大斷面沿空留巷巷旁充填體寬度合理化研究

大斷面沿空留巷巷旁充填體寬度合理化研究

羅中

(山西焦煤集團西山煤電 屯蘭礦，山西 古交 030206)

[摘要]針對某一特定大斷面沿空留巷巷旁充填體的寬度設計問題，分析了留巷覆巖運動規律，計算得出基本頂斷裂位置及關鍵塊體B的長度，進而建立5個不同充填寬度的數值分析模型，通過巷道圍巖移近量及塑性區寬度的對比分析，得出充填體寬度的合理值為2.5m。留巷實踐結果表明：采用該充填寬度后實測沿空巷道頂底板移近量在30~170mm之間，兩幫移近量在0~250mm之間，巷道圍巖控制效果良好，達到了預期的控制目的。

[關鍵詞]大斷面巷道；沿空留巷；充填體寬度；數值模擬；圍巖控制

[中圖分類號]TD353.7[文獻標識碼]B

[收稿日期]2014-05-19

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.021

[作者簡介]羅中(1971-)，男，四川敘永人，工程師，長期從事井巷工程設計和綜采工作。

Rational Width of Stowing Body in Large-section Roadway Retained along Gob

[引用格式]羅中.大斷面沿空留巷巷旁充填體寬度合理化研究[J].煤礦開采，2015，20(1)：71-74.

沿空留巷是我國回采巷道支護技術的重要發展方向，該技術不僅可以實現無煤柱開采、提高煤炭資源采出率，還具有大幅減少礦井巷道掘進量及治理工作面瓦斯超限等優點，但同時由于要經歷巷道掘進及相鄰兩個工作面回采等多個強烈采掘影響期，導致巷道圍巖變形量和破壞范圍顯著增大，巷道維護極為困難[1-3]。近年來我國沿空留巷圍巖控制普遍采用膏體充填法進行巷旁支護，其關鍵參數之一即為充填體寬度，因而基于特定的巷道高度和巷旁充填工藝，如何在工程實踐之前合理設計巷旁支護體的寬度成為制約沿空留巷成敗的關鍵[4-5]。針對這一關鍵問題，綜合運用理論計算及數值模擬等研究手段，對大斷面沿空留巷巷旁充填體的寬度進行合理化研究，并在屯蘭礦18205工作面進行了實際工程應用。

1工程概況

工程實踐地點為18205工作面，主采8號煤層，煤層平均厚度3.29m，平均傾角5°，工作面傾向長度為211m；直接頂為2.42m的石灰巖，基本頂為4.21m的粉砂巖，直接底為1m左右的泥巖，老底為2m的中砂巖；18205工作面采用兩巷加一條留巷的巷道布置方式，三巷平行布置，分別為膠帶巷、軌道巷和留用18207軌道巷，其中18205軌道巷為進行一次沿空留巷的試點巷道，設計高度3.5m，寬度5.5m，斷面19.25m2，為典型的大斷面巷道，支護方式為錨桿索配合托架及金屬網支護。

18205工作面采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落綜合機械化采煤法，預采用混凝土膏體材料進行巷旁充填。工作面回采后出于考慮留巷斷面的利用率，并充分利用原巷道的支護作用來提高充填體的切頂能力，巷道寬度由原來的5.5m縮至4.6m，故充填墻體內錯入軌道巷的寬度應為0.9m，其余部分則充填在采空區內。

2沿空留巷圍巖運動規律分析

沿空留巷技術實施發生在上區段工作面回采之后，巷道頂板的下沉破壞必然受到采空區上覆巖層沉降總規律的制約，與基本頂關鍵塊體B的回轉運動密切相關(圖1)，頂板下沉量主要由煤幫側下沉量、基本頂巖層回轉引起的下沉量及頂板巖層擴容變形量組成。在沿空巷道經歷的數個采掘影響期中，上區段工作面推過后0~60m范圍內頂板下沉速度快，下沉量占最終下沉量的80%左右，為巖層強烈沉降期，因而此階段應為沿空留巷圍巖控制的關鍵時期，下文將重點對該階段的圍巖移動展開模擬分析。

圖1　沿空留巷圍巖結構模型

巷旁充填體對留巷圍巖的控制主要體現在對覆巖的切頂作用方面，以使直接頂及時冒落在采空區內支撐基本頂關鍵塊體B，減少上覆巖層的彎曲下沉，進而降低巷道頂板下沉量。對于已選定混凝土膏體材料進行巷旁充填的18205軌道巷，充填墻體的寬度值成為最為關鍵的控制參數，必須對其合理值進行深入研究。為利于下文巷旁充填體寬度的數值模擬分析，須對留巷圍巖的幾個關鍵參數進行分析計算。

2.1　基本頂斷裂位置

沿空留巷上方基本頂斷裂位置的不同，對巷道的圍巖穩定性狀況有很大影響，綜采工作面傾向方向基本頂一般深入至煤幫內部斷裂，斷裂位置距采空側煤壁的距離X0為：

(1)

式中，M為工作面采高，m；A為側壓系數；φ0為煤體內摩擦角，(°)；C0為煤體黏聚力，MPa；K為應力集中系數；γ為上覆巖層平均容重，MN/m3；H為巷道埋深，m；PZ為上區段工作面巷道煤幫的支護阻力，MPa。依據18205工作面實際條件，代入以上各參數值，求得X0≈2m，即本工作面傾向方向上，基本頂在深入巷道煤幫大約2m的位置發生斷裂。

2.2　關鍵塊體B長度 l

根據研究，當工作面長度S與周期來壓步距L比值大于6時，可以認為工作面基本頂的側向斷裂跨度與基本頂的周期來壓步距近似相等。18205工作面周期來壓步距平均值L約為12m，工作面傾向長度S為211m，S/L≈17.58>6，故可以認為關鍵塊體B長度l=L=12m，下文數值模型基本頂塊體長度宜設計為12m。

3充填體合理寬度數值模擬研究

3.1　UDEC數值模型建立

結合18205工作面實際地質條件，采用UDEC數值軟件模擬沿空留巷巷道圍巖變形情況，設計5個模擬方案，即方案1，2，3，4和5，對應的充填體寬度分別為3.5m，3.0m，2.5m，2.0m和1.5m。

建立模型尺寸長260m，高50m，上邊界施加等效于上覆巖層自重的均布載荷10MPa，兩側固定水平位移，下邊界固定垂直位移。為提高計算精度和效率，建模時做到塊體網格分布疏密有秩，越靠近回采空間塊體越細化，其中煤層塊度為0.5m×0.5m，直接頂塊度為1.0m×0.5m，基本頂塊度依據關鍵塊體B的長度設計為12m×4m。模型建立時沿巷道邊緣布置4條測線(充填后巷道右幫的測線布置在充填體邊緣)，監測并記錄巷道圍巖位移量。圍巖本構關系采用Mohr-Coulomb模型。

3.2　數值模擬結果分析

依所建立的數值模型，運算至初始平衡后進行巷道開挖及支護，運算平衡后，巷道圍巖塑性區及錨桿索支護效果如圖2(a)所示；然后模擬工作面回采及沿空巷道的巷旁充填并運算至平衡，方案1~5所對應的充填效果及圍巖塑性區如圖2(b)~2(f)所示。

圖2　沿空留巷巷旁充填效果

由圖2可知：充填體寬度在2.5m及以上時其自身穩定性較好，巷道斷面控制良好，而充填體寬度低于2.5m時充填體受基本頂回轉下沉產生的集中應力而嚴重失穩變形，巷道斷面收縮率過大；充填方案1~5對應的巷道煤幫塑性區寬度分別為3m，3.5m，3.8m，4.5m和5.5m，表明隨著充填體寬度的減小，巷道頂板回轉下沉對煤體擾動范圍增大，過窄的充填體寬度不利于巷道煤幫的穩定性控制；圖2(e)和圖2(f)充填體右側的頂板冒落狀態較差，表明過窄的充填體寬度不能提供足夠的切頂力進行有效切頂，而頂板冒落不及時又惡化了充填體及巷道圍巖的受力狀態。

提取測線記錄數據作頂底板移近量曲線、兩幫移近量曲線，如圖3、圖4所示。

圖3　巷道頂板移近量曲線

圖4　巷道兩幫移近量曲線

由圖3可知：5個方案的頂底板移近量沿巷道寬度范圍從左向右逐漸增大，靠采空區側與靠煤幫側移近量的比值介于2~4之間，表明巷道頂板下沉量受上方基本頂關鍵塊回轉下沉影響顯著；方案1~5對應的頂底板移近量最大值占巷道高度的比例分別為9%，14%，16%，21%和26%，充填體寬度低于2.5m時頂底板移近量占巷道高度的比例過大。

由圖4可知，5個方案的兩幫移近量沿巷道高度范圍從上下至中部逐漸增大，表明巷道兩幫移近量主要是由于煤幫及支護體受壓后向巷道空間擠壓變形造成的；方案1~5對應的兩幫移近量最大值占巷道寬度的比例分別為5%，7%，8%，10%和12%，充填體寬度低于2.5m時兩幫移近量占巷道寬度的比例過大。

由方案1~5頂底板移近量平均值、兩幫移近量平均值及煤幫塑性區寬度值，作圖5所示曲線關系，當充填體寬度由3.5m減至2.5m時，位移曲線和塑性區曲線較平緩，而充填體寬度由2.5m減至1.5m時，位移曲線和塑性區曲線較陡，表明充填體寬2.5m是充填效果變化的界限值。

圖5　巷道圍巖移近量及煤幫塑性區寬度曲線

由以上數值模擬結果可知，充填體寬度設計為2.5m左右較為合理。同時充填體寬度設計須考慮充填成本，如果充填體的寬度設計為2.0m，則充填體的最終強度需要達到33MPa，導致材料的成本偏高；如果充填墻體的寬度設計為3.0m，則每個充填步距需要充入的料漿就達到25.2m3，充填工序耗時將達到3h，對后續的回采工作造成影響。所以，最終設計的充填體寬度為2.5m，不僅能使充填后巷道圍巖保持良好的穩定性，也能把充填成本控制在合理的范圍內。

4工程實踐

4.1　沿空留巷巷旁充填工藝及參數

18205工作面軌道巷充填材料選用膏體混凝土，其主要成份是：硅酸鹽水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加劑和水。根據巷旁充填體齡期指標要求，研制了適合本工作面的膏體混凝土充填料，充填料各齡期強度指標及實測強度如表1所示。

表1　充填料各齡期抗壓強度值　MPa

確定巷旁充填寬度2.5m，充填體在軌道巷內的寬度為0.9m，在采空區內的寬度為1.6m，每個充填步距為2.4m，充填體積21m3，消耗充填材料45t左右，充填2.5h，準備收尾各1h。沿空留巷的充填施工工序包括以下6個方面：

(1)移架、架后支護、清理本工作面每移架3個步距，充填1次；如遇頂板破碎段，視現場情況可采取2個步距或1個步距充填1次。充填前，須將充填空間雜物清理干凈，并將該空間頂底板整理平整。

(2)機械立模本工作面采用ZZHCY15000/20/35型巷旁充填側模板支架、ZZHCY13400/22/35型巷旁充填后模板支架、YZM1880/22/35型液壓支護模板，支架自行前移機械立模。

(3)充填材料的運輸沿空留巷充填材料運到充填泵站儲料場后通過專用螺旋給料機，輸送到BSM1002-E型混凝土泵，再經過φ108mm充填管路輸送至充填位置。

(4)充填檢查確定混凝土充填泵工作狀況正常，管路暢通后，方可進行材料的攪拌輸送；進料要均勻連續，配水要嚴格控制水灰比；注意觀察設備的工作壓力和狀況，管路堵塞立即停機處理。

(5)沖洗充填泵和充填管路充填工作完成后，清洗充填泵和充填管路。

(6)充填墻體凝固要保證不少于4h的凝固時間，確保承壓能力達到2MPa以上，再移動充填支架及模板。

4.2　沿空留巷支護方案

4.2.1充填墻體外加固

在充填墻體上沿巷道走向布置3排2.6m長4組孔的φ14型托架，每2根托架進行對接，采用IV級左旋錨桿專用螺紋鋼超高強預拉力錨桿、8號鋼筋網聯合支護，錨桿參數φ20-M22-1600mm，間排距900mm×800mm；在錨桿鋼帶鋼筋網聯合加固基礎上，噴射薄層混凝土密封充填墻體表面，防止圍巖風化，噴層厚度50mm。

4.2.2充填墻體內加固

在充填體內放置鋼筋網對充填體自身進行加固，鋼筋直徑為8mm，鋼筋網的方格尺寸為150mm×150mm，鋼筋網規格為2250mm×3000mm。充填墻體內共放置5片鋼筋網，垂直于軌道巷兩幫和底板布置3片鋼筋網，間距為1000mm，每片網距離兩面模板各200mm；平行于軌道巷兩幫布置2片鋼筋網，并用鐵絲使其與之前的3片鋼筋網連成一體。對于充填體由于受力等原因可能產生的裂隙，需要采取注漿加固的措施，以防止采空區瓦斯的泄漏。

4.3　充填效果分析

沿留巷墻體設置觀測站，測站編號為0~35號，對18205留巷巷道尺寸進行觀測，主要對1月31日及2月26日之間巷道變形數據進行統計分析，得出沿空留巷巷道尺寸變化曲線，見圖6，其中由于對觀測站1~17號處留巷巷道進行了局部拉底，所以出現了后期巷道高度大于前期高度的情況。

圖6　實測巷道尺寸變化曲線

通過現場實測數據可知：沿空留巷的頂板離層值通常為27mm左右，最大值為41mm，表明在首次采動的作用下沿空留巷的巷道頂板較為穩定，礦壓顯現比較平穩；沿空留巷巷道頂底板移近量30~170mm，兩幫移近量0~250mm，巷道圍巖變形量不大。以上實測數據表明本工程實踐充填體寬度設計為2.5m，配合相應的充填材料強度及充填體內外加固方案是合理的。

5結論

(1)建立18205軌道巷沿空留巷圍巖結構模型，得出基本頂在深入巷道煤幫大約2m的位置發生斷裂，關鍵塊體B的長度l近似等于工作面周期來壓步距12m。

(2)根據數值模擬分析結果，充填體寬度低于2.5m時穩定性及切頂能力差，不利于巷道圍巖控制；充填體寬度高于2.5m時圍巖控制效果較好，但會造成充填材料及工時過多消耗，故充填體寬度設計為2.5m較為合理。

(3)現場實測沿空巷道的頂板離層值最大不超過41mm，頂底板移近量30~170mm，兩幫移近量0~250mm，巷道圍巖控制效果良好。

[參考文獻]

[1]華心祝.我國沿空留巷支護技術發展現狀及改進建議.煤炭科學技術，2006，34(12)：78-81.

[2]張吉雄，姜海強，繆協興等.密實充填采煤沿空留巷巷旁支護體合理寬度研究.采礦與安全工程學報，2013，30(2)：159-164.

[3]李化敏.沿空留巷頂板巖層控制設計.巖石力學與工程學報，2000，19(5)：651-654.

[4]陳勇，柏建彪，徐營，等.沿空留巷巷旁支護體寬度的合理確定.煤炭工程，2012(5)：4-7.

[5]李迎富，華心祝.沿空留巷上覆巖層關鍵塊穩定性力學分析及巷旁充填體寬度確定.巖土力學，2012，33(4)：1134-1140.

[6]康紅普，牛多龍，張鎮，等.深部沿空留巷圍巖變形特征與支護技術.巖石力學與工程學報，2010，29(10)：1977-1987.

[7]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[8]方新秋，許瑞強，趙俊杰.采空側綜放工作面三角煤失穩機理及控制研究.中國礦業大學學報，2011，40(5)：678-683.

[9]馬念杰，侯朝炯.采準巷道礦壓理論及應用.北京：煤炭工業出版社，1995.

[10]李磊波，張勇.沿空留巷無煤柱開采技術在屯蘭礦的應用與研究.山西煤炭，2011(2)：53-56.

[責任編輯：林健]

特殊采煤與礦區環境治理