綜采工作面沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

曹王建

【摘 要】 為確定沿空留巷巷旁充填體的合理寬度，本文以山西某礦N2105工作面地質條件為基礎，對沿空留巷巷旁充填體承載機理進行了分析，確定充填體采用水灰比為1.5∶1的高水材料。通過數(shù)值模擬的方法，對5種充填體寬度下圍巖應力與變形情況進行了分析，最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

【關鍵詞】 綜采工作面;沿空留巷;充填體;合理寬度

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）04-0006-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著煤炭資源的逐漸減少，許多礦井均面臨著煤炭資源枯竭的問題，為延續(xù)礦井生命，提高煤炭資源的回收率，沿空留巷開采技術開始在許多礦井進行普及。沿空留巷開采技術具有著明顯的優(yōu)點，其可以減少煤礦巷道掘進工程量，解決工作面采掘接替緊張，實現(xiàn)Y型通風，并且有效提高礦井資源回收率。目前沿空留巷多采用充填材料作為巷旁支護體，但由于礦井煤層周圍條件的差異性，充填體的寬度選擇有很大區(qū)別。為確定合理的充填體寬度，本文以山西某礦大采高綜采工作面沿空留巷條件為基礎，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的方法對充填體的合理寬度進行了研究，研究結果可為相似條件工作面提供一定的借鑒。

1工程背景

山西某礦N2105開采煤層為3號煤，煤層厚度平均為6.3m，煤層傾角較小，平均為1.5°，煤層埋深在550～600m范圍內。為提高工作面煤炭資源的回收率，N2105工作面采用沿空留巷開采技術，N2105工作面軌道巷為工作面所留巷道，巷道寬度為4.5m，采用充填體作為巷旁支護體。工作面巷道分布情況如圖1所示。

2巷旁支護體作用機理分析

工作面在推進過程中，巷旁支護體在其后側逐段地進行布置，因此巷旁支護體對巷道采空區(qū)一側的頂板有著重要的支撐作用。其作用機理主要為：

（1）在充填體留設初期，由于其具有著較高的支撐能力，一方面充填體可維持巷道內頂板的穩(wěn)定，對頂板巖層進行支撐，另一方面充填體對頂板的作用力可切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的聯(lián)系，起到一定的切頂作用。

（2）在沿空留巷中期，頂板下沉會產(chǎn)生較大的載荷，由于充填體具有一定的塑性能力，充填體在出現(xiàn)塑性變形后，可將頂板對充填體的載荷轉移至采空區(qū)內冒落的矸石上，從而減輕頂板載荷對巷道內支護體的破壞作用。

為實現(xiàn)上述兩種作用效果，充填體必須有著較高的強度，基于此情況，結合N2105工作面巷道的條件，本次巷旁充填體選擇高水充填材料，充填時水與材料的比例設計為1.5∶1。高水材料相比較于過去使用的水泥，其有著較多的優(yōu)點。高水材料充填體在初期具有著較快的凝固速度，其強度可通過配比進行調節(jié)，此外高水材料充填體有著較好的塑性變形能力，即使在出現(xiàn)較大的塑性變形后，充填體的殘余強度依舊較高，因此高水材料充填體能夠滿足N2105工作面沿空留巷的要求。

3巷旁充填體合理寬度數(shù)值模擬

3.1模型建立

為確定合理的充填體寬度，本節(jié)以N2105工作面及周圍巷道的地質條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行模擬，分析巷旁充填體在不同寬度下的應力與變形情況。

根據(jù)N2105工作面地質條件，進行數(shù)值模擬的模型煤層底板厚度為33m，煤層厚6.3m，頂板厚度50m，因此模型高度為89.3m。N2105工作面的長度取一半為80m，在工作面旁為充填體，充填體寬度共設計5個方案，分別為1.0m、1.2m、1.5m、1.8m、2.0m，在充填體旁為軌道巷，巷道的寬度為5m，高度為3.2m，沿煤層底板掘進，巷道另一側邊界取為80m，可得模型的長度分別為161.0m、161.2m、161.5m、161.8m、162m，工作面的推進長度設為100m，因此模型厚度為100m，數(shù)值模型如圖3所示。模型的底面與四周均設為固定邊界，頂面設為應力邊界。

數(shù)值模型建立完畢后，首先開挖工作面軌道巷，然后再開挖工作面，工作面每次推進距離為5m，在工作面推進后加入充填體，充填體滯后工作面5m。

3.2模擬結果分析

（1）充填體承載應力分析

圖3為5種不同充填體寬度下巷道周圍巖體的應力分布圖。隨著充填體寬度的增加，充填體承受的應力峰值在不斷地增大，但增大幅度隨著充填體寬度的增大在逐漸減小。當充填體寬度為1.2m時，應力峰值是1.0m的1.84倍;充填體寬度為1.5m時，應力峰值是1.2m的1.51倍;充填體寬度為1.8m時，應力峰值是1.5m的1.10倍;充填體寬度為2.0m時，應力峰值是1.8m的1.06倍。從上述充填體承載應力情況說可以看出，1.5m的充填體寬度是其承載應力的過渡值，因此采用1.5m的充填體寬度一方面可為頂板提供足夠的支撐力，一方面可節(jié)省一定的經(jīng)濟成本。

（2）充填體變形量分析

圖4為工作面推進過程中，巷道頂?shù)装迮c兩幫在不同充填體寬度下的變形情況。從圖中可以看出，不同充填體寬度下，巷道圍巖變形的差異主要表現(xiàn)在頂板以及充填體兩方面，其中頂板下沉量隨著充填體寬度的增大逐漸減小，但當充填體的寬度大于1.5m后，變形逐漸穩(wěn)定;充填體的變形量同樣在寬度大于1.5m后開始穩(wěn)定。該結果表明，當充填體的寬度大于1.5m，其對巷道圍巖的控制效果逐漸趨于一致，因此充填體寬度為1.5m時較為合適。

綜合上述數(shù)值模擬中充填體在不同寬度下承受應力以及圍巖變形情況，1.5m的充填體既可以提供較高的支撐力，又能夠減少巷道圍巖的變形，因此最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

4結論

本文以山西某礦N2105工作面沿空留巷地質條件為基礎，采用理論分析與數(shù)值模擬的方法，對巷旁充填體對頂板的作用機理以及合理寬度進行了研究，確定工作面沿空留巷巷旁充填體采用水灰比為1.5∶1的高水材料，材料與水比例為1∶1.5。通過對比5種充填體寬度下巷道圍巖應力與變形情況，得到當充填體寬度為1.5m時，其既可以提供較高的支撐力，又能夠減少巷道圍巖的變形，因此最終確定N2105工作面沿空留巷充填體寬度為1.5m。

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