沿空留巷巷旁支護(hù)體最優(yōu)寬度研究

楊福禹 張振揚(yáng) 任振群 郝生雷 周江闊

(兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272069)

近年來(lái)，沿空留巷是我國(guó)無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)研究的重要組成部分，沿空留巷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭采出率的提高、巷道掘進(jìn)量的降低、解決采掘接替的矛盾、增加煤礦的服務(wù)年限，避免煤炭資源的大量損失，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。但是，隨著沿空留巷技術(shù)在我國(guó)近水平煤層的廣泛應(yīng)用，成本高、巷旁支護(hù)強(qiáng)度低、巷道變形大、效果差等問(wèn)題成為制約沿空留巷技術(shù)研究的瓶頸。

針對(duì)現(xiàn)階段沿空留巷技術(shù)存在的諸多問(wèn)題，本文以濟(jì)寧三號(hào)煤礦183上04工作面沿空留巷為研究背景，通過(guò)建立力學(xué)模型和數(shù)值模擬分析，確定沿空留巷巷旁支護(hù)體最優(yōu)寬度，對(duì)濟(jì)寧三號(hào)煤礦沿空留巷經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及安全生產(chǎn)提供一定的借鑒，且對(duì)沿空留巷技術(shù)的發(fā)展研究具有一定啟示。

1 沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度理論研究

巷旁支護(hù)體的寬度是影響支護(hù)體穩(wěn)定性的關(guān)鍵，支護(hù)體寬度與其穩(wěn)定性一般成正比關(guān)系，但寬度的增加會(huì)造成留巷成本增加，施工效率降低。巷旁支護(hù)體的寬度選擇目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法來(lái)確定。根據(jù)國(guó)內(nèi)外支護(hù)體寬高比的經(jīng)驗(yàn)，巷旁支護(hù)體的寬度通常為采高的0.6～0.9倍。巷旁支護(hù)體的合理寬度的確定，需要充分考慮旁巷支護(hù)體寬度對(duì)自身穩(wěn)定性的影響，避免因支護(hù)體寬度的過(guò)小而產(chǎn)生的支護(hù)體拉壞或壓壞變形失穩(wěn)。根據(jù)巷旁支護(hù)體與圍巖相互作用關(guān)系建立巷旁支護(hù)體力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 巷旁支護(hù)體力學(xué)模型

通過(guò)分析和計(jì)算，可得巷旁支護(hù)體寬度B的最小值。

巷道側(cè)拉應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)：

式中：h——墻體高度，m；

f——支護(hù)體與頂板間摩擦系數(shù)；

q1——巷道側(cè)頂板載荷集度，MPa；

q2——采空側(cè)頂板載荷集度，MPa；

Rt——支護(hù)體抗拉強(qiáng)度，MPa。

采空側(cè)壓應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)：

式中：Rc——支護(hù)體抗壓強(qiáng)度，MPa。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，可根據(jù)同類(lèi)型頂板條件下所測(cè)的礦壓資料，采用類(lèi)比法來(lái)簡(jiǎn)化支護(hù)體上不均布載荷，根據(jù)不同情況可分別簡(jiǎn)化為三角形分布、直角梯形分布或矩形分布，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供巷旁支護(hù)體的寬度下限。

將濟(jì)寧三號(hào)煤礦183上04工作面具體參數(shù)代入式(1)和式(2)，從墻體受力破壞的角度計(jì)算得到了巷道的寬度，從沿空留巷墻體穩(wěn)定性要求的角度，一般要求寬高比不少于0.5，因此，當(dāng)墻體高度為1.4 m時(shí)，墻體寬度不應(yīng)低于0.7 m，考慮到旁巷支護(hù)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和更高的安全要求，183上04工作面沿空留巷旁巷支護(hù)體寬度取0.75 m。

2 不同支護(hù)體寬度對(duì)沿空留巷圍巖變性特征的影響

運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同寬度支護(hù)體對(duì)圍巖變性特征的影響進(jìn)行研究，通過(guò)圍巖應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠治?，確定支護(hù)體寬度。依據(jù)濟(jì)寧三號(hào)煤礦183上04工作面地質(zhì)條件，在巷內(nèi)支護(hù)形式及參數(shù)確定的情況下，模型分為0.5 m、0.75 m、1 m和1.5m共4種支護(hù)體寬度進(jìn)行模擬。

2.1 不同支護(hù)體寬度垂直應(yīng)力分析

為了研究不同支護(hù)體寬度對(duì)巷道圍巖垂直應(yīng)力的影響，列出4種模擬方案的垂直應(yīng)力等值線(xiàn)圖，如圖2所示。由圖2可以看出，不同支護(hù)體寬度下的垂直應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在支護(hù)體內(nèi)部和煤幫深處約7～9 m范圍內(nèi)。當(dāng)支護(hù)體寬度從0.5 m增加到0.75 m時(shí)，煤幫深處最大垂直應(yīng)力由31 MPa減少到29 MPa，下降了6%，支護(hù)體應(yīng)力由5 MPa增加到6 MPa，增長(zhǎng)了20%，增幅較為明顯；從0.75 m增加到1 m時(shí)，煤幫深處應(yīng)力減少3%，支護(hù)體應(yīng)力增加8%；支護(hù)體寬度繼續(xù)增加到1.5 m時(shí)，煤幫深處和支護(hù)體垂直應(yīng)力仍有增加，但增幅已經(jīng)趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，隨著支護(hù)體寬度越大，支護(hù)體的垂直應(yīng)力增大，承載能力增強(qiáng)，分擔(dān)了煤幫深處的壓力，減小煤幫深處的垂直應(yīng)力，符合“硬支多載”規(guī)律；當(dāng)支護(hù)體寬度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加支護(hù)體寬度，煤幫深處和支護(hù)體垂直應(yīng)力的變化已不明顯，說(shuō)明支護(hù)體寬度存在最優(yōu)值；證明了支護(hù)體主要起到維護(hù)留巷圍巖穩(wěn)定的作用，影響圍巖應(yīng)力分布及峰值的主要因素是上覆巖層的大結(jié)構(gòu)。

2.2 不同支護(hù)體寬度頂?shù)装遄冃畏治?/h3>

為了研究不同支護(hù)體寬度對(duì)頂?shù)装遄冃瘟康挠绊?，列?種模擬方案的巷道頂?shù)装宓淖冃吻€(xiàn)圖，如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，隨著支護(hù)體寬度的增加，巷道頂?shù)装遄冃瘟恐饾u降低。分析巷道頂?shù)装遄冃闻c支護(hù)體寬度的關(guān)系，支護(hù)體寬度由0.5 m增加到0.75 m時(shí)，巷道頂板的下沉量減少32～39 mm，平均減少35.5 mm，底板底鼓量減少28～32 mm，平均減少30 mm；由0.75 m增加到1 m時(shí)，巷道頂板的下沉量平均減少14.5 mm，底板下沉量約10 mm；繼續(xù)增加到1.5 m時(shí)，巷道頂板的下沉量平均減少13.5 mm，底板變形量減少10 mm。研究表明，支護(hù)體寬度與巷道頂?shù)装遄冃瘟砍煞幢鹊年P(guān)系，表明支護(hù)體寬度的增加可以有效控制頂?shù)装宓淖冃?；支護(hù)體寬度由0.5 m增加至0.75 m時(shí)，頂?shù)装遄冃瘟繙p少最大，隨著支護(hù)體寬度進(jìn)一步增加，頂?shù)装遄冃瘟咳杂行》南陆?，但下降幅度已?jīng)趨于穩(wěn)定。同時(shí)，隨著支護(hù)體寬度增加，支護(hù)體頂?shù)装遄冃瘟恐饾u減少。支護(hù)體寬度由0.5 m時(shí)增加到1.5 m，支護(hù)體頂板變形量減少了30 mm左右；由0.75 m增加到1 m時(shí)，支護(hù)體頂板變形量減少了16.5 mm左右；繼續(xù)增加到1.5 m時(shí)，支護(hù)體頂板變形量繼續(xù)減少，但減少量基本趨于穩(wěn)定；支護(hù)體厚度為0.75 m時(shí)，支護(hù)體頂板下沉量與該處巷道頂板下沉量基本一致，此時(shí)，支護(hù)體頂板下沉與小結(jié)構(gòu)變形基本保持一致。支護(hù)體寬度繼續(xù)增加至1.5 m時(shí)，支護(hù)體頂板下沉量大于該處巷道頂板下沉量，在維護(hù)頂板完整性方面發(fā)揮的作用被削弱；支護(hù)體底部變形趨勢(shì)與巷道圍巖變形趨勢(shì)大致一樣。

圖2 不同支護(hù)寬度下的垂直應(yīng)力等值線(xiàn)圖

圖3 巷道頂板變形曲線(xiàn)

圖4 巷道底板變形曲線(xiàn)

2.3 不同支護(hù)體寬度兩幫變形分析

為了研究不同支護(hù)體寬度對(duì)兩幫變形量的影響，列出4種模擬方案的兩幫變形曲線(xiàn)如圖5和圖6所示。

圖5 巷道煤幫變形曲線(xiàn)

圖6 支護(hù)體幫變形曲線(xiàn)

由圖5和圖6可以看出，隨著支護(hù)體寬度增加，巷道的兩幫變形量逐漸減??；煤幫側(cè)變形量沿底板至頂板逐漸增大，而支護(hù)體側(cè)變形量則為中間大、兩邊小分布狀態(tài)，煤幫側(cè)變形總體大于支護(hù)體幫部。支護(hù)體寬度由0.5 m增加到0.75 m時(shí)，煤幫部和支護(hù)體幫部變形量分別減少了約20 mm和19.5 mm；由0.75 m增加到1 m時(shí)，煤幫部和支護(hù)體幫部變形量分別減少了約10 mm、9.5 mm；繼續(xù)增加到1.5 m時(shí)，兩幫的變形量繼續(xù)減少，但下降幅度越來(lái)越小，變形逐步趨于穩(wěn)定。由此可知，支護(hù)體寬度的增加可以有效控制巷道兩幫的變形量。因此，支護(hù)體寬度存在最優(yōu)值。

綜上所述，沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度的存在最優(yōu)值。當(dāng)寬度小于最優(yōu)值時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟枯^大，留巷效果較差；當(dāng)寬度等于該值時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟棵黠@減少；當(dāng)寬度大于該值時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟坎](méi)有發(fā)生明顯減小現(xiàn)象，變形逐步趨于穩(wěn)定。這是由于巷道頂板處于巷旁支護(hù)體和煤幫支撐的給定變形的狀態(tài)，當(dāng)頂板巖層活動(dòng)穩(wěn)定后，隨著巷旁支護(hù)體的寬度增加，頂板的變形量的下降幅度會(huì)越來(lái)越小，最后即使支護(hù)體寬度繼續(xù)增加，巷道位移變形也會(huì)逐步趨于穩(wěn)定。另外，最優(yōu)的支護(hù)體寬度既可以控制巷道的變形量，保證沿空留巷取得成功，又可以有效減少留巷的工期和費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)工作面的高產(chǎn)高效。因此，183上04工作面沿空留巷巷旁支護(hù)體的最優(yōu)寬度為0.75 m。

4 工程實(shí)踐

通過(guò)對(duì)濟(jì)寧三號(hào)煤礦183上04工作面4個(gè)測(cè)站的變形觀測(cè)和實(shí)際數(shù)據(jù)分析可知，該沿空留巷巷道頂?shù)装逑鄬?duì)移近量均在380 mm以下，巷道圍巖總體變形量較小，未發(fā)生大的破壞變形；頂板活動(dòng)劇烈時(shí)期分布也符合頂板應(yīng)力分布規(guī)律。所以，183上04工作面沿空留巷旁巷支護(hù)體寬度選取實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)沿空留巷巷旁支護(hù)體寬高比的理論研究，建立巷旁支護(hù)體力學(xué)模型，推導(dǎo)出巷旁支護(hù)體寬度計(jì)算公式，從理論角度確定旁巷支護(hù)體的最優(yōu)寬度。

(2)運(yùn)用FLAC數(shù)值模擬軟件建立了0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m四種支護(hù)體寬度模型，對(duì)不同寬度支護(hù)體對(duì)圍巖變性特征的影響進(jìn)行研究，通過(guò)圍巖應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟糠治?，?duì)旁巷支護(hù)體最優(yōu)寬度理論的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

(3)最優(yōu)旁巷支護(hù)體寬度的研究不僅提高了沿空留巷現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性，也提高礦井生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)沿空留巷技術(shù)的發(fā)展研究具有一定借鑒意義。