堅(jiān)硬頂板下沿空留巷巷旁充填體合理寬度研究

魏 飛

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104）

無煤柱開采技術(shù)在被推廣以來往往作為最優(yōu)方案進(jìn)行應(yīng)用，它解決了窄煤柱護(hù)巷過程中巷道維護(hù)困難、安全威脅大、維護(hù)成本高等問題；同時(shí)寬煤柱護(hù)巷過程中煤炭資源損失浪費(fèi)的問題也得到了極大改善。無煤柱開采主要包括沿空留巷與沿空掘巷兩種技術(shù)，而沿空留巷又因其資源回收率高，通風(fēng)效果良好等優(yōu)點(diǎn)更是被廣泛接受。但在應(yīng)用過程中巷旁支護(hù)系統(tǒng)的選擇又成為一個(gè)新的課題。煤炭科技工作者就此開展了大量的科研工作，尤其是在巷旁支護(hù)體材料的選擇上收獲了豐碩成果。梁登勇、任智敏等[1-2]選擇利用混凝土隔墻作為高強(qiáng)度的巷旁支護(hù)，這種支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度高，能夠最大程度地控制巷道變形，降低了巷道的維護(hù)費(fèi)用。但因其成本較高，加之工序較為復(fù)雜，且早期強(qiáng)度低等缺點(diǎn)而被逐步淘汰。隨著膏體充填技術(shù)的不斷成熟，充填膏體巷旁支護(hù)技術(shù)成為當(dāng)前沿空留巷支護(hù)系統(tǒng)的首選方式，專家學(xué)者也就此進(jìn)行了大量工程實(shí)踐及科學(xué)研究。柏建彪等[3]通過對(duì)沿空留巷充填體運(yùn)用力學(xué)分析建立了充填體力學(xué)模型，得到在不同條件下巷道的支護(hù)體支護(hù)阻力及合理留設(shè)寬度。王曉虎等[4]利用關(guān)鍵層理論，對(duì)影響巷旁充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵塊進(jìn)行了理論計(jì)算，并建立了力學(xué)模型，探究了充填體的合理寬度。陳勇、張東升等[5-6]綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬及現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，對(duì)充填體與圍巖相互作用進(jìn)行了深入研究，得到了充填體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制與變形特征并對(duì)充填體的寬度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。謝文兵等[7]研究分析了不同寬高比條件下巷旁充填體支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出充填體的寬高比在0.8 時(shí)能夠發(fā)揮最大的支護(hù)效果。張鎮(zhèn)[8]則通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)深部條件下巷旁支護(hù)體寬度進(jìn)行了深入探究，認(rèn)為深部條件下充填體的寬高比應(yīng)不小于1。在沿空留巷充填支護(hù)體的設(shè)計(jì)方面盡管已經(jīng)卓有成效，但對(duì)其寬度的計(jì)算研究較少，特別是對(duì)煤層堅(jiān)硬頂板條件下，常規(guī)方法計(jì)算確定的充填支護(hù)系統(tǒng)難以有效維護(hù)。因此，煤層堅(jiān)硬頂板條件下充填支護(hù)體寬度的合理設(shè)計(jì)研究對(duì)于礦井安全高效生產(chǎn)而言也就迫在眉睫。本文以山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司4102 綜放工作面為工程背景，綜合運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下充填體合理寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以保證礦井生產(chǎn)的正常進(jìn)行，也能為條件相似礦井提供技術(shù)參考。

1 工程地質(zhì)概況

4102 綜放工作面地面標(biāo)高+1376.2～+1408 m，井下標(biāo)高+1120～+1140 m，平均埋深256 m，工作面走向長(zhǎng)1195.5～1214.1 m，平均長(zhǎng)1204.8 m，傾向長(zhǎng)148.5 m，平均煤厚為5.38 m，傾角1°～4°，平均3°，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂為厚15.37 m 的中、細(xì)砂巖，普氏系數(shù)為8，老頂為厚12.28 m 的粗、中砂巖，普氏系數(shù)為7.7，屬堅(jiān)硬頂板，直接底為泥巖，厚1.3 m。該工作面巷道支護(hù)形式為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),在工作面回采前對(duì)留巷預(yù)先進(jìn)行加固。巷旁充填體材料為高強(qiáng)度膏體充填材料，并在充填體兩側(cè)布設(shè)鋼筋進(jìn)行加固處理。

2 巷旁充填體合理寬度力學(xué)計(jì)算

隨工作面開采，堅(jiān)硬頂板巖層狀態(tài)不斷發(fā)生變化，巷旁充填體支護(hù)阻力隨頂板巖層狀態(tài)變化不斷變化，因此在進(jìn)行支護(hù)體寬度設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮頂板應(yīng)力狀態(tài)，分別從支護(hù)初期及支護(hù)后期兩個(gè)時(shí)段對(duì)充填體寬度進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。

（1）支護(hù)初期

在沿空留巷初期，基本頂由于下位巖體能夠提供有效支撐尚未發(fā)生破斷，充填支護(hù)體僅 支承附近破斷直接頂，見圖1。此時(shí)巷旁充填體受力情況見圖2，其受力計(jì)算見式（1）。

圖1 支護(hù)初期充填體承載

圖2 支護(hù)初期充填體力學(xué)模型

式中：Pz1為充填體支護(hù)阻力，MPa；χ0為實(shí)體煤支撐段，一般取巷道寬度4 倍，m；c 為巷道寬度，m；m 為煤層厚度，m；n 為采高倍數(shù)；γ0為直接頂巖石容重；α1為充填體寬度，m。

因此，在留巷初期為充填體能夠穩(wěn)定發(fā)揮支護(hù)效果，充填體的受力應(yīng)滿足式（2）

式中：σ1為充填體初期強(qiáng)度。

由式（2）可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（3）所示條件。

（2）支護(hù)后期

當(dāng)控頂范圍達(dá)到一定程度，基本頂發(fā)生破斷，此時(shí)充填體外側(cè)支撐阻力增大，此時(shí)充填體承載見圖3，受力簡(jiǎn)圖見圖4。此時(shí)支護(hù)阻力可用式（4）進(jìn)行求解。

圖3 支護(hù)后期充填體承載

圖4 支護(hù)后期充填體力學(xué)模型

式中：Pq為切頂阻力，MPa；h 為直 接頂厚度，m；Nc為空區(qū)側(cè)剪應(yīng)力，MPa；t0為回轉(zhuǎn)時(shí)間，h；δy 為煤體支護(hù)阻力，MPa；Tc 為沿巖層方向的推力，kN；ΔSB為基本頂跨落前懸臂梁前端下沉量，m；q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重；a2為充填體寬度，m。

因此，在支護(hù)后期的充填體受力應(yīng)滿足式（5）。

式中：σ2為充填體最終強(qiáng)度。由式（5）可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式（6）條件。

將工作面與充填體相關(guān)參量帶入到式（3）、（6）對(duì)支護(hù)體寬度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算求得4102 綜放工作面巷旁充填體寬度范圍為1.8～4.15 m。

3 巷旁充填體合理寬度確定

通過力學(xué)計(jì)算初步得到了充填體的合理寬度范圍，為進(jìn)一步確定巷旁充填體的合理寬度，運(yùn)用FLAC3D模擬軟件對(duì)不同充填體寬度條件下的應(yīng)力分布特征及變形情況進(jìn)行深入研究分析，以期確定充填體的最優(yōu)寬度。

3.1 數(shù)值模型的建立

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)所選區(qū)域采礦地質(zhì)條件，建立如圖5所示的數(shù)值模型，模型幾何尺寸為400 m（長(zhǎng)）×1300 m（寬）×300 m（高），模擬地層主要參數(shù)為：煤層厚5.38 m，埋深256 m。根據(jù)計(jì)算分析的需要，同時(shí)考慮計(jì)算效率，對(duì)巖層厚度及性質(zhì)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：選取的巖層傾角較小，因此在進(jìn)行建模分析時(shí)，巖層按照水平布置；在網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)采取了非均勻劃分，在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集，遠(yuǎn)離煤層的巖層網(wǎng)格劃分較為稀疏。模型建立后，模型頂部為自由面，在水平方向的四個(gè)邊界施加水平方向的位移約束，并限制底部垂直方向位移。充填體寬度根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果分別取2 m、3 m、4 m。

圖5 數(shù)值模型

本次數(shù)值模擬采用模型為庫倫—摩爾模型。模擬過程中模型各層位巖石的力學(xué)參數(shù)來自現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)后獲得的參數(shù)，主要包括密度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度等，具體取值見表1。

表1 各巖層巖性參數(shù)

3.2 巷旁充填體合理寬度的確定

（1）不同寬度條件下充填體變形情況

圖6為不同寬度條件下支護(hù)體變形情況。可以看出，當(dāng)充填體寬度為2 m 時(shí)變形最大，3 m 時(shí)次之，4 m 時(shí)最小。并通過對(duì)充填體水平及垂直位移云圖見圖7、圖8，發(fā)現(xiàn)充填體寬度為2 m、3 m、4 m 時(shí)，其最大水平位移分別為1.20 m、0.67 m、0.26 m，垂直位移為分別為1.34 m、0.73 m、0.19 m，由此可知，隨寬度的增加充填體支承能力提高，水平、垂直變形逐漸減小，在合理寬度范圍內(nèi)4 m的支護(hù)體寬度對(duì)于巷道維護(hù)最有利。

圖6 不同寬度條件下支護(hù)體變形情況

圖7 不同寬度條件下支護(hù)體x 向水平位移云圖

圖8 不同寬度條件下支護(hù)體垂直位移云圖

（2）不同寬度條件下充填體應(yīng)力分布特征

通過提取充填體不同時(shí)段的垂直應(yīng)力曲線，見圖9，發(fā)現(xiàn)寬度為2 m 時(shí)在支護(hù)初期充填體垂直應(yīng)力為1.5 MPa，隨時(shí)間推移，垂直應(yīng)力出現(xiàn)先升高后下降的現(xiàn)象，當(dāng)最終垂直應(yīng)力穩(wěn)定在1.0 MPa時(shí)，基本不再發(fā)生變化；寬度為3 m、4 m 的曲線與其相類似，但在承載過程中出現(xiàn)了兩次升高，最終垂直應(yīng)力分布穩(wěn)定在2.75 MPa、3.14 MPa。由此可知在支護(hù)初期充填體能夠較好地發(fā)揮支護(hù)能力，支護(hù)效果良好，當(dāng)基本頂發(fā)生斷裂后，支護(hù)體承擔(dān)的重量增加，其垂直應(yīng)力增加。由于支護(hù)體本身強(qiáng)度并不高，隨支護(hù)阻力增加，支護(hù)體被壓縮承載能力下降，但隨著上覆巖層觸矸其支護(hù)阻力不再發(fā)生變化，且支護(hù)體寬度越大，承載能力越強(qiáng)，因此，在合理寬度范圍內(nèi)，選擇4 m 支護(hù)體寬度能夠發(fā)揮最佳的承載能力。

圖9 不同寬度條件下支護(hù)體垂直位移云圖

5 結(jié)語

1）通過理論分析對(duì)4102 綜放工作面沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度進(jìn)行了分析研究，分別建立了支護(hù)早期和支護(hù)后期的力學(xué)模型，并通過計(jì)算得到在堅(jiān)硬頂板下巷旁充填體寬度的合理范圍為1.8～4.15 m。

2）依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選取支護(hù)體寬度為2 m、3 m、4 m，運(yùn)用FLAC3D模擬軟件分別對(duì)不同支護(hù)體寬度條件下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明，支護(hù)體寬度為4 m 時(shí)，支護(hù)體變形量最小且其支護(hù)效果最佳。因此，確定該工作面巷旁充填支護(hù)體的合理寬度為4 m。

參考文獻(xiàn)著錄格式及示例（1）

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