沿空留巷巷旁充填體合理寬度的確定

張隨平

【摘 要】 針對沿空留巷巷旁充填體留設(shè)寬度大、沿空留巷成本較高的現(xiàn)狀，文章采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了沿空留巷巷旁充填體最佳寬度為1.2m，同時(shí)提出1101工作面采用錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)，并設(shè)計(jì)了具體支護(hù)參數(shù)。研究結(jié)果表明：巷旁充填體寬度采用1.2m，配合采用錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)可有效控制巷道圍巖的變形，保證煤炭資源安全高產(chǎn)高效開采。

【關(guān)鍵詞】 沿空留巷;充填體寬度;數(shù)值模擬;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0012-03

沿空留巷巷旁充填體的合理寬度可提高煤炭資源采出率，降低沿空留巷成本，一直以來是礦井開采的發(fā)展方向。閆帥等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)踐研究并確定了復(fù)用回采巷道護(hù)巷的合理煤柱寬度。王德超等對不同寬度煤柱下的深部厚煤層綜放沿空掘巷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并最終得出合理的煤柱寬度。張廣超等以羊場灣煤礦為研究背景，得出了高強(qiáng)度開采綜放工作面下煤柱的合理寬度。以上研究都采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)的方法確定沿空留巷巷旁充填體合理寬度，缺少確定沿空留巷巷旁充填體合理寬度的理論研究。

本文以王莊煤礦1101工作面為工程背景，以理論研究為指導(dǎo)，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法，提出了錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效開采，同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。此研究成果可為類似工程地質(zhì)條件下的礦井開采提供借鑒與參考。

1工程概況

王莊煤礦現(xiàn)開采煤層為1號煤層，平均厚度為4.5m，平均傾角6°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。煤層直接頂為厚2.8m的細(xì)砂巖，老頂為厚4.57m的粉砂巖，直接底為厚2.02m的中砂巖，老底為厚7.13m的粉泥巖。巖層柱狀圖如圖1所示。

煤巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2沿空掘巷充填體合理寬度理論分析

上區(qū)段工作面的回采擾動破壞了巷道圍巖的

應(yīng)力平衡狀態(tài)，在上區(qū)段工作面回采結(jié)束圍巖應(yīng)力形成新的平衡后進(jìn)行沿空掘巷時(shí)，巷道圍巖受掘巷擾動發(fā)生二次破壞，導(dǎo)致充填體形成一定范圍的塑性區(qū)，而充填體的最小寬度應(yīng)確保其內(nèi)部存在一定寬度的彈性核區(qū)。形成沿空留巷頂板巖層結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2中關(guān)鍵巖塊B、C主要沿破斷線形成，其位于留巷充填體的上方。留巷期圍巖的穩(wěn)定性直接取決于關(guān)鍵巖塊B、C的穩(wěn)定性，巷旁充填體難以防止老頂斷裂導(dǎo)致巖塊下沉，其可以切斷關(guān)鍵巖塊C的下覆巖層。所以巷旁充填體的計(jì)算主要是取決于關(guān)鍵巖塊B的穩(wěn)定性。

多年的現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出沿空留巷B巖塊主要發(fā)生擠壓變形，其巷旁充填體的支護(hù)阻力計(jì)算公式一般用（1）式：

式中：F_H為直接頂自重;a₁為巷道寬度，m;b₁為充填體寬度，m;k₀為安全系數(shù)，一般取值1.1～1.2;σ_d為24小時(shí)齡期充填體的強(qiáng)度，MPa;l₁為基本頂初次垮落步距，取15m;S為工作面長度，m;l₂為B巖塊斷裂跨度，m;ψ為接觸系數(shù);θ為巖塊B向采空區(qū)的旋轉(zhuǎn)角度;α=arctan2l₂/l₁。

結(jié)合王莊煤礦1101工作面現(xiàn)場工程地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），求得充填體寬度理論合理寬度為1.0～1.4m。

3不同充填體寬度下沿空留巷數(shù)值分析

3.1數(shù)值模型

為探究不同充填體寬度下沿空留巷圍巖變形特征，以1101工作面的實(shí)際工程地質(zhì)情況，選用MidasGTS數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值模型，模型尺寸為：85m寬×66m高×42m長。

在模擬過程中，錨桿索采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬，煤層以及巖層采用實(shí)心體單元，上部邊界載荷按照巖層自重應(yīng)力加載到模型上部，模型的下邊界、左邊界、右邊界采用固定邊界，模型計(jì)算采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

3.2不同充填體寬度下巷道圍巖應(yīng)力分布特征

分別模擬充填體0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m、1.6m寬度下巷道頂板下沉量，并繪制成曲線，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，隨著充填體寬度的增加，頂板下沉量呈減小的趨勢，充填體寬度在0.6m～1.0m范圍內(nèi)，每增加0.2m，頂板下沉量減少約10mm;充填體寬度在1.0m～1.2m，頂板下沉量減少約28mm;此后隨充填體寬度的增加，頂板下沉量減少緩慢。同時(shí)可以看出充填體寬度為1.2m時(shí)頂板最大下沉量變化幅度較大，其最大值約為172mm，滿足要求。從效果和成本綜合考慮來看，1.2m較為合適。

4現(xiàn)場應(yīng)用

錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)主要是對采空區(qū)旁圍巖進(jìn)行切頂卸壓，向圍巖深處轉(zhuǎn)移巷道頂板的應(yīng)力，減少頂板給充填體帶來的壓力。工作面巷旁預(yù)支護(hù)構(gòu)件選用HT錨柱，HT錨柱沿工作面推進(jìn)，盡可能地沿著礦區(qū)一側(cè)支撐并填充隔墻的內(nèi)輪廓施工。其可以及時(shí)地將巷道采空區(qū)側(cè)頂板切斷，巷道頂板壓力得以釋放，為后期巷旁充填體隔墻承載提供保障。

錨柱網(wǎng)預(yù)支撐袋注混凝土沿空留巷技術(shù)頂板采用Φ21.8mm×6300mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為1600mm×1600mm;頂板錨桿采用Φ22mm×2400mm螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm;巷幫采用Φ22mm×2000mm螺紋鋼錨桿，間排距均為800mm×800mm;隔墻采用C30混凝土。

為了評估1101工作面采用1.2m寬度下錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)后巷道變形情況，采用“十字布點(diǎn)法”對1101工作面內(nèi)距巷口40m和80m位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，巷道幫部的變形量略大于巷道頂板的變形量，但趨勢大致相同，且變形都在合理范圍內(nèi)，表明1.2m寬度下錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)保護(hù)效果可以滿足巷道圍巖穩(wěn)定性的要求。

5結(jié)語

文章針對王莊煤礦1101工作面充填體留設(shè)寬度大、留巷成本較高的現(xiàn)狀，對充填體合理寬度進(jìn)行了研究分析，主要得到以下結(jié)論：

基于王莊煤礦1101工作面工程地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算的方法確定了充填體合理寬約為1.0m～1.3m。

采用MidasGTS數(shù)值模擬軟件，得出了不同寬度充填體下頂板變形規(guī)律，進(jìn)一步確定了充填體合理寬度為1.2m。

綜合考慮1101工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出采用錨柱網(wǎng)預(yù)支撐巷旁充填技術(shù)，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：巷道頂板和幫部變形量均在合理范圍內(nèi)，圍巖控制效果較好。

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