沿空掘巷巷旁充填體寬度的確定與應用

高永格 ，盧全督，常 猛

（河北工程大學 資源學院，河北 邯鄲056001）

高水材料是一種新型充填材料，由A、B兩種材料配合使用，高水材料支護具有增阻速度快，支護阻力大，而且充填工藝簡單等特點。由于高水材料巷旁支護技術優勢明顯，經濟效益顯著，不少專家學者致力于高水材料的研究，目前，我國高水材料巷旁充填技術整體已達到國際先進水平〔1，2〕。云駕嶺煤礦12802工作面地質條件復雜，煤層屬厚煤層，為減少煤炭損失和改善安全生產條件，提出巷內預置充填帶無煤柱開采技術〔3〕，下區段回風巷沿預置的充填體掘進，實現無煤柱開采。

基于對不同寬度充填體內部應力分布狀態的分析，根據12802工作面工程地質條件建立數值模型，研究在不同寬度護巷充填體下，沿空掘巷時工作面回采后充填體在煤巖體中的應力，位移、塑性破壞的情況。本文將巷旁充填體圍巖應力隨12802工作面推進的變化規律以及沿空掘巷圍巖應力變化規律與數值計算相結合，研究巷旁充填體的合理寬度，為工程實踐提供參考依據。

1 試驗巷道地質條件

12802工作面開采2號煤，煤層厚度2.5～3.9m，平均3.5m，中下部夾有一層0.1～0.15m的泥質粉砂巖夾矸；煤層結構簡單，煤層走向近似南北，傾向東，傾角21°～34°，平均25°，煤層賦存情況較穩定。云駕嶺礦12802工作面埋深約560m，12802運輸巷沿2號煤頂板掘進，巷道斷面為梯形，運輸巷寬4.2m，高3m，巷道長度大約1550m。12802運輸巷位置見圖1。

圖1 12802運輸巷位置

2 充填體的力學模型

2.1 力學模型

如圖2所示，下區段巷道掘巷之前，充填帶布置在減壓區內〔4〕，受到上覆巖層的壓力很小。關鍵塊回轉，充填帶左側界緊靠煤體，隨著關鍵塊回轉，左邊界受到的部分壓力轉移到煤體，而采空區一側則會受到相對較大的回轉壓力。充填體底部受到底板的支撐作用，垂直方向位移相對較小，可認為下邊界位移為零，據此可建立充填體力學模型（見圖3）。

圖2 充填帶上方基本頂破斷狀況

圖3 充填體力學模型

2.2 高水材料充填體寬度理論計算

控制圍巖穩定的關鍵是保持充填帶的穩定，因此必須提高充填體的承載能力及其穩定性。充填體越寬護巷效果越好，但是成本則會增加，因此應該選擇合理的充填體寬度。充填體寬度d主要由切頂阻力、充填體強度確定，見式（1）〔5〕。

式中：K1為安全系數，取1.17；б1為充填體的平均強度，MPa；Pq為切頂阻力，MPa。

3 巷旁支護帶寬度的數值計算

3.1 模型建立

該模型設計模擬一個工作面，模型范圍長、寬、高分別為150m、50m、和110m。數值模型的邊界條件為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。根據埋深，計算出垂直主應力為13.78MPa。數值計算采用摩爾－庫侖本構模型。先掘12802運巷，然后開挖12802工作面同時對巷道進行填充，最后開挖風巷。充填帶及12804風巷部位的單元格劃分較密為0.5m。在留設充填帶寬度分別為1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m 情況下，研究巷道圍巖的穩定性及充填體的支護性能。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 充填體應力分布與充填體寬度的關系

12804回風巷開挖后，通過對不同寬度充填體應力場分析，可以得到：充填體寬度越大，承載能力越強，充填體所受到的垂直應力就越大。在工作面后方17m后基本保持不變。當充填體寬度小于1.5m時，充填體被壓壞。當充填體寬度從1.5m增加到2.5m時，充填體垂直應力增加較大，從8.9MPa增加到12.1MPa。

隨充填體寬度的增加，充填體中部的承載能力也在增大，充填體寬度較小時（1～1.5m），承載能力較小，最大承載力不到10MPa；當充填體寬度較大時（2～3.5m），有較大的承載能力，最大為13MPa。

3.2.2 巷道圍巖變形與充填體寬度的關系

圖4為在巷道掘進后，充填體寬度不同時實體煤幫、充填體、頂板及底臌的變化趨勢。當充填體寬度分別為2 m，2.5m和3m時，巷道頂板最大下沉量分別為110mm，100mm和95mm；充填體幫最大移量分別為40mm，38 mm，30mm；另一幫分別為80mm，83mm，90mm。表明充填體寬度大于2m時頂板位移量顯著減小，采空區對巷道影響明顯減弱。巷道的頂底板移近量以頂板下沉為主，底臌量則相對要小一些。頂板隨著充填體寬度的增加，頂板的下沉量呈現逐漸下降的趨勢。充填體較煤幫的變形量要小；底板臌起量隨著充填體寬度的增加而有所增加，增加幅度較小。通過比較，充填體寬度在2m處較合適，能夠保持自身的穩定及巷道圍巖的穩定。

圖4 不同充填帶的位移量

3.2.3 塑性破壞特征分析

12802工作面回采后，煤壁水平破壞范圍約3～5m。當充填體寬度為1.5m時，充填體全部處于塑性破壞狀態。隨著充填體寬度的增大，采空區對運輸巷的影響逐漸減小，當充填體寬度大于2m時采空區對運輸巷的破壞影響較小。

3.3 充填體寬度的確定

根據數值模擬計算可知，隨著巷旁充填體寬度的增加，頂板下沉、實體煤幫位移、充填體位移都呈下降趨勢。當充填體寬度從1.5m增加到2m時，下降幅度較大；當充填體寬度從2m增加到3m，在增加到3.5m時，下降幅度較小。充填體寬度為2m時，圍巖變形量較小，充填體內部有較大的穩定區域，巷道處于較有利的圍巖環境。因此，通過數值模擬計算結果并考慮到經濟成本因素，最終確定該工作面巷旁充填體合理寬度為2m。

4 巷旁充填后的圍巖應力分布規律研究

4.1 巷旁充填體礦壓觀測方案

巷幫充填體內每隔20.5m布置一個測站，共設置4個測站，每一個測站有2個傳感器分別觀測巷旁充填墻體所受到的豎直應力和側向應力顯現。測量豎直應力的傳感器，安裝在充填體頂部；當充填高度達到設計高度的1／2時，在充填體與煤壁之間安裝側向應力傳感器，沿水平作用方向由采空區向回采煤壁方向依次安裝，傳感器安裝如圖5。通過研究隨工作面推進時充填帶應力的變化規律，對沿空掘巷圍巖穩定性進行分析。

圖5 充填體測站布置

4.2 充填墻體應力變化規律

根據前面的研究，在12802工作面運輸巷采用中國礦業大學研制的ZKD新型高水速凝材料作巷旁預充填試驗，現場應用表明：

（1）由巷道圍巖垂直應力隨工作面推進距離變化曲線（見圖6）不難看出，在工作面后方0～18m時，充填體所承受載荷增長較快，在工作面后方15～18m處應力達到了峰值（最大值達到13.3MPa，小于原巖應力），說明基本頂巖層斷裂，工作面發生周期來壓。在工作面后方25.2～40.5m時，應力值呈現下降趨勢（13.3～8.6MPa），該階段頂板活動趨于平緩，并逐漸達到穩定。在工作面后方40.5m之后，采空區覆巖活動已經基本趨于穩定，應力值為10.3MPa左右，充填體處于采空區煤壁邊緣的低應力區。由于充填體具有可縮性，且能承受10MPa應力，故充填體較為完整。

圖6 垂直應力變化曲線

（2）由巷道圍巖側向應力隨工作面推進距離變化曲線（見圖7）可知：在工作面端頭位置時，側向應力緩慢增大，傳感器讀數達到0.8MPa；在距工作面后方0～40.5m范圍，應力值緩慢持續增長（0.1～3.5MPa）；在距工作面后方40～50m時，巷旁充填體側向應力基本穩定在3MPa左右。

圖7 充填體側向受力變化曲線

5 結語

1）隨著充填體寬度的增加，其承載能力也在增大，在下區段風巷開采后，該巷道頂板下沉量、實體煤幫位移量、充填體位移量隨著充填體寬度增大，都成下降趨勢。

2）合理的充填體寬度應能保證巷道圍巖的穩定，且具有較高的經濟效益。通過數值計算并考慮經濟技術等因素，確定充填體寬度為2m。

3）通過礦壓監測，充填體最大豎直變形量為99mm，壓縮率3%，未達到高水速凝材料的最大抗壓強度。說明采用上述方法確定的充填體寬度合理，能夠較好地發揮支撐頂板、維護巷道的作用。

〔1〕孫春東，張 岷，劉樹剛 .應用錨網支護技術進行沿空留巷的實踐〔J〕.河北煤炭，2001（3）：30－32.

〔2〕劉益成，孫立亞 .大采高工作面沿空留巷巷旁充填支護實踐〔J〕.煤炭科學技術，2000（3）：19－20.

〔3〕馬立強，張東升，王紅勝，等 .厚煤層巷內預置充填帶無煤柱開采技術〔J〕.巖石力學與工程學報，2010，29（4）：674－680.

〔4〕錢鳴高，石平五 .礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

〔5〕黃玉誠，孫恒虎 .沿空留巷護巷帶參數的設計方法〔J〕.煤炭學報，1997，22（2）：127－131.