馬堡煤礦15201工作面沿空留巷關鍵參數(shù)優(yōu)化*

馬 霖，孫 亮

(1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

沿空留巷技術已經(jīng)成為各大煤炭集團安全高效回采的重要手段之一[1]，尤其是在厚煤層高瓦斯工作面，沿空留巷技術可達到煤與瓦斯共采的目的[2-3]。最近幾年隨著我國厚煤層工作面開采數(shù)量的增多，沿空留巷已經(jīng)成為研究熱點，科研工作者也開展了大量的研究。例如，李愛軍[4]等通過數(shù)值模擬手段，研究了在沿空留巷時留設巷道圍巖的應力變化規(guī)律；高明濤[5]等研究了沿空留巷時煤體承受載荷作用情況和支護技術對留巷系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的影響，構建了考慮相應因素的力學模型；靳宇峰[6]利用UDEC軟件模擬，在工作面開展巷旁、巷內聯(lián)合支護工藝探究；郝曉飛[7]等通過研究大采高工作面沿空留巷側向頂板的運動特征，提出了大采高工作面沿空留巷后形成“頂-墻-底”復合承載模型；侯公羽[8]等利用數(shù)值模擬和理論分析的手段，得到深部區(qū)域大采高工作面沿空留巷后采空區(qū)一側所留設煤柱的合理寬度。

但在厚煤層回采時，實施沿空留巷巷旁支護工藝后，優(yōu)化選擇充填體材料參數(shù)是難點問題[9-11]，原因是不同充填體材料在不同階段的強度也各不相同，導致覆巖發(fā)生不同的變形破壞和不同的支護效果[12-13]。為此，通過研究云岡煤礦15201工作面現(xiàn)場情況，分析在不同力學情況下充填體材料的應力、應變情況以及對留巷的支護效果。

1 工作面概況

馬堡煤礦15201綜采工作面開采煤層為15#煤層，所處水平為+900 m水平，隸屬152采區(qū)，工作面標高為+873～+970 m，回風順槽長1 123 m，運輸順槽長1 123 m，切眼長300 m，面積236 830 m2。該工作面位于152采區(qū)東部，工作面東北側臨近馬堡煤礦井田邊界煤柱，與福達煤業(yè)井田邊界相鄰；東南側為153采區(qū)均為實體煤、西北側為15203工作面采空區(qū)；西南側與152采區(qū)膠帶、軌道、回風下山相連。相對瓦斯涌出量為4.65 m3/t，絕對涌出量為13.08 m3/min，煤塵具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ類，自燃傾向性性質為自燃煤層，15#煤層屬地溫正常區(qū)域。15201綜采工作面地面無建筑物和其他設施，地面標高為+1 299～+1 420 m。

根據(jù)礦井地質報告，15201工作面煤層結構簡單，煤層厚度4.45～5.3 m，平均5.4 m，可采性指數(shù)為1，變異系數(shù)為8.1%，含1層夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為細砂巖、粉砂質泥巖，底板為泥巖、鋁土質泥巖。煤層特征見表1，具體工作面布置如圖1所示。

2 數(shù)值模型構建

根據(jù)工作面的實際情況，構建15201工作面沿空留巷巷旁支護的數(shù)值模型。在模型的頂部邊界施加應力約束和載荷；在模型的下邊界、左邊界和右邊界施加位移約束，并在水平方向上限制位移；在模型下部邊界控制垂直方向上的移動距離[14-15]。在模型的頂部施加豎直方向上的載荷，具體如圖2所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 工作面示意圖

圖2 數(shù)值模型

依據(jù)鄰近礦井的巖空留巷數(shù)據(jù)，充分確保充填體的可靠性和穩(wěn)定性，設置巷道旁邊的充填體寬度定為工作面采高的0.7倍。由于在現(xiàn)場實際施工中巷道掘進時的最大高度是5.4 m，噴漿硬化后巷道的高度是4 m，因此充填體的寬度是2.8 m，所以將充填體的寬度定為3 m，同時控制工作面機尾區(qū)域的采高不得大于4 m。模擬中重點研究工作面采高為5.4 m、充填體寬度為3 m時，覆巖運移期間不同階段充填體的應力和變形情況。各充填方案具體為

A充填方案：4 h-1.6 MPa，1 d-4 MPa，7 d-12 MPa，28 d-28 MPa；

B充填方案：4 h-1.8 MPa，1 d-5 MPa，7 d-15 MPa，28 d-28 MPa；

C充填方案：4 h-2 MPa，1 d-6 MPa，7 d-18 MPa，28 d-28 MPa；

D充填方案：4 h-2 MPa，1 d-6 MPa，7 d-20 MPa，28 d-28 MPa。

3 模擬結果分析

3.1 模擬結果

巷道維護效果：因沿空留巷后不同力學條件下的充填體在應力方面、變形方面和維護效果等都是各不相同的。通過對比4種不同材料的充填體在構筑一周后墻體的可靠性和穩(wěn)定性，巷道維護效果如圖3所示。

充填墻體的穩(wěn)定性對比：充填體本身具有較低的強度時，即數(shù)值模擬的A、B、C方案，在施工充填一周后，當工作面上方老頂達到極限垮落條件時，充填墻體的穩(wěn)定性被嚴重破壞；但是開展模擬D方案時，充填墻體被完整保存，幾乎未受到較大的破壞。

D方案應力分布和位移變化規(guī)律：重點研究D方案充填體的穩(wěn)定性，即以不同階段的充填體的強度：4 h-2 MPa，1 d-6 MPa，7 d-20 MPa，28 d-28 MPa為背景，分別核算在充填體施工不同階段時，充填體應力與位移的變化規(guī)律。在工作面5.4 m采高，3 m寬度充填體的條件下，充填體的應力分布和位移變化規(guī)律如圖4、圖5所示，圖5中箭頭表示節(jié)點的移動方向和下沉距離的大小。

3.2 結果分析

施工充填體4 h后：由圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，施工充填體4 h以后，充填體內承受的最大應力達到1.473 1 MPa；充填體內部各點開始向巷道中心方向靠近，充填體頂部的最大移動量達到9.0 mm。施工充填體1 d以后，充填體內承受的最大應力達到4.326 9 MPa，這時充填體內部各點應力均勻分布；充填體內內部各點開始向巷道底板方向運動，充填體頂部的下沉量比底部的下沉量大，其頂部的最大位移量高達107.0 mm。直接頂巖層作用于充填體上，充填體承受的載荷變化幅度較小，當充填體的寬度逐漸增加時其支撐強度也開始增加，使其承受的最大應力變小；這時充填體頂部的最大位移量也開始減小。

圖3 4種不同充填體維護效果

圖4 D方案充填體不同階段的應力分布

圖5 D方案充填體不同階段的位移矢量分布

施工充填體一周后：工作面老頂垮落后充填體承受最大應力達到18.60 MPa，這時在充填體的中部偏左部位應力比較大，兩側應力不大；充填體內內部各點開始向巷道底板方向運動，充填體左上部的下沉量比右下部的移動量大，充填體頂部的最大位移量高達560.2 mm；工作面老頂達到極限垮落狀態(tài)，在兩端頭覆巖冒落到采空區(qū)內。這時充填體承受的最大應力開始升高，原因是充填體變高，而且承載的頂板面積增加，工作面上方的覆巖壓力也增大，但應力變化幅度較小，證明在當采高為5.4 m時，布置3 m寬的充填體是符合現(xiàn)場要求的。充填體頂部的最大移動量加大，原因是充填體的高度增大，但作用在充填體上的應力變化幅度較小，因此充填體的最大移動量在增大。

施工充填體28 d后：工作面上方的老頂開始完全垮落，覆巖運動達到穩(wěn)定狀態(tài)后充填體的最大應力是11.5 MPa；當充填體發(fā)生向下位移變化時，其頂部的最大變化距離為513 mm；當工作面老頂完全垮落后，從工作面兩端冒落下來的直接頂支撐覆巖。對比老頂垮落時和老頂垮落后充填體的變化情況，發(fā)現(xiàn)老頂垮落后充填體承受的最大應力開始變小，原因是垮落下來的老頂壓力未能繼續(xù)作用在充填體上，卻是通過采空區(qū)內垮落矸石承受；充填體頂部的最大位移變化量也開始減小，原因是作用在充填體上的壓力開始變小，部分充填體發(fā)生彈性變形后再次恢復導致的。

4 結論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結果得到，在厚煤層大采高工作面回采時，采取沿空留巷工藝是行得通的。當工作面5.4 m采高時，留設3 m充填體的寬度是切實可行的。

(2)在沿空留巷時，不同力學參數(shù)情況下的充填體應力、應變和維護效果各不相同；在留設巷道初期充填體的強度越大，留設巷道的維護效果就越好。

(3)模擬結果對工作面后期回采中補強支護提供了一定的依據(jù)，當覆巖的最大應力達到11.5 MPa，充填體頂部的最大位移量是513 mm。