堅硬頂板沿空留巷巷旁充填體合理寬度確定研究

張青春

【摘 要】 巷旁充填體寬度是沿空留巷巷道一個重要參數(shù)，不同圍巖條件下，巷旁充填體合理寬度各不相同。山西某礦頂板為砂巖，屬于堅硬頂板，通過采用數(shù)值模擬技術(shù)手段對2.0m～3.5m充填體寬度下的圍巖受力及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，綜合確定3.0m充填體寬度時圍巖應(yīng)力及變形均在合理范圍內(nèi)，在確保留巷穩(wěn)定前提下可以減少礦井留巷投入及作業(yè)人員勞動強(qiáng)度。現(xiàn)場試驗結(jié)果也表明，充填體材料選用CHCT膏體混凝土并添加3cm碎石、鋼筋網(wǎng)，留設(shè)3.0m寬度可以有效對留巷圍巖進(jìn)行控制，確保巷道使用安全，滿足礦井高效生產(chǎn)需要。

【關(guān)鍵詞】 堅硬頂板;沿空留巷;充填體;圍巖變形;合理寬度

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）06-0010-03

沿空留巷是煤礦實現(xiàn)無煤柱開采的重要手段，不僅可以提升煤炭采收率，而且可以降低巷道掘進(jìn)效率，同時還可以消除留設(shè)煤柱對下方煤層開采時造成的應(yīng)力集問題。巷旁充填結(jié)構(gòu)是沿空留巷的重要組成單元，其寬度是否合理直接關(guān)系到是否能成功留巷。巷旁充填體寬度過大，會增加礦井生產(chǎn)成本以及作業(yè)人員勞動強(qiáng)度;充填體寬度過窄則會使沿空留巷巷道圍巖穩(wěn)定性降低，增加留巷難度。堅硬頂板易積聚大量的能量，沿空巷道受動壓影響，頂板易垮落釋放巨大的能量，影響巷道的安全掘進(jìn)。文中以山西某礦12306沿空留巷巷旁充填體留設(shè)為研究對象，采用數(shù)值模擬技術(shù)手段，對不同寬度充填體內(nèi)應(yīng)力、圍巖變形等參數(shù)進(jìn)行分析，以期能確定合理充填體寬度，為后續(xù)礦井生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。

1 工程概述

12306沿空留巷工作面埋深在370m～430m間，平均埋藏深度在395m，采面設(shè)計斜長215m，走向長度為679m，開采3號煤層，煤層平均厚度在4.12m，傾角在3～8°，平均約5°。3號煤層直接頂為厚度在1.2m左右粉砂巖，硬度（f值）在6左右;基本頂為厚度5.3m中砂巖，硬度（f值）在7.5。3號煤層直接頂、基本頂硬度均較大，屬于堅硬頂板;直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度值在3.7m左右。12306回采工作面開采采用綜采方式，回采巷道掘進(jìn)期間采用錨網(wǎng)鎖聯(lián)合支護(hù)形式，回采前預(yù)先對留巷巷道進(jìn)行加固。具體的煤層頂?shù)装甯鲙r層如表1所示。

2模擬分析

采用FLAC軟件對不同的巷旁充填體寬度下的巷道圍巖變形、充填體內(nèi)應(yīng)力分布等進(jìn)行分析，模擬分析的充填體寬度分別為2m、2.5m、3m以及3.5m。根據(jù)沿空巷道地質(zhì)條件，模型網(wǎng)格劃分為380m×464m×45m的力學(xué)模型，材料參數(shù)如表2所示，垂直方向施加5.5MPa應(yīng)力，水平側(cè)壓系數(shù)為1。

2.1不同充填體寬度下沿空留巷巷道體形變化

具體的不同充填體寬度下沿空留巷巷道體形變化直觀圖如圖1所示。

從圖1可以看出，充填體寬度在2m～2.5m間時，巷旁充填體出現(xiàn)較大變形，留巷體系整體穩(wěn)定性較差;當(dāng)充填體寬度在3.0m～3.5m時，充填體變形量、巷道頂板下沉量以及煤壁變形量等均較小，整個沿空留巷體系能夠保持整體穩(wěn)定。

2.2不同寬度充填體內(nèi)垂直應(yīng)力分布

具體不同寬度充填體內(nèi)垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

從圖中可以看出，隨著充填體寬度增加，充填體內(nèi)的高應(yīng)力承載區(qū)范圍以及最大承載能力都隨之變大。

當(dāng)充填體寬度從2.5m增大至3.0m時，巷旁充填體內(nèi)最大垂應(yīng)力從9.1MPa增大至12.4MPa，垂向應(yīng)力增長幅度為36.8%;當(dāng)巷旁充填體寬度從3.0m增大至3.5m時，充填體內(nèi)垂向應(yīng)力從12.4MPa增大至14.2MPa，充填體內(nèi)應(yīng)力增長幅度僅為14.5%。充填體內(nèi)垂向最大應(yīng)力隨充填體寬度變化表明，巷旁充填體增加到一定寬度后，充填體可以承受較大支持壓力且不出現(xiàn)較大變形。

2.3不同充填體寬度下實體煤幫垂向應(yīng)力分析

具體不同充填體寬度下實體煤幫垂向應(yīng)力變化情況如圖3所示。

從圖中可以看出，實體煤幫在距離煤壁3m距離時開始出現(xiàn)較高垂向應(yīng)力，隨著充填體寬度不斷增加，距煤壁3m位置處的垂向應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸降低趨勢。當(dāng)充填體寬度從2.5m增加至3.0m時，實體煤幫距煤壁3.0m位置處的垂向應(yīng)力值從23MPa降低至16MPa，垂向應(yīng)力降低幅度約為28%;當(dāng)充填體寬度從3.0m增加至3.5m時，實體煤柱側(cè)距離煤壁3m位置處的垂向應(yīng)力從16MPa降低至15MPa，降低幅度為6.7%。表明，充填體寬度為3.0m時可以給巷道頂板提供加大支撐力，從而使得巷道上覆基本頂受力趨于均衡，可以降低基本頂彎曲下沉給煤幫側(cè)帶來的應(yīng)力集中程度。

2.4不同充填體寬度下巷道頂板及充填體下沉量分析

具體不同充填體寬度下巷道頂板及充填體下沉量變化情況如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)充填體寬度達(dá)到一合理范圍時，巷道頂板及充填體垂向下沉量都出現(xiàn)快速降低趨勢。當(dāng)充填體寬度從2.5m增加至3.0m時，直接頂及充填體下沉量降低明顯，平均降低幅度約在40%;當(dāng)充填體寬度繼續(xù)增加時，直接頂及充填體下沉量降低幅度顯著降低，且直接頂及充填體垂向下沉量值均處于低位。這表明，充填體寬度在3m時，可以有效對巷道頂板巖層進(jìn)行支撐，提高巷道圍巖整體穩(wěn)定性及承載能力，充填體承受較大巷道頂板壓力時，可以保證自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不發(fā)生破壞。

2.5不同充填體寬度下充填體及實體煤幫側(cè)向位移變化分析

不同充填體寬度下充填體及實體煤幫側(cè)向位移變化情況見圖5。

從圖中可以看出，當(dāng)充填體寬度從2.5m增加至3.0m時，充填體側(cè)及實體煤側(cè)的側(cè)向位移量降低幅度明顯，平均達(dá)到36%;當(dāng)充填體寬度從3.0m增加至3.5m時，充填體側(cè)及實體煤側(cè)的側(cè)向位移量降低幅度平均值約為8%。表明充填體寬度為3m時可以對巷道兩幫側(cè)向位移量變化進(jìn)行控制，有效降低巷道整體變形量，確保巷道具有足夠的實用斷面。

3工業(yè)實踐

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，礦井采用3m寬充填體進(jìn)行工業(yè)試驗。巷旁充填選用CHCT膏體混凝土，并在混凝土內(nèi)適當(dāng)添加直徑在3cm碎石，為了提升巷旁充填材料強(qiáng)度及支撐能力，在充填墻體內(nèi)布設(shè)一定間距鋼筋網(wǎng)。為了驗證充填體對巷道支撐效果，在試驗段布置測點，對充填體內(nèi)的垂向位移及巷道圍巖變形情況進(jìn)行檢測，具體結(jié)果見圖6所示。

從圖6中可以看出，在巷道上覆基本頂出現(xiàn)彎曲下沉過程中，3m寬充填體可以給巷道頂板提供足夠的支撐力，充填體內(nèi)最大垂向應(yīng)力值為16MPa，與數(shù)值模擬中的充填體內(nèi)的垂向應(yīng)力值接近，充填體未出現(xiàn)破壞性變形;從巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果可以看出，在監(jiān)測期采面后方28m位置處，巷道頂板最大下沉量值為85mm，充填體最大垂向變形量值為139mm，實體煤幫及充填體幫總收斂量為151mm，巷道圍巖變形結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果整體相似?，F(xiàn)場工業(yè)試驗觀測結(jié)果表明，充填體采用巷旁充填體材料選用CHCT膏體混凝土并添加3cm碎石鋼筋網(wǎng)，留設(shè)3.0m寬度可以有效對留巷圍巖進(jìn)行控制，確保巷道使用安全。

4結(jié)論

頂板堅硬情況下沿空留巷巷道存在一個合理的巷旁充填體寬度，既可以滿足巷道圍巖控制需要，又可以降低井下作業(yè)人員勞動強(qiáng)度及礦井留巷投入。

選用合理的巷旁充填體寬度在確保充填體自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定前提下可以給巷道頂板提供足夠支撐，從而降低巷道頂板下沉量及實體煤幫位移量值;同時合理充填體寬度可以降低實體煤幫內(nèi)的最大垂向應(yīng)力值，避免應(yīng)力過大造成煤幫出現(xiàn)顯著破壞。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，12306沿空留巷采用3m寬充填體是合理的，現(xiàn)場工業(yè)試驗也表明，充填體材料選用CHCT膏體混凝土并添加3cm碎石、鋼筋網(wǎng)，留設(shè)3.0m寬度可以有效對留巷圍巖進(jìn)行控制，確保巷道使用安全，滿足礦井高效生產(chǎn)需要。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李衛(wèi)偉.沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].能源技術(shù)與管理，2019，44（5）：87-88.

[2]曹王建.綜采工作面沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2019，32（4）：6-8.

[3]李懷淵.綜放沿空留巷巷旁充填體設(shè)計研究[J].山西焦煤科技，2017，41（10）：37-40.

[4]岳煒.蘭花寶欣礦中厚煤層無巷旁充填沿空留巷技術(shù)與工程實踐[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

[5]黃士輝.沿空留巷巷旁充填支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017（1）：1-3.

[6]何風(fēng)貞，闞甲廣，楊森，等.堅硬頂板下沿空留巷巷旁充填體合理寬度優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2016，21（4）：56-59，72.

[7]孔明.沿空留巷巷旁充填體合理支護(hù)寬度分析研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2015.

[8]馮建斌.沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究[J].山西煤炭，2015，35（1）：55-57.