刘春桥，沈荣喜，周 勇，陈海亮，王学兵

（1.国家能源集团乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016000;2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116;3.国能乌海能源五虎山矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016010）

1 引言

井下巷道是矿井安全生产的重要通道，巷道稳定与否直接影响着矿井能否正常生产、作业人员安全通道是否畅通可靠。巷道围岩应力决定巷道变形量、顶板离层的大小，进而影响巷道的稳定性。巷道围岩应力大小主要受埋深、地质构造、采掘活动等因素的影响［1-4］。崔道品等［5］在西南某矿山体赋存条件的基础上，模拟地表起伏对垂直应力集中程度的影响，指出水平应力与其对应地表的位置有密切关系。周涛［6］模拟了地表山体对下部煤岩层应力状态的影响，并按照应力影响大小分为明显影响区、影响减弱区及无影响区。孙玉亮等［7］研究了小发路煤矿山体对井下回采巷道的影响大小，并提出了山体下软岩巷道围岩控制技术。沈荣喜等［8］研制了适用于煤体的三维应力测试方法与系统，并研究了三维地应力的大小及方向对巷道围岩的形变与稳定性的影响。超高建（构）筑物或山体的存在［9］，相当于增加了煤层上覆岩层厚度，煤层的垂直应力也相应增大，因此在进行巷道支护设计及顶板管理时必须考虑地表建（构）筑物或山体的附加应力。现有文献对巷道围岩稳定影响因素及其控制技术已有较多研究［10-12］，但有关地表渣堆对井下巷道稳定影响方面缺乏研究，必须指出的是，与地表建筑或山体不同，地表渣堆处于持续增长的动态变化过程，因此，其对井下巷道的影响需要进一步深入研究。

国能乌海能源五虎山煤矿自2018年开始在地表堆积矿渣，渣堆下方的010910、011006等工作面回采过程中受其影响出现回采巷道围岩大变形、钢棚严重变形等矿压显现增大的现象。因此，本文针对五虎山煤矿地表矿渣，采用FLAC3D数值分析软件模拟不同渣堆高度下巷道围岩的应力应变，揭示渣堆高度变化对井下巷道稳定性的影响规律及影响程度，从而确定渣堆的合理高度以便保障矿井安全生产，研究结果对类似煤矿的安全开采具有重要的参考价值。

2 矿山工程概况

五虎山煤矿位于内蒙古自治区贺兰山煤田北段乌达矿区的南部，矿区为低山丘陵高原地貌，地形起伏较大，小沟谷纵横，最高点位于矿区西南部，海拔标高1318m，最低点位于矿区东部2号拐点附近，海拔标高1240m，海拔相对高差78m，矿区内地形总体地势西高东低，南高北低，地表基岩裸露，植被稀少，生态脆弱。井田内煤层赋存呈单斜构造，走向近似南北，倾向东，主采9、10及12号煤层，均为中厚煤层，煤层倾角为5°～15°，煤层结构较简单，9煤平均埋深为200m。

2018年以来，五虎山井田南翼地表划为排渣场地，堆放相邻露天煤矿的剥离物，渣堆覆盖了01采区的整个南翼区域及部分北翼区域，包括当时正在生产的010910、011006等采掘工作面。截止2020年8月，渣堆覆盖面积约为8.59km2，最大高度已达110m。如果渣堆影响与工作面回采影响叠加，则采动影响范围内的煤岩变形、破裂将更为剧烈，回采巷道将发生大变形甚至严重破坏。因此有必要研究五虎山地表渣堆对井下工作面的影响规律。限于篇幅，本文只研究渣堆堆积对9煤回采巷道的影响。

3 模型建立

由FLAC3D构建的三维模型如图1所示，长×宽×高(Y×X×Z)为1300m×800m×126m，模型中X方向为煤岩层倾向，Y方向为煤岩层走向，Z方向为竖直方向。模型四周边界均固定水平位移，底端边界固定垂直位移，顶端边界施加均匀载荷。模型共包含3200121个节点，3120000个单元。模型本构关系采用Mohr-Coulomb破坏准则。

图1 五虎山煤矿三维数值仿真模型

在五虎山010910工作面采取9煤及其顶底板岩样进行岩石力学参数测试，并结合矿区地质资料，确定煤岩层参数如表1所示。

表1 模型各层煤岩物理力学参数

为对比研究地表不同高度渣堆对9煤工作面回采巷道的影响程度，设定三种模拟方案：①渣堆高度0m（相当于地表无渣堆）；②渣堆高度50m；③渣堆高度100m。

4 模拟结果分析

以下通过对比巷道围岩应力峰值、采动影响范围、塑性区分布等指标研究不同高度渣堆对巷道稳定性的影响规律。

4.1 应力峰值大小及位置对比

地表渣堆高度分别为0m、50m、100m时，随工作面推进，回采巷道围岩应力峰值大小、位置及采动影响范围变化对比如图2～4所示。

图2 峰值应力变化对比

由图2可知，随工作面推进，不同渣堆高度应力峰值变化趋势基本相同：

（1）回采初期，峰值应力不断升高。

（2）工作面推进0～60m期间，峰值应力增加速度较快。

（3）推进60～100m期间，峰值应力增加幅度变小，应力峰值逐渐趋于稳定。

地表无渣堆时在16MPa上下波动，渣堆高度50m时在22MPa上下波动，渣堆高度100m时在27MPa上下波动。与地表无渣堆相比，渣堆高度50m时应力峰值增长了37.5%，渣堆高度100m时应力峰值增加了68.8%。

由图3可知，应力峰值位置先随工作面推进距离的增加而逐渐增大，而后趋于稳定。地表堆积渣堆高度越高，峰值应力位置就超前工作面煤壁越远。工作面推进60m后，地表无渣堆时峰值应力稳定在距工作面约4m位置，渣堆高度50m时峰值应力稳定距工作面约6m位置，渣堆高度100m时峰值应力稳定在距工作面约7m位置。与地表无渣堆相比，渣堆高度50m时应力峰值位置增长了50.0%，渣堆高度100m时应力峰值位置增加了75.0%。

图3 峰值应力位置变化对比

由图4可知，回采初期，采动影响范围快速扩大，然后趋于稳定，地表无渣堆时采动影响区范围约为工作面超前40m，渣堆高度50m时采动影响区范围约为工作面超前47m，渣堆高度100m时采动影响区范围约为工作面超前53m。与地表无渣堆相比，渣堆高度50m时采动影响区范围增加了17.5%，渣堆高度100m时采动影响区范围增加了32.5%。

图4 采动影响范围变化对比

4.2 围岩塑性区对比

图5 为不同渣堆高度下回采巷道围岩塑性区分布图。

图5 不同渣堆高度回采巷道塑性区对比

由图5可知，地表无渣堆时，9煤回采巷道的塑性区范围主要分布在巷道两帮的小范围内，塑性区扩展深度为6m；渣堆高度增加到50m时，巷道两帮的塑性区向围岩深处非均匀快速扩展，两帮塑性区扩展深度增至8m，与地表无渣堆相比增加了33.3%，同时，在巷道顶部及底部也出现塑性区，顶部塑性区扩展深度为4m，底板塑性区扩展深度为2m；渣堆高度增加到100m时，巷道破坏范围与塑性区形态急剧变化，巷道的顶部、帮部及底部都出现大范围的塑性区，两帮塑性区向围岩深部扩展速度加快，扩展深度增至10m，与地表无渣堆相比增加了66.6%，顶部塑性区扩展深度增至5m，底部塑性区扩展范围保持稳定。综上可知，随地表渣堆高度增大，9煤回采巷道围岩的塑性区范围显著扩大，围岩发生较大变形，必须对巷道进行及时维护，以保障后续生产的安全。

5 实测对比

五虎山煤矿自2018年8月开始在地表堆积渣堆，010908工作面回采时间为2016年4月-2017年8月，期间地表无渣堆；010910工作面回采时间为2019年7月-2020年7月，地面已存在渣堆。收集010908工作面回采巷道、实测010910工作面回采巷道的变形量，绘制巷道顶底移近量、两帮移近量如图6所示。

图6 9煤工作面回采巷道移近量对比

由上图可知，010908工作面顶底和两帮移近量分别为0.27m、0.18m；010910工作面顶底和两帮移近量分别为0.75m、0.40m，是010908工作面顶底和两帮移近量的2.78倍和2.22倍，即地表渣堆使9煤工作面顶底移近量增长178%，两帮移近量增长122%，实测与模拟分析的结果一致。

结合巷道现场监测与模拟分析，从保障矿井安全生产的角度出发，应将地表渣堆高度严格控制在100m以下。

6 结论

（1）地表无渣堆时，010910工作面回采巷道围岩应力峰值为16MPa，采动影响范围为工作面超前40m区域。与地表无渣堆相比，地表渣堆高度50m时，工作面回采巷道围岩应力峰值增加了37.5%，采动影响范围增加了17.5%；地表渣堆高度100m时，回采巷道围岩应力峰值增加了68.8%，采动影响范围增加了32.5%。

（2）随地表渣堆高度增大，010908工作面巷道塑性区从巷道两帮扩大到巷道顶部和底部，并快速向围岩深部扩展，尤其以两帮塑性区向围岩深处扩展最为明显，与地表无渣堆相比，渣堆高度50m时扩展深度增加了33.3%，渣堆高度100m时扩展深度增加了66.6%。

（3）巷道变形实测对比表明，超高渣堆使010908工作面巷道顶底和两帮移近量分别增长了178%和122%，回采巷道底鼓严重，两帮变形较大。

（4）渣堆高度100m时，工作面巷道应力峰值、巷道顶底移近量和两帮移近量远高于无渣堆情况，从保障矿井安全开采角度出发，应将渣堆高度控制在100m以下。