假塑性弯曲状态。留巷上的基本顶呈一悬垂弯曲状态，导致其下方无支护状态的直接顶更为破碎，覆岩运动最终稳定后顶板结构如图7所示。而巷旁煤体中的覆岩压力值逐渐减小，最后趋于稳定，在回采整个过程中测定1#、2#、3#等3个测点应力值，具体如图8所示。
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因此采用预切顶无巷旁充填这种沿空留巷方式，使留巷围岩始终处于低应力区，从而沿空留巷上方基本顶稳定性，使覆岩压力向能够更深部煤体传递，能够有效防止顶板事故的发生。
4 结论
预切顶无巷旁充填沿空留巷方式的数值模拟分析表明：采用预切顶无巷旁充填这种沿空留巷方式，使留巷围岩始终处于低应力区，从而沿空留巷上方基本顶稳定性，使覆岩压力向能够更深部煤体传递，有效防止顶板事故的发生。
参考文献：
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