大斷面沿空留巷充填體承載特性數(shù)值模擬研究

趙 利，溫 華

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲二礦，山西 柳林 033315； 2.山西焦煤集團(tuán)公司， 山西 太原 030024)

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·試驗研究·

大斷面沿空留巷充填體承載特性數(shù)值模擬研究

趙 利1，溫 華2

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲二礦，山西 柳林 033315； 2.山西焦煤集團(tuán)公司， 山西 太原 030024)

沙曲礦為高瓦斯礦井，采用傳統(tǒng)的U+L型通風(fēng)時存在工作面瓦斯超限頻發(fā)和局部瓦斯聚集的現(xiàn)象。為實現(xiàn)無煤柱開采，增加煤炭產(chǎn)出率，同時改善采煤工作面瓦斯聚集現(xiàn)象，在24207工作面進(jìn)行了沿空留巷試驗。本文通過理論分析，研究了沿空留巷巷旁充填體作用機理，提出了對巷旁充填體的技術(shù)要求，并建立了沿空留巷頂板力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上研究確定了充填墻體的受載特性，初步確定了在試驗巷道地質(zhì)賦存條件下合理的充填體寬度。運用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對不同寬度充填墻體的承載特性進(jìn)行了研究，通過對比分析沿空留巷墻體受力和變形情況，確定充填墻體合理寬度為3.0～4.0 m.在24207工作面膠帶巷進(jìn)行工業(yè)性試驗后，針對巷道變形情況進(jìn)行了長期的礦壓觀測，結(jié)果表明，巷道圍巖變形得到了較好的控制，可為相似條件下沿空留巷的設(shè)計和實施提供依據(jù)。

沿空留巷；巷旁充填體；承載特性；數(shù)值模擬軟件；合理寬度；工業(yè)性試驗；巷旁支護(hù)

沿空留巷技術(shù)是沿采空區(qū)邊緣人工構(gòu)筑支撐墻體將回采完成段的回采巷道保留下來，形成沿空留巷，作為治理采煤工作面卸壓瓦斯的工作空間，并與采區(qū)巷道構(gòu)成“二進(jìn)一回”Y型通風(fēng)巷道系統(tǒng)的一種無煤柱開采技術(shù)。 Y型通風(fēng)方式可以從根本上消除傳統(tǒng)綜采工作面廣泛采用的U型通風(fēng)開采的一些重大安全隱患，簡化U型通風(fēng)一面四巷的傳統(tǒng)瓦斯治理模式。近年來，沿空留巷治理瓦斯技術(shù)由于其技術(shù)優(yōu)越性和巨大的社會經(jīng)濟效益已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用和推廣[1-4].

沙曲礦為高瓦斯礦井，2#、3#、4#、5#、6#煤層為近距離煤層群，煤層瓦斯含量高，煤炭開采時瓦斯涌出量大。首采4#煤層開采時，采煤工作面采用傳統(tǒng)的U+L通風(fēng)方式，采煤工作面瓦斯超限現(xiàn)象頻繁，支架架尾到切頂線經(jīng)常出現(xiàn)局部瓦斯積聚，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。

本文結(jié)合24207工作面地質(zhì)賦存條件，通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合并進(jìn)行工程實踐，有效控制了巷道變形，為相似地質(zhì)條件下沿空留巷的設(shè)計和實施提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

24207工作面位于北二采區(qū)，走向長度1 663 m，傾斜長度260 m.工作面3#+4#合并層煤層厚度在3.6～4.2 m，平均厚度為4.17 m. 工作面底板標(biāo)高預(yù)計在360～450 m，工作面上覆地表均為黃土覆蓋區(qū)，地面標(biāo)高為866～1 001 m，預(yù)計蓋山厚度為421～621 m.

工作面?zhèn)雾敳话l(fā)育，局部有0.2 m的泥巖，3#+4#煤直接頂為灰色中細(xì)砂質(zhì)泥巖，厚度5.5 m，基本頂為4.5 m厚的灰白色中砂巖。3#+4#煤層直接底為1.1 m灰色中砂巖，有團(tuán)塊狀黃鐵礦，基本底為2.5 m厚的粉砂巖，再下為5#煤層的直接頂，2 m的泥巖。

根據(jù)礦井建設(shè)對4#煤層頂?shù)装褰衣肚闆r來看，在部分地段頂?shù)装宸€(wěn)定，壓力正常，但在褶曲構(gòu)造發(fā)育的個別地段，由于頂板壓力大，常造成片幫冒頂，已形成巷道大量開裂、掉塊，巷道底鼓嚴(yán)重。

2 沿空留巷充填體承載規(guī)律

2.1 沿空留巷巷旁充填體作用機理

巷旁充填隨回采工作面的推進(jìn)而逐段實施，其作用與工作面后方沿空留巷側(cè)向頂板運動規(guī)律密切關(guān)聯(lián)。頂板前期活動階段以旋轉(zhuǎn)下沉為主，來壓強度較小，充填體的作用力主要是平衡巷道上方直接頂及其懸臂部分巖層的重量。為保持巷道頂板的完整性，增加直接頂?shù)淖苑€(wěn)能力，要求充填體與巷內(nèi)支護(hù)共同作用，保持直接頂與基本頂緊貼。

頂板巖層過渡期活動階段，基本頂破斷、失穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)下沉劇烈。由于直接頂及一定范圍內(nèi)的基本頂垮落破碎，體積增大，充填采空區(qū)后，減少了冒落矸石與基本頂之間的間隙，為基本頂形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提供了條件，但在基本頂巖塊的“大結(jié)構(gòu)”形成之前，充填體應(yīng)具有足夠的可縮量以適應(yīng)基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，通過適當(dāng)?shù)南驴s讓壓，充分發(fā)揮圍巖(基本頂巖梁及冒落矸石)的承載能力，這也是支架圍巖共同作用的體現(xiàn)；同時，充填體還應(yīng)具有足夠的支護(hù)阻力參與頂板運動及平衡，以縮短過渡期頂板劇烈活動的時間，減緩留巷頂板過大的下沉量[5].

基本頂巖塊形成“大結(jié)構(gòu)”后，頂板巖層進(jìn)入后期活動階段，充填體的作用是維持基本頂“大結(jié)構(gòu)”的穩(wěn)定，其臨界支護(hù)阻力為平衡冒落帶對應(yīng)范圍內(nèi)的巖層的重量。

近期的研究表明，當(dāng)充填體早強，剛度大，承載能力高時，能夠適應(yīng)“硬支多載”的頂板下沉規(guī)律時，反過來可以促成基本頂沿充填體邊緣切頂，使側(cè)向頂板及時及早垮冒，從而形成對巷道維護(hù)有利的外部結(jié)構(gòu)環(huán)境，減緩巷道的動載，沿空留巷很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，因此，早撐、早強、大剛度的巷幫充填墻體是沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù)[2，6].

對于較大采高的工作面實施沿空留巷，還需保證墻體在及時承載后具備足夠的穩(wěn)定性，避免在側(cè)向懸臂旋轉(zhuǎn)和殘留頂板二次破斷的過程中發(fā)生大量破裂以致傾斜失穩(wěn)，這是與常規(guī)中小采高沿空留巷的最大區(qū)別[7，8].

2.2 大骨料巷旁充填材料性能

留巷墻體充填材料的基本組分為水泥、粉煤灰、砂石骨料、復(fù)合外加劑和水，其主體原料均為來源廣泛的地方材料，并利用煤礦電廠發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰。

分別對CHCT膏體混凝土留巷充填材料、CHCT膏體混凝土留巷充填材料添加4 mm及添加30 mm碎石進(jìn)行泵送試驗。添加不同粒徑碎石的混凝土充填材料的強度測試結(jié)果見表1、2，由表1、2可以看出，CHCT膏體混凝土留巷充填材料添加30 mm碎石后抗壓強度提高約30%，可直接降低留巷充填材料成本費用約15%.

表1 添加4 mm碎石的混凝土充填材料強度指標(biāo)表

表2 添加30 mm碎石的混凝土充填材料強度指標(biāo)表

國產(chǎn)混凝土泵對大骨料混凝土的泵送能力優(yōu)越，能夠?qū)崿F(xiàn)30 mm以內(nèi)的大骨料混凝土充填材料連續(xù)泵送。選用方圓HBMD40-10-110S礦用充填泵，采用30 mm大骨料混凝土充填，顯著提高了墻體的承載能力，保證了強擾動環(huán)境中充填體的整體穩(wěn)定性。2.3 充填體載荷計算

工作面推過之后，頂板急劇下沉，在巷旁充填墻體的阻止下，旋轉(zhuǎn)下沉巖梁在采空區(qū)側(cè)某處達(dá)到了極限力矩而折斷，而頂板巖層斷裂后形成的側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)則成為充填體的主要施載體(圖1)[4]. 在充填材料與承載能力確定的條件下，墻體穩(wěn)定的前提是其承受的最大壓力小于墻體的承載能力，即σ≤[σ][9].將頂板巖層摩擦力作為安全儲備，同時把懸伸的頂板巖層看成梁，梁上的載荷均勻分布，則可以得到：

圖1 沿空留巷力學(xué)模型圖

(1)

式中：

γi—巖層分層的體積力；

hi—分層懸梁厚度；

Li—頂板巖層懸臂總長度；

l—頂板斷裂線至巷道煤幫距離；

k—安全系數(shù)；

σ—充填體載荷；

B—沿空留巷寬度；

x—充填墻體寬度。

于是可以得出：

(2)

可見，采空側(cè)頂板巖層的懸臂長度越長、工作面的采高越高、巷旁墻體的承載能力越小，則墻體的寬度需求越高。其中，頂板巖層側(cè)向懸臂長度可以按照下式確定:

(3)

式中：

S—工作面的長度；

L′—采場基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄啵?/p>

H—基本頂?shù)暮穸龋?/p>

Rt—基本頂?shù)目估瓘姸龋?/p>

Q—基本頂單位面積承受的載荷。

將工作面長、垮落帶頂板分層厚度、充填墻體承載強度等參數(shù)代入上式，計算得出x=3.14 m，即巷旁充填墻體的寬度不應(yīng)小于3.14 m.

3 不同寬度墻體承載特性模擬分析

數(shù)值計算方法作為一種解決采礦與巖土力學(xué)問題的有力工具，在解析存在困難的時候，有著突出的優(yōu)越性，它可以考慮眾多的影響因素，進(jìn)行多方案的快速比較，在參數(shù)敏感性分析中具有明顯優(yōu)勢，同時有的軟件還具有強大的前處理和后處理功能，顯著提高了輸入和輸出結(jié)果的可視化程度。FLAC3D是基于有限差分的巖土體模擬軟件，具有計算精度高、速度快等特點，在礦山工程中得到了廣泛應(yīng)用[10].利用FLAC3D對巷旁支護(hù)高水材料充填體的寬度進(jìn)行對比分析，為充填體寬度的確定提供依據(jù)和參考，并驗證理論計算的合理性。

3.1 計算模型

數(shù)值計算模型模擬煤層厚度3.0 m，計算模型尺寸為長×寬×高=185 m×100 m×56 m，上邊界載荷按采深430 m計算，底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，巷道寬×高=4.5 m×3.0 m(中線)，巷道支護(hù)參數(shù)按照井下實際參數(shù)選取。數(shù)值計算模型見圖2，3.

圖2 數(shù)值計算模型圖

圖3 模型網(wǎng)格圖

模擬基于錨桿索支護(hù)形式，主要針對留巷回采期間采用不同的墻體寬度分別進(jìn)行模擬分析，比較當(dāng)墻體寬度為2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m時墻體的承載與變形、破壞的特征，從而得出墻體最優(yōu)寬度。

3.2 模擬結(jié)果及分析

采用2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m 4種不同寬度的充填墻體，留巷后圍巖應(yīng)力分布特征見圖4.

圖4 不同墻體寬度巷道圍巖應(yīng)力分布圖

由圖4可得出以下結(jié)論：

1) 就沿空留巷而言，應(yīng)力分布特征存在一致性，即在充填體上方頂板巖層和實體煤側(cè)深部及上方巖層水平應(yīng)力較高，數(shù)值在25 MPa以上，而巷道直接頂淺部由于松散破碎嚴(yán)重，應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力值較低；垂直應(yīng)力主要集中分布在充填墻體內(nèi)部及上方頂板以及實體煤側(cè)深部及上方巖層中，數(shù)值達(dá)到20 MPa以上。

2) 采用2.5 m寬度墻體留巷后，其頂板巖層出現(xiàn)較大的水平應(yīng)力，且應(yīng)力分布向?qū)嶓w煤側(cè)及其頂板巖層延伸，至距巷道4 m處出現(xiàn)應(yīng)力最大值，最大應(yīng)力值達(dá)到50 MPa以上；受頂板活動的影響，承載墻體中部出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值可達(dá)22 MPa，而實體煤側(cè)距巷道5 m處最大應(yīng)力值則達(dá)到30 MPa以上。

3) 采用3.0 m寬度墻體留巷后，墻體內(nèi)水平應(yīng)力較小，仍以受垂直壓力為主，頂板應(yīng)力分布也較2.5 m墻體有所緩和。

4) 采用3.5 m寬度的墻體，留巷后應(yīng)力值未發(fā)生明顯變化，但應(yīng)力集中區(qū)域則有較為明顯的減小，實體煤側(cè)應(yīng)力進(jìn)一步向深部轉(zhuǎn)移。

5) 采用4.0 m寬度墻體留巷后，墻體內(nèi)并未出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，而其上方頂板由于受采空區(qū)頂板旋轉(zhuǎn)擠壓的影響，水平應(yīng)力較大。需要注意的是，此時墻體內(nèi)部及頂板的應(yīng)力集中區(qū)域與采用3.5 m墻體時相比有所擴大，且開始向底板巖層轉(zhuǎn)移。墻體內(nèi)垂直應(yīng)力最大達(dá)25 MPa，出現(xiàn)于形變較小的中部，實體煤幫垂直應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移至煤體深部距巷道5.5 m以外，最大值達(dá)30 MPa.

巷道兩幫及底板的變形量對比見圖5～7.

圖5 留巷墻體側(cè)表面變形量對比圖

圖6 留巷非回采幫表面變形量對比圖

圖7 留巷底鼓量對比圖

從圖5～7中的曲線可以看出，留巷的實體煤幫的變形量受墻體寬度變化的影響較小，而巷道墻體側(cè)和底板的變形受其影響則較大。墻體側(cè)巷幫的變形量隨著墻體寬度的增加有較為明顯的減小，當(dāng)墻體寬度由3.0 m增加至3.5 m時，變形值減小的幅度較大。同樣，當(dāng)墻體寬度由3.0 m增加至3.5 m時，底鼓量減小的幅度也較采用其它寬度的墻體時大。

由此可以認(rèn)為，沿空留巷充填墻體寬度的變化對巷道圍巖的應(yīng)力分布與變形有較為明顯的影響，隨著墻體寬度的增加，巷道圍巖應(yīng)力與變形均有所改善。同時，墻體寬度應(yīng)存在1個最優(yōu)值，當(dāng)寬度小于最優(yōu)值時，墻體寬度的增加可明顯改善巷道圍巖的應(yīng)力與變形，而當(dāng)墻體寬度大于最優(yōu)值時，這種僅靠增加墻體寬度而使巷道維護(hù)狀況得到改善的作用便不再明顯。根據(jù)以上對數(shù)值模擬結(jié)果的各種分析，可以確定墻體寬度的最優(yōu)值應(yīng)為3.0～4.0 m.

4 現(xiàn)場試驗及沿空留巷圍巖控制效果分析

4.1 沿空留巷參數(shù)

通過模擬分析，充填體內(nèi)所受到的最大垂直應(yīng)力平均為15～25 MPa，而根據(jù)支護(hù)體載荷計算以及充填材料的強度試驗，其最大承載極限可達(dá)到22 MPa以上，力學(xué)計算得到巷旁墻體寬度不應(yīng)小于3.14 m，參照工程類比無煤柱開采經(jīng)驗，一般充填留巷墻體寬度與采高比在1～1.5，本次24207工作面為3#、4#煤層合并開采，留巷墻體高度∈(3.5～4.2 m)，綜合安全系數(shù)等多種因素最終確定本工作面留巷充填墻體寬度為4.0 m，高度與工作面采高相同。

4.2 巷道礦壓觀測

為了觀測在24207工作面沿空留巷期間圍巖活動規(guī)律，考察巷道圍巖變形和充填體的變形，研究支護(hù)參數(shù)的合理性，在沿空留巷過程中設(shè)置相應(yīng)的測站，對巷道表面位移、巷旁充填體變形進(jìn)行觀測。

測站布置于工作面后方0～260 m，觀測工作與回采同步進(jìn)行，在留巷充填長度達(dá)到220 m時統(tǒng)一安裝，并及時進(jìn)行觀測。在回采期間，測站多次受巷內(nèi)施工影響，遭到破壞后，在原有測站的基礎(chǔ)上重新施工短錨桿繼續(xù)觀測。24207沿空留巷兩幫變形量-距工作面距離曲線圖，頂?shù)滓平?距工作面距離曲線圖分別見圖8，9.

圖8 24207沿空留巷兩幫變形量-距工作面距離曲線圖

由圖8和圖9可以看出：1) 頂?shù)鬃冃纬掷m(xù)周期大于兩幫，但劇烈程度小于兩幫。2) 底鼓量大于頂

板下沉量，底鼓量占頂?shù)滓平偭康?8%，符合沿空留巷的圍巖變形規(guī)律。3) 頂?shù)鬃畲笠平繛?97 mm，頂板未出現(xiàn)劇烈下沉和明顯開裂，底板也未出現(xiàn)過大底鼓，表明采用的充填體寬度能適應(yīng)此類開采條件下的沿空留巷工程。

巷道周邊變形情況總體為兩幫的最終變形量665 mm、頂?shù)鬃畲笠平繛?97 mm，變形穩(wěn)定后巷道斷面可維持在7.9 m2以上。

5 結(jié) 論

通過分析大斷面沿空留巷充填體支護(hù)機理，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬研究得出沿空留巷充填體的合理寬度并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗，得出以下結(jié)論。

1) 通過頂板活動過程中巷旁墻體作用的分析，提出了對巷旁充填墻體的技術(shù)要求；建立了沿空留巷力學(xué)模型并計算得出了巷旁墻體參數(shù)的確定方法。

2) 利用巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D進(jìn)行了不同寬度沿空留巷充填體作用下，巷道圍巖變形及充填體承載特征的模擬研究。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，充填體寬度為3.0～4.0 m時，能兼顧留巷穩(wěn)定性和提高經(jīng)濟效益的要求。

3) 在24207膠帶巷現(xiàn)場試驗，通過現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，得到巷道圍巖的變形情況，兩幫的最終變形量665 mm、頂?shù)鬃畲笠平繛?97 mm，變形穩(wěn)定后巷道斷面可維持在7.9 m2以上。未出現(xiàn)劇烈變形，說明所采用的充填墻體寬度能滿足圍巖控制的要求。

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Numerical Simulation Study of Filling Body Bearing Characteristics in Large Section Gob-side Entry Retaining

ZHAO Li, WEN Hua

Shaqu Mine is a high-gas coal mine, the traditional U+L type ventilation has the phenomenon of frequent gas outburst and local gas accumulation in working face. In order to realize without coal pillar mining, increase the coal output rate, and reduce the gas content in the coal mining face, the test of gob-side entry retaining is carried out in 24207 working face. The function mechanism of gob-side entry retaining filling body beside roadway is studied by theoretical analysis, and the technical requirements of filling body beside roadway are put forward. The mechanics model of gob-side entry retaining roof is established. On this basis, bearing characteristics of filling wall is ensured, the reasonable filling width under the conditions of the geological conditions of the test roadway is preliminarily determined. The numerical simulation software FLAC3D is used to study the load-bearing characteristics of the filling walls with different widths. By comparing and analysis the force and deformation of gob-side entry retaining wall, the reasonable width of the filling wall is determined to be 3.0～4.0 m. Industrial test is carried out in 24207 working face conveyor tunnel side, by mine pressure observation of roadway deformation situation for a long time, the result shows that the deformation of roadway surrounding rock is well controlled, which can provide the basis for the design and implementation of gob-side entry retaining under similar conditions.

Gob-side entry retaining; Filling body beside roadway; Bearing characteristics; Numerical simulation software; Reasonable width; Industrial test; Support beside roadway

2016-05-21

趙 利(1973—)，男，山西清徐人，2012年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)，工程師，主要從事采煤管理工作

(E-mail)641159866@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)07-0019-06