薄煤層沿空留巷巷旁充填體寬度模擬分析

李家卓，劉 杰，譚文峰，韓 偉

（1.山東科技大學，山東青島 266510;2.山東省滕州郭莊礦業(yè)有限責任公司錦丘煤礦，山東滕州 277500; 3.山東新巨龍能源有限責任公司，山東巨野 274918）

薄煤層沿空留巷巷旁充填體寬度模擬分析

李家卓1，劉 杰2，譚文峰3，韓 偉2

（1.山東科技大學，山東青島 266510;2.山東省滕州郭莊礦業(yè)有限責任公司錦丘煤礦，山東滕州 277500; 3.山東新巨龍能源有限責任公司，山東巨野 274918）

針對目前薄煤層沿空留巷特點，結(jié)合某礦具體條件，研究了一套包括膏體材料組分及配比、充填工藝、巷旁支護、巷內(nèi)支護在內(nèi)的一整套薄煤層沿空留巷技術，并運用數(shù)值模擬方法對巷旁充填體寬度進行了進一步研究，在該礦取得了較好的經(jīng)濟技術效果。研究結(jié)論對于類似條件下的薄煤層開采具有一定的參考價值。

薄煤層;沿空留巷;充填工藝;聯(lián)合支護;充填體寬度

沿空留巷就是在工作面后方沿采空區(qū)邊界維護住已經(jīng)使用過的回采巷道為下一區(qū)段煤層開采服務，該項技術已經(jīng)成為煤礦開采技術的一項重大改革。沿空留巷技術能夠?qū)崿F(xiàn)Y型通風方式、解決工作面瓦斯超限問題，還能具有合理開發(fā)煤炭資源、提高煤炭資源采出率、減少巷道掘進量、緩解采掘接替矛盾、防止孤島工作面產(chǎn)生、縮短搬家時間、防止發(fā)火等優(yōu)勢，對改善礦井技術經(jīng)濟效益、增強礦井安全生產(chǎn)極為有利［1］。但沿空留巷的穩(wěn)定性原理及其控制技術還不成熟，具有普遍適用性的規(guī)律有待于進一步探索，同時沿空留巷又存在頂板活動劇烈、頂板下沉量大、采空區(qū)有害氣體和積水易涌入巷道等問題。本文在研究留巷支護技術發(fā)展歷程的基礎上，提出了膏體材料巷旁充填沿空留巷新技術，可有效解決以上留巷的不足。

1 工作面概況

工作面開采標高為－385.5～－400.7m，走向和傾向長度分別為882m和150m，面積132300m2，平均采高0.85m。直接頂為灰黑色泥巖至泥質(zhì)粉砂巖，厚度0.94～5.5m?；卷敒榛遥野咨毶皫r，局部為中粒砂巖，厚3.0～7.0m，堅固性系數(shù)f=5～6。直接底為深灰色粉砂巖，厚度為1.2～1.6m，堅固性系數(shù)f=3.0。老底為淺灰－灰色細砂巖，厚度為4.8m，f=5～6.0。

該工作面采用單一走向長壁綜合機械化開采方法，割煤高度控制在1.2±0.2m，循環(huán)進尺0.6m。該工作面存在上隅角瓦斯積聚、工作面瓦斯含量超標、采掘接替緊張、煤炭采出率低等問題，嚴重影響礦井生產(chǎn)，為此，需要進行巷旁充填沿空留巷技術，實現(xiàn)礦井安全高效高采出率生產(chǎn)。

2 1705東軌道巷留巷方案

（1）為保持工作面留巷充填段頂板的完整性，減小懸臂頂板對充填體的壓力，在工作面上端頭超前主動支護，超前煤壁5m提前開幫，寬度為1.6m。采用錨桿、錨索、鋼帶及金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿采用φ18mm×1800mm的螺紋錨桿，錨索采用φ17.8mm×6500mm預應力錨索，呈三角布置，排距3m，托盤為工字鋼托盤，托盤長度800mm，鋼帶為可回收鋼帶，金屬網(wǎng)為菱形網(wǎng)，規(guī)格為1600mm×1600mm［2］。

（2）采用沈陽天安機械廠制造的充填支架充填，1號、3號支架當模板，2號支架當擋板，3個支架形成充填模板。

3 巷內(nèi)支護

巷道頂板需要加強支護［3－5］，選用φ20mm× 2000mm高強度錨桿，間排距0.8m×0.8m;幫錨桿選用 φ18mm×1800mm錨桿，間排距0.8m× 0.8m;錨索選用拉力不低于200kN的φ17.8mm× 6500mm錨索，排距 2.4m，距離巷道左右?guī)透?.8m;金屬網(wǎng)采用10號鐵絲編制成菱形網(wǎng)或方格網(wǎng);鋼帶使用普通新W型鋼帶或回收鋼帶。

支護斷面如圖1所示。

圖1 留巷支護斷面

4 巷旁支護

4.1 充填材料與設備

常用充填材料可分為3大類:惰性材料、膠凝材料和改性材料。巷旁充填體的組成成份為水和充填材料［1］。綜合考慮本礦情況選擇水泥作為膠凝材料，粉煤灰作為有膠凝性能的活性混合材料，矸石粉、砂子、瓜子石作為惰性材料，并加入了其他改性材料，按照表1配比制成巷旁充填材料。

表1 充填材料配比

工作面采用德國BSM1002E新型充填泵充填。在1705東運巷布置一充填泵對1705東上巷進行充填;另在1705東軌道巷安設一充填泵對1705東下巷進行充填。

4.2 充填工藝

巷旁充填系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 巷旁充填系統(tǒng)

（1）沿空留巷工藝流程 充填段超前開缺口→錨網(wǎng)帶支護、金屬鉸接頂梁支護→ 工作面正常割煤、移架→堆砌矸石墻，支設模板、充填 （達到充填步距2.4m時）。

（2）充填工藝流程 架棚清理→支?！鷶嚢栎斔汀涮钋逑础鹉?/p>

5 充填體寬度數(shù)值模擬

5.1 模型建立

計算模型坐標系，以垂直煤層回采方向為x方向;平行煤層回采推進方向為y方向，推進方向為正;以鉛直方向為z方向，向上為正，坐標系方向規(guī)定符合右手法則。

根據(jù)這一坐標系規(guī)定，計算模型沿x軸方向的長度約為105m，上區(qū)段工作面部分約75m，下區(qū)段工作面部分約30m;y方向的長度約為180m，沿z軸方向的高度為55m。煤巖層近似看作水平，煤層平均厚度取 1.3m，開采煤層平均埋深為400m。

模型的邊界條件設置為:在模型的四個側(cè)面采用法向約束，頂面為應力和位移自由邊界，施加垂直應力;底面為x，y，z全約束。建立模型 （x－z平面），如圖3所示。

圖3 計算模型（x－z平面）

單元總數(shù)為54000個，節(jié)點總數(shù)為58497個。整個模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計算模型

計算用煤巖層物理力學參數(shù)依據(jù)本礦煤、巖物理力學參數(shù)測試結(jié)果，充填體參數(shù)來源于實驗室力學試驗，參數(shù)見表2。

表2 煤巖層力學參數(shù)

5.2 模擬方案與結(jié)果分析

模擬方案為:Ⅰ巷旁充填體寬度1m;Ⅱ巷旁充填體寬度1.5m;Ⅲ巷旁充填體寬度2m。

（1）巷道兩幫水平位移 巷道兩幫水平位移曲線如圖5～7所示。

圖5 巷道兩幫水平位移（方案Ⅰ）

方案Ⅰ 煤體水平變形超過180mm，充填體水平變形超過100mm;煤體和充填體已經(jīng)被壓壞，產(chǎn)生塑性流動，所以在工作面推過監(jiān)測點約35m后，兩幫變形持續(xù)增大。

方案Ⅱ 兩幫移近量較小，并且工作面推過75m左右，兩幫變形趨于穩(wěn)定，不會出現(xiàn)產(chǎn)生持續(xù)應變的塑性流動狀態(tài)。

方案Ⅲ 兩幫水平位移的規(guī)律同方案Ⅱ中的基本一致，不同之處在于，方案Ⅲ的水平位移量較之方案Ⅱ更小，對圍巖的控制效果更好，但總體來說，二者相差不大。

（2）巷道頂?shù)装逡平?將方案Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中巷道中部頂?shù)装逦灰魄闆r作對比，如圖8，圖9。

圖6 巷道兩幫水平位移（方案Ⅱ）

圖7 巷道兩幫水平位移（方案Ⅲ）

圖8 巷道中部頂板垂直位移

圖9 巷道中部底板垂直位移

從圖8中的曲線可以看出，頂板下沉方案Ⅰ最大，方案Ⅱ其次，方案Ⅲ最小，隨著充填體寬度的增加，巷道的頂板沉降量會減小;從充填體與煤體變形協(xié)調(diào)方面來講，方案Ⅰ最差，方案Ⅱ，Ⅲ相差不大。由圖9可知，3個方案中煤體側(cè)底板最大垂直位移量以方案Ⅲ最小、方案Ⅱ居中、方案Ⅰ最大，其中方案Ⅱ，Ⅲ的底板垂直位移量相差不大，均為90～100mm，方案Ⅰ的底板垂直位移量為62mm左右。頂?shù)装逦灰谱兓瘉矸治?，方案Ⅰ中的充填體遭到破壞，方案Ⅲ比方案Ⅱ的頂板控制效果要好，但方案Ⅱ和Ⅲ均能滿足安全生產(chǎn)要求。

7 結(jié)論

（1）工作面運輸巷在巷旁充填支護基礎上進行了創(chuàng)新，提出了提前開幫固頂技術和附加矸石帶與膏體充填體組成不等強度巷旁支護體支護技術，應用效果良好，實現(xiàn)了Y型通風，解決了本工作面瓦斯超限問題，工作面采出率將達到97%，多回收煤柱33737t，綜合經(jīng)濟效益提高1757.3萬元。

（2）應用研發(fā)的膏體膠結(jié)充填材料進行巷旁充填結(jié)合巷旁錨網(wǎng)索+鋼帶和巷內(nèi)錨桿、錨索、鋼帶的聯(lián)合支護，成功實現(xiàn)了薄煤層綜采工作面沿空留巷。

（3）經(jīng)數(shù)值模擬研究得出工作面運輸巷合理的巷旁充填體寬度為1.5m。

［1］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填體主要參數(shù)研究［J］.中國礦業(yè)大學學報，1992，21（4）:1－11.

［2］華心祝，馬俊楓，許庭教.錨桿支護巷道巷旁錨索加強支護沿空留巷圍巖控制機理研究及應用［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（12）:2107－2112.

［3］宋振騏.實用礦山壓力控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1988.

［4］黃玉誠，孫恒虎.沿空留巷護巷帶參數(shù)的設計方法［J］.煤炭學報，1997，22（2）:127－131.

［5］康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

Simulation of Roadway-side Stow ing Body'sWidth in Retaining Roadway along Gob in Thin Coal-seam

LIJia-zhuo1，LIU Jie2，TANWen-feng3，HANWei2

（1.Shandong University of Science＆Technology，Qingdao 266510，China;2.Jingqiu Colliery，Guozhuang Mining Co.，Ltd，Tengzhou City of Shandong Province，Tengzhou 277500，China; 3.Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd，Juye 274918，China）

Based on condition of amine，a whole set of technology of retaining roadway along gob including pastematerial component，proportioning，stowing technique，roadway and roadway-side supporting was developed.Numerical simulation was applied to obtaining width of stowing body.This technology made good economical and technical effect.Resultsmight provide reference for thin coal-seam mining with similar condition.

thin coal-seam;retaining roadway along gob;stowing technique;combined supporting;width of stowing body

TD353.7

A

1006-6225（2011）04-0058-03

2011－03－14

山東科技大學研究生創(chuàng)新基金資助項目 （YCA100304）

李家卓 （1986－），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究。

［責任編輯:鄒正立］