沿空留巷無煤柱開采力學(xué)模型及工程實踐

苗青旺

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204）

煤炭資源作為我國主要的能源資源，對促進我國社會經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮著戰(zhàn)略意義[1-2]。但是，由于煤炭其不可再生性和賦存條件的復(fù)雜性，煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)要求煤炭資源在安全、高效開采的同時，提高煤炭資源的回采率。無煤柱開采中的沿空留巷技術(shù)通過將上區(qū)段的回采巷道留作下區(qū)段使用，既減少了巷道的掘進工作量，減少了區(qū)段煤柱造成的資源浪費，又避免了區(qū)段煤柱應(yīng)力集中引起的頂板、圍巖失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，對煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 無煤柱開采技術(shù)的發(fā)展

無煤柱開采技術(shù)主要分為沿空掘巷和沿空留巷兩種方式，其中，沿空留巷無煤柱開采技術(shù)發(fā)展較快，在我國的各大礦區(qū)正得到廣泛的實踐應(yīng)用[3-5]。

我國對沿空留巷技術(shù)和理論的研究開始于20世紀50年代，個別礦區(qū)在煤層賦存條件相對較好的區(qū)段應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，沿空留巷技術(shù)得到初步探索。20世紀70年代，隨著對巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及采動引起的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究的不斷深入，基于對回采巷道布置與礦上壓力顯現(xiàn)之間內(nèi)在聯(lián)系的分析，部分重點煤礦開始應(yīng)用沿空留巷，沿空掘巷技術(shù)得到進一步發(fā)展。20世紀90年代末，由于沿空留巷技術(shù)在主要礦區(qū)得到成功的實踐應(yīng)用，業(yè)內(nèi)開始制定相關(guān)的法律法規(guī)對沿空留巷技術(shù)進行系統(tǒng)的規(guī)范和部署，對沿空留巷技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用具有里程碑意義。21世紀以來，隨著以巷旁充填和錨桿支護為基礎(chǔ)的巷道圍巖控制技術(shù)的不斷完善，沿空留巷技術(shù)在各大礦區(qū)不斷攻克相關(guān)難題，得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展[6-7]。

2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型

沿空留巷開采過程中，在上區(qū)段工作面回采后，需要在回采巷道的采空區(qū)側(cè)通過充填體對采空區(qū)進行隔離，并對巷道進行穩(wěn)定性維護。因此，下區(qū)段煤體、巷旁充填體和采空區(qū)矸石在基本頂來壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結(jié)構(gòu)。該圍巖結(jié)構(gòu)與上覆 巖層的相互作用對巷道的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，是決定沿空留巷成敗的關(guān)鍵因素。

2.1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體特征

從關(guān)鍵層理論分析的角度對沿空留巷上覆巖層與下區(qū)段實體煤、巷旁充填體和采空區(qū)矸石形成的“砌體梁”巷道圍巖結(jié)構(gòu)進行力學(xué)建模分析。

圖1 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示為沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)，隨著上區(qū)段工作面不斷向前推進，基本頂在實體煤內(nèi)發(fā)生斷裂，形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)模型。上覆關(guān)鍵層以實體煤幫和巷旁充填體為支撐點，其中巷道實體煤幫承受最大的應(yīng)力集中作用，容易發(fā)生較大的變形，不利于巷道的使用。與此同時，關(guān)鍵塊體在回轉(zhuǎn)和下沉過程中發(fā)生觸矸，沿空留巷的巷道在上區(qū)段工作面回采、上覆巖層運動穩(wěn)定后，下區(qū)段實體煤、巷旁充填體以及采空區(qū)矸石等共同承受由于上覆巖層運動而引起的礦山壓力。因此，從圍巖結(jié)構(gòu)體的宏觀角度看，科學(xué)合理的巷旁充填體以及穩(wěn)定煤幫的巷內(nèi)支護對沿空巷道的穩(wěn)定性控制起著重要作用。

2.2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型的建立

圖2 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

如圖2所示，將模型結(jié)構(gòu)簡化成彈性結(jié)構(gòu)，因此，可以建立沿空留巷彈性基礎(chǔ)力學(xué)模型。下區(qū)段實體煤、巷旁充填體和采空區(qū)矸石共同支撐和控制上覆基本頂巖層彎曲下沉引起的承載力。

實體煤煤幫上方頂板的最終下沉量yc為：

巷旁充填體上方頂板最終下沉量ym為：

基本頂平均下沉量y為：

式中：Sk為巷幫煤體塑性區(qū)寬度，m；Hk為巷道寬度，m；Ck為充填體寬度，m；LE為巖梁寬度，近似為基本頂周期來壓步距，m。yg為沿空留巷上覆基本頂巖梁末端無阻礙沉降值，mm；mZ為直接頂厚度，m；KA為巖石碎脹系數(shù)。

從對沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)體力學(xué)模型的分析可知，沿空留巷的穩(wěn)定性與基本頂巖層的運動密切相關(guān)，同時，下區(qū)段實體煤的受力變形規(guī)律和巷旁充填體的穩(wěn)定性對回采巷道的使用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

3 工程實踐

3.1 工程概況

以山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)2#煤層的1103工作面的沿空留巷的巷道支護設(shè)計為工程背景，其中，回采巷道的剖面圖為矩形，寬度為4m，高度為2.5m，該煤層埋深在180m左右，煤層傾角3～5°的緩傾斜煤層，煤層平均厚度為1.36m，煤層及頂?shù)装鍘r層的巖性及厚度見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r層的巖性

3.2 巷道支護設(shè)計

本文從對實體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護進行巷道穩(wěn)定性分析。

巷內(nèi)支護的基本形式為高強螺紋鋼錨桿和錨索支護方式。通過錨桿的初始支護作用有效擴散于錨桿周圍的巖體中，從而控制圍巖中新生裂紋的產(chǎn)生和裂紋的進一步擴展，以及節(jié)理裂隙、弱結(jié)構(gòu)面等的破壞。根據(jù)錨桿支護的經(jīng)驗，在結(jié)合該煤層具體地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定頂板錨桿的直徑20mm，長度2.4m，預(yù)緊力矩300N·m，排距900mm×1000mm；實體煤幫錨桿間、排距均為1000mm；錨索直徑φ18.9mm，長度6.3m，每排2根錨索，間距1.8m，排距3m，預(yù)緊力為350kN。

充填式巷旁支護是沿空留巷多種支護形式中支護效果較好的一種支護形式，但是對充填體的強度、性能等要求較高。在工作面頂板垮落過程中要求巷旁充填體要有夠的強度以應(yīng)對直接頂巖層的跨落沖擊作用。另外，巷旁充填體也應(yīng)該具有較好的變形性能，以適應(yīng)基本頂巖層的回轉(zhuǎn)下沉作用。

3.3 支護效果監(jiān)測

通過在沿空留巷的巷道內(nèi)安設(shè)巷道位移監(jiān)測點，實時監(jiān)測1103工作面回采期間巷道的變形規(guī)律。其中，測站1在采煤工作面前方50m處，監(jiān)測工作面前方10～50m范圍內(nèi)巷道巷道在超前支承壓力影響下的變形規(guī)律；測站2在采煤工作面后方10m處，用于監(jiān)測工作面推過后10～50m范圍內(nèi)沿空留巷的變形規(guī)律。

圖3 監(jiān)測點的監(jiān)測曲線

如圖3（a）所示，工作面前方巷道受超前支承壓力的影響，隨著工作面的推進，在工作面前方10～30m的范圍內(nèi)巷道變形量較大；兩幫移近量為25mm，其中巷旁充填體的變形量為5mm；頂?shù)装逡平繛?2mm，頂板下沉量為11mm，底板向上的移近量為21mm。巷道變形仍以實體煤幫與底板變形量為主。如圖3（b）所示，兩幫移近量為20mm，巷旁充填體的變形量為2mm，實體煤幫向巷道的移近量為18mm；頂?shù)滓平繛?5mm，頂板下沉量為15mm。

4 結(jié)束語

沿空留巷開采過程中，下區(qū)段煤體、巷旁充填體和采空區(qū)矸石在基本頂來壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結(jié)構(gòu)。

通過對山西潞安集團蒲縣伊田煤業(yè)2#煤層的1103工作面（上區(qū)段）的沿空留巷的過程中實體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護進行巷道穩(wěn)定性分析，進一步驗證了該圍巖結(jié)構(gòu)與上覆巖層的相互作用對巷道的穩(wěn)定性的作用，是決定沿空留巷成敗的關(guān)鍵因素。