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综放巷内充填沿空留巷围岩变形影响因素的多元分析

张东升1,2，缪协兴1，马立强1,2，董国伟1,2
1中国矿业大学(221008)
2教育部矿山开采与安全重点实验室(221008)
e-mail:[e-mail]

摘要：本文从技术因素和地质因素两个方面重点论述了综放巷内充填沿空留巷围岩变形和
应力分布的基本特征。通过计算机数值模拟，优化了充填工艺参数，得出了合理的留巷技术
方案。在此基础上，系统分析了煤层硬度、采高、直接顶厚度和硬度、老顶岩层硬度及关键
层复合效应等因素对留巷围岩变形与垂直应力分布的影响规律。并采用多元分析方法，得到
了各因素对围岩最大应力的回归方程。研究结果可对综放巷内充填沿空留巷的应用提供理论
依据和设计指导。
关键词：综放沿空留巷；地质因素；变形与应力；多元分析

1.引言
沿空留巷的机理研究主要集中在巷旁支护对老顶控制作用方面，并建立相应沿空留巷力
学模型推导出巷旁支护阻力的计算公式，促进了沿空留巷技术的推广应用[1,2,3,4,5]。理
论和实践表明，影响沿空留巷稳定性的因素很多，尤其是综放沿空留巷，若要实现巷内充填，
必须充分考虑地质因素和技术因素的影响，进行合理设计以控制综放沿空留巷围岩的协调变
形。我们在潞安矿区常村煤矿S2-6综放工作面首次进行了综放巷内充填沿空留巷工业试验，
对综放巷内充填沿空留巷围岩变形机理已有初步认识[6,7]。
本文运用数值计算首先分析了原有巷道支护形式、端头不放顶煤长度、充填体宽度、充
填方式和充填体强度等技术因素对综放沿空留巷围岩应力分布和变形的影响。在采用合理技
术方案的前提下，系统分析了煤层硬度、采高、直接顶厚度和硬度、老顶硬度等地质因素的
变化对留巷围岩变形的影响，并对关键层复合效应的影响程度进行讨论。最后运用多元回归
分析方法，确定了各地质因素与煤体内和充填体内的最大应力的回归表达式，从而为确定不
同地质条件的巷道应用沿空留巷的可行性，提供理论依据和实践指导，具有良好的推广应用
价值。

2.数值分析模型

潞安矿业集团常村煤矿S2-6综放工作面主采3号煤层，埋藏深度330m；煤层厚度6.07
m，割煤高度3.0m；直接顶为粉砂岩，厚度为2.64m；老顶为中细砂岩，厚度为6.56m；

本课题得到国家自然科学基金资助项目(50374065)，国家杰出青年科学基金资助项目（50225414），教育部
科学技术研究重点项目(105024)资助

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直接底为细砂岩，厚度为3.59m。工作面长度为220m，端头不放煤距离为6.0m。原巷宽
4.5m，巷道原采用12＃矿工钢支护。工作面超前20m，采用单体液压支柱（3.5m）和木板
架设一梁二柱抬棚加强支护。在原巷道加固和扩帮3.0m支护的基础上，结合ZKD型高水
[8,9]
速凝充填材料的性能，进行了充填体的强度、宽度、高度及加固设计。

以S2-6综放巷内充填原位沿空留巷工业性试验为基础，结合关键层理论，采用适于分
析岩层断裂和垮落的数值分析软件UDEC，建立了相应的数值分析模型，见图1[10,11,12]。此

模型指导了S2-6综放巷内充填原位沿空留巷工业试验，实践证明留巷是成功的。图2为相应

的S2-6综放巷内充填原位沿空留巷数值模拟状况，与现场结果基本吻合。在此基础上，系统
分析了技术因素和地质因素对留巷变形的影响规律。
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软岩层
第二层硬岩
软岩层
老顶(第一层硬岩）
直接顶
煤层a采空区

充填体
下覆岩层

图1综放巷内充填原位沿空留巷数值计算模型图2综放巷内充填原位沿空留巷状况
Fig1NumericalmodelforGERTCFFig2Statusofsurrounding-rockforGERTCF

表1UDEC模型中煤岩层基本力学指标
Table.1MechanicalparametersofthecoalseamandstrataintheUDEC
力学特性厚度弹性模量剪切模量内聚力内磨擦角密度泊松
岩性/m/Gpa/MPa/MPa/degrees/kg/m3比
上覆表土（软岩）层0.52001142.00.3

老顶（关键层）630750010302.70.3
直接顶2415003232.70.3
煤61.58001.5181.40.3
底板1030750010302.70.3
1.技术因素分析
通过对不同技术方案的数值模拟计算，并结合现场工业试验的效果，可以认为：
1）留巷前巷道支护最好采用锚梁网索支护。比较架棚支护、锚网支护，锚梁网（索）
支护及其他支护形式，数值计算和现场试验结果都表明：留巷前巷道支护本身无法控制老顶
回转量，但锚梁网索支