淺埋深沿空留巷充填體載荷估算方法探討與實踐

吳志剛,魏 斌

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

沿空留巷是指利用木垛、密集支柱、矸石帶、低強度高水材料、高強度高水材料和膏體材料等多種材料，在采空區(qū)邊緣施工一道充填體(可看作人造“煤柱”)。充填體有多種用途：一是承載作用，能夠承受一定結構上覆巖層載荷，形成普通巷道；二是密閉作用，防止采空區(qū)瓦斯和水的泄漏等等[1-5]。沿空留巷技術取消了工作面煤柱，可以提高煤炭資源采出率，減少巷道掘進量；還可以消除上隅角瓦斯超限，實現(xiàn)煤與瓦斯共采等[6]。

國內眾多學者提出過充填體載荷計算公式。吳健[1]、孫恒虎[7]根據(jù)力矩平衡分別提出了充填體載荷的計算公式；李化敏[8]、李迎富[9]、張農[10]、韓昌良[11]等通過分析上覆巖層的關鍵塊體，提出充填體工作阻力計算公式和留巷結構控制原理；袁亮等[12]分析上覆巖層側向砌體梁絞式平衡結構，提出沿空留巷圍巖的“大-小”結構模型。涂 敏[13]根據(jù)頂板撓曲運動方程，計算充填體支護阻力；譚云亮[14]根據(jù)充填體變形和載荷特性，計算巷旁充填體強度。上述學者研究主要集中在埋深較大礦井的沿空留巷，充填體局部破裂，巷道變形大，整體呈給定變形特性。

而楊繼元[15]、王海兵[16]等研究了埋深100m左右的榆家梁煤礦43308工作面柔模混凝土巷旁支護的施工工藝及沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，巷中頂?shù)装逦灰屏繛?0mm。楊俊彩[17]、李雪佳[18]等采用理論分析和現(xiàn)場實測研究了埋深接近260m的上灣煤礦中沿空留巷錨桿支護、留巷寬度、柔模混凝土寬度等參數(shù)，監(jiān)測的巷道頂?shù)装遄畲笠平?19mm?？梢娫跍\埋深沿空留巷過程中留巷整體變形小，留巷穩(wěn)定性好。但是充填體載荷相對較大，具有明顯淺埋深特性，因此需要對淺埋深充填體承載特性和載荷估算等進行研究，為淺埋深留巷充填體設計提供理論參考。

1 淺埋深混凝土充填沿空留巷礦壓顯現(xiàn)特征

沿空留巷技術在20世紀70年代后期在我國廣泛使用，早期主要集中在埋深為100～300m巷道，巷旁支護材料主要為矸石帶、木垛、高水速凝材料、石灰袋等多種材料，上述充填材料變形能力強。楊莊礦曾用梯形金屬棚和矸石帶作為聯(lián)合支護進行留巷，巷道變形大，頂?shù)滓平?20mm；開灤唐家莊礦留巷可縮性支架與木垛聯(lián)合支護，木垛可縮量高達留巷高度的40%～50%。矸石帶和木垛的典型特點為早期強度低、后期強度高、承載慢、變形大，巷道基本都是“給定變形” 狀態(tài)。

而現(xiàn)在使用的柔模混凝土早期強度高，4h能夠達到早期強度，滿足巷道外側快速承載，采空區(qū)內切頂?shù)囊?。淺埋深柔?；炷裂乜樟粝镏校锏雷冃魏湾^桿錨索載荷等礦壓規(guī)律也分為前期、中期、后期3個不同階段。早期時，充填體早期強度和錨索錨桿的聯(lián)合支護，形成較大切頂能力，充填體上部巖層開采垮落，初步形成倒臺階巖層結構，表現(xiàn)為頂?shù)装?、兩幫移近速度慢，充填體載荷小，巷內單體支柱載荷較小。中期時，隨著工作面推進，充填體上部巖層分層垮落高度達到最大，充填體載荷最大，表現(xiàn)為頂?shù)装?、兩幫移近速度快，占全部變形量?0%～80%，充填體載荷快速增加并達到最大。后期時，隨著工作面遠離，充填體上部巖層充分垮落和采空區(qū)破碎圍巖體壓實，上覆巖層再平衡，并穩(wěn)定，表現(xiàn)為頂?shù)装濉蓭鸵平吭龃?，最終趨于穩(wěn)定；如果較早撤出單體支柱等輔助支護，錨桿錨索端部載荷會呈急增阻特性；充填體載荷有所下降，并趨于穩(wěn)定。在沿空留巷整個過程中，巷道整體呈現(xiàn)控制變形的特性，充填體的載荷較大。

2 充填體載荷估算方法探討

以上學者對淺埋深沿空留巷的研究中,主要研究集中在充填工藝、留巷礦壓規(guī)律分析等,少有對留巷的充填體載荷進行估算以及載荷驗證等工作。充填體是一個人造煤柱，在煤柱載荷分析研究中，Mark研究大量實際案例，考慮側向載荷對煤柱穩(wěn)定性的影響，提出長壁工作面煤柱載荷的計算方法[19]，認為一次回采結束后煤柱中承擔的最大載荷可以表示為：

Lmax=Lt+LsR

根據(jù)淺埋深柔模混凝土沿空留巷特征，充填體控制巷道頂板變形，能夠承載全部上覆巖層。結合Mark長壁煤柱穩(wěn)定性分析法和工作面頂板巖層移動規(guī)律，提出沿空留巷充填體承載結構如圖1所示。根據(jù)面積分攤法，充填體承載上覆巖層包括：巷道寬度一半上覆巖層、充填體全部和采空區(qū)側向支承角上部巖層，如圖1中虛線包圍巖層。文獻[19]研究不同煤礦、不同巖層側向支承角取值范圍。中硬頂板條件下，煤柱側向支承角θ近似20°，軟弱頂板近似10°，堅硬頂板近似30°。

圖1 充填體承載結構示意

充填體載荷估算公式：

式中，A為留巷巷道寬度；B為充填體寬度；h為垮落帶高度(參見建筑物下水體下導水裂縫帶計算公式，公式見表1，式中M為采高)；θ為側向支承角(取值見表1)；H為工作面埋深；γ為工作面上覆巖層容重，0.025～0.027N/mm2。

表1 載荷計算公式參數(shù)

3 工程驗證

榆家梁煤礦43308工作面采用柔模混凝土沿空留巷,工作面平均埋深100m，走向長度為2147m，工作面長度為300m，煤層平均厚度1.87m，傾角1°～ 3°，在43308工作面上部42208 工作面采空塌陷區(qū)，距離13～17m，平均15m。43308運輸巷道掘進寬度5.5m，留巷寬度4.5m，柔模混凝土寬度為1m，混凝土標號為C20[15]。

文獻[15]現(xiàn)場實測充填體的載荷為10MPa，載荷估算公式較好吻合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，無論裂縫帶取高值還是中值，充填體載荷估算公式計算結果都小于充填體設計強度。理論計算結果證明沿空留巷是成功的，這和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及應用效果一致。

4 探討與結論

(1)實踐表明，巷道埋深淺并不意味充填體載荷小。在淺埋深沿空留巷過程中需要充填體能夠控制巷道變形，不僅需要充填體具有較高早期強度、切頂能力，而且需要充填體后期強度高，承載能力強，能夠滿足工程需要。

(2)在高強度柔?；炷裂乜樟粝镙d荷估算分析中，把充填體看作一個煤柱，結合長壁煤柱載荷分析方法，提出充填體載荷的估算公式。該公式包括采高、留巷寬度、充填體寬度和巷道頂板巖性等關鍵參數(shù)。為留巷寬度、充填體寬度和充填材料及強度選擇提供基礎，減少沿空留巷參數(shù)設計的盲目性。

(3)載荷估算公式在軟弱頂板條件下，比較符合現(xiàn)場實測的充填體載荷，仍需要在中硬頂板、堅硬頂板等條件下進一步驗證。