沿空掘巷巷旁充填體寬度的確定與應(yīng)用

高永格 ，盧全督，常 猛

（河北工程大學(xué) 資源學(xué)院，河北 邯鄲056001）

高水材料是一種新型充填材料，由A、B兩種材料配合使用，高水材料支護(hù)具有增阻速度快，支護(hù)阻力大，而且充填工藝簡單等特點(diǎn)。由于高水材料巷旁支護(hù)技術(shù)優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著，不少專家學(xué)者致力于高水材料的研究，目前，我國高水材料巷旁充填技術(shù)整體已達(dá)到國際先進(jìn)水平〔1，2〕。云駕嶺煤礦12802工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層屬厚煤層，為減少煤炭損失和改善安全生產(chǎn)條件，提出巷內(nèi)預(yù)置充填帶無煤柱開采技術(shù)〔3〕，下區(qū)段回風(fēng)巷沿預(yù)置的充填體掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。

基于對不同寬度充填體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的分析，根據(jù)12802工作面工程地質(zhì)條件建立數(shù)值模型，研究在不同寬度護(hù)巷充填體下，沿空掘巷時工作面回采后充填體在煤巖體中的應(yīng)力，位移、塑性破壞的情況。本文將巷旁充填體圍巖應(yīng)力隨12802工作面推進(jìn)的變化規(guī)律以及沿空掘巷圍巖應(yīng)力變化規(guī)律與數(shù)值計算相結(jié)合，研究巷旁充填體的合理寬度，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件

12802工作面開采2號煤，煤層厚度2.5～3.9m，平均3.5m，中下部夾有一層0.1～0.15m的泥質(zhì)粉砂巖夾矸；煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層走向近似南北，傾向東，傾角21°～34°，平均25°，煤層賦存情況較穩(wěn)定。云駕嶺礦12802工作面埋深約560m，12802運(yùn)輸巷沿2號煤頂板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，運(yùn)輸巷寬4.2m，高3m，巷道長度大約1550m。12802運(yùn)輸巷位置見圖1。

圖1 12802運(yùn)輸巷位置

2 充填體的力學(xué)模型

2.1 力學(xué)模型

如圖2所示，下區(qū)段巷道掘巷之前，充填帶布置在減壓區(qū)內(nèi)〔4〕，受到上覆巖層的壓力很小。關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)，充填帶左側(cè)界緊靠煤體，隨著關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)，左邊界受到的部分壓力轉(zhuǎn)移到煤體，而采空區(qū)一側(cè)則會受到相對較大的回轉(zhuǎn)壓力。充填體底部受到底板的支撐作用，垂直方向位移相對較小，可認(rèn)為下邊界位移為零，據(jù)此可建立充填體力學(xué)模型（見圖3）。

圖2 充填帶上方基本頂破斷狀況

圖3 充填體力學(xué)模型

2.2 高水材料充填體寬度理論計算

控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵是保持充填帶的穩(wěn)定，因此必須提高充填體的承載能力及其穩(wěn)定性。充填體越寬護(hù)巷效果越好，但是成本則會增加，因此應(yīng)該選擇合理的充填體寬度。充填體寬度d主要由切頂阻力、充填體強(qiáng)度確定，見式（1）〔5〕。

式中：K1為安全系數(shù)，取1.17；б1為充填體的平均強(qiáng)度，MPa；Pq為切頂阻力，MPa。

3 巷旁支護(hù)帶寬度的數(shù)值計算

3.1 模型建立

該模型設(shè)計模擬一個工作面，模型范圍長、寬、高分別為150m、50m、和110m。數(shù)值模型的邊界條件為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。根據(jù)埋深，計算出垂直主應(yīng)力為13.78MPa。數(shù)值計算采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型。先掘12802運(yùn)巷，然后開挖12802工作面同時對巷道進(jìn)行填充，最后開挖風(fēng)巷。充填帶及12804風(fēng)巷部位的單元格劃分較密為0.5m。在留設(shè)充填帶寬度分別為1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m 情況下，研究巷道圍巖的穩(wěn)定性及充填體的支護(hù)性能。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 充填體應(yīng)力分布與充填體寬度的關(guān)系

12804回風(fēng)巷開挖后，通過對不同寬度充填體應(yīng)力場分析，可以得到：充填體寬度越大，承載能力越強(qiáng)，充填體所受到的垂直應(yīng)力就越大。在工作面后方17m后基本保持不變。當(dāng)充填體寬度小于1.5m時，充填體被壓壞。當(dāng)充填體寬度從1.5m增加到2.5m時，充填體垂直應(yīng)力增加較大，從8.9MPa增加到12.1MPa。

隨充填體寬度的增加，充填體中部的承載能力也在增大，充填體寬度較小時（1～1.5m），承載能力較小，最大承載力不到10MPa；當(dāng)充填體寬度較大時（2～3.5m），有較大的承載能力，最大為13MPa。

3.2.2 巷道圍巖變形與充填體寬度的關(guān)系

圖4為在巷道掘進(jìn)后，充填體寬度不同時實(shí)體煤幫、充填體、頂板及底臌的變化趨勢。當(dāng)充填體寬度分別為2 m，2.5m和3m時，巷道頂板最大下沉量分別為110mm，100mm和95mm；充填體幫最大移量分別為40mm，38 mm，30mm；另一幫分別為80mm，83mm，90mm。表明充填體寬度大于2m時頂板位移量顯著減小，采空區(qū)對巷道影響明顯減弱。巷道的頂?shù)装逡平恳皂敯逑鲁翞橹鳎纂縿t相對要小一些。頂板隨著充填體寬度的增加，頂板的下沉量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。充填體較煤幫的變形量要??；底板臌起量隨著充填體寬度的增加而有所增加，增加幅度較小。通過比較，充填體寬度在2m處較合適，能夠保持自身的穩(wěn)定及巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖4 不同充填帶的位移量

3.2.3 塑性破壞特征分析

12802工作面回采后，煤壁水平破壞范圍約3～5m。當(dāng)充填體寬度為1.5m時，充填體全部處于塑性破壞狀態(tài)。隨著充填體寬度的增大，采空區(qū)對運(yùn)輸巷的影響逐漸減小，當(dāng)充填體寬度大于2m時采空區(qū)對運(yùn)輸巷的破壞影響較小。

3.3 充填體寬度的確定

根據(jù)數(shù)值模擬計算可知，隨著巷旁充填體寬度的增加，頂板下沉、實(shí)體煤幫位移、充填體位移都呈下降趨勢。當(dāng)充填體寬度從1.5m增加到2m時，下降幅度較大；當(dāng)充填體寬度從2m增加到3m，在增加到3.5m時，下降幅度較小。充填體寬度為2m時，圍巖變形量較小，充填體內(nèi)部有較大的穩(wěn)定區(qū)域，巷道處于較有利的圍巖環(huán)境。因此，通過數(shù)值模擬計算結(jié)果并考慮到經(jīng)濟(jì)成本因素，最終確定該工作面巷旁充填體合理寬度為2m。

4 巷旁充填后的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究

4.1 巷旁充填體礦壓觀測方案

巷幫充填體內(nèi)每隔20.5m布置一個測站，共設(shè)置4個測站，每一個測站有2個傳感器分別觀測巷旁充填墻體所受到的豎直應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力顯現(xiàn)。測量豎直應(yīng)力的傳感器，安裝在充填體頂部；當(dāng)充填高度達(dá)到設(shè)計高度的1／2時，在充填體與煤壁之間安裝側(cè)向應(yīng)力傳感器，沿水平作用方向由采空區(qū)向回采煤壁方向依次安裝，傳感器安裝如圖5。通過研究隨工作面推進(jìn)時充填帶應(yīng)力的變化規(guī)律，對沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖5 充填體測站布置

4.2 充填墻體應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)前面的研究，在12802工作面運(yùn)輸巷采用中國礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD新型高水速凝材料作巷旁預(yù)充填試驗(yàn)，現(xiàn)場應(yīng)用表明：

（1）由巷道圍巖垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離變化曲線（見圖6）不難看出，在工作面后方0～18m時，充填體所承受載荷增長較快，在工作面后方15～18m處應(yīng)力達(dá)到了峰值（最大值達(dá)到13.3MPa，小于原巖應(yīng)力），說明基本頂巖層斷裂，工作面發(fā)生周期來壓。在工作面后方25.2～40.5m時，應(yīng)力值呈現(xiàn)下降趨勢（13.3～8.6MPa），該階段頂板活動趨于平緩，并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。在工作面后方40.5m之后，采空區(qū)覆巖活動已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，應(yīng)力值為10.3MPa左右，充填體處于采空區(qū)煤壁邊緣的低應(yīng)力區(qū)。由于充填體具有可縮性，且能承受10MPa應(yīng)力，故充填體較為完整。

圖6 垂直應(yīng)力變化曲線

（2）由巷道圍巖側(cè)向應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離變化曲線（見圖7）可知：在工作面端頭位置時，側(cè)向應(yīng)力緩慢增大，傳感器讀數(shù)達(dá)到0.8MPa；在距工作面后方0～40.5m范圍，應(yīng)力值緩慢持續(xù)增長（0.1～3.5MPa）；在距工作面后方40～50m時，巷旁充填體側(cè)向應(yīng)力基本穩(wěn)定在3MPa左右。

圖7 充填體側(cè)向受力變化曲線

5 結(jié)語

1）隨著充填體寬度的增加，其承載能力也在增大，在下區(qū)段風(fēng)巷開采后，該巷道頂板下沉量、實(shí)體煤幫位移量、充填體位移量隨著充填體寬度增大，都成下降趨勢。

2）合理的充填體寬度應(yīng)能保證巷道圍巖的穩(wěn)定，且具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。通過數(shù)值計算并考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素，確定充填體寬度為2m。

3）通過礦壓監(jiān)測，充填體最大豎直變形量為99mm，壓縮率3%，未達(dá)到高水速凝材料的最大抗壓強(qiáng)度。說明采用上述方法確定的充填體寬度合理，能夠較好地發(fā)揮支撐頂板、維護(hù)巷道的作用。

〔1〕孫春東，張 岷，劉樹剛 .應(yīng)用錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行沿空留巷的實(shí)踐〔J〕.河北煤炭，2001（3）：30－32.

〔2〕劉益成，孫立亞 .大采高工作面沿空留巷巷旁充填支護(hù)實(shí)踐〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000（3）：19－20.

〔3〕馬立強(qiáng)，張東升，王紅勝，等 .厚煤層巷內(nèi)預(yù)置充填帶無煤柱開采技術(shù)〔J〕.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（4）：674－680.

〔4〕錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

〔5〕黃玉誠，孫恒虎 .沿空留巷護(hù)巷帶參數(shù)的設(shè)計方法〔J〕.煤炭學(xué)報，1997，22（2）：127－131.