沿空留巷巷旁支護體最優寬度研究

楊福禹 張振揚 任振群 郝生雷 周江闊

(兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦，山東省濟寧市，272069)

近年來，沿空留巷是我國無煤柱護巷技術研究的重要組成部分，沿空留巷技術能夠實現煤炭采出率的提高、巷道掘進量的降低、解決采掘接替的矛盾、增加煤礦的服務年限，避免煤炭資源的大量損失，其技術優勢和經濟效益顯著。但是，隨著沿空留巷技術在我國近水平煤層的廣泛應用，成本高、巷旁支護強度低、巷道變形大、效果差等問題成為制約沿空留巷技術研究的瓶頸。

針對現階段沿空留巷技術存在的諸多問題，本文以濟寧三號煤礦183上04工作面沿空留巷為研究背景，通過建立力學模型和數值模擬分析，確定沿空留巷巷旁支護體最優寬度，對濟寧三號煤礦沿空留巷經濟技術指標及安全生產提供一定的借鑒，且對沿空留巷技術的發展研究具有一定啟示。

1 沿空留巷巷旁支護體寬度理論研究

巷旁支護體的寬度是影響支護體穩定性的關鍵，支護體寬度與其穩定性一般成正比關系，但寬度的增加會造成留巷成本增加，施工效率降低。巷旁支護體的寬度選擇目前沒有統一標準，一般采用經驗類比法來確定。根據國內外支護體寬高比的經驗，巷旁支護體的寬度通常為采高的0.6～0.9倍。巷旁支護體的合理寬度的確定，需要充分考慮旁巷支護體寬度對自身穩定性的影響，避免因支護體寬度的過小而產生的支護體拉壞或壓壞變形失穩。根據巷旁支護體與圍巖相互作用關系建立巷旁支護體力學模型，如圖1所示。

圖1 巷旁支護體力學模型

通過分析和計算，可得巷旁支護體寬度B的最小值。

巷道側拉應力達到破壞極限時：

式中：h——墻體高度，m；

f——支護體與頂板間摩擦系數；

q1——巷道側頂板載荷集度，MPa；

q2——采空側頂板載荷集度，MPa；

Rt——支護體抗拉強度，MPa。

采空側壓應力達到破壞極限時：

式中：Rc——支護體抗壓強度，MPa。

實際計算時，可根據同類型頂板條件下所測的礦壓資料，采用類比法來簡化支護體上不均布載荷，根據不同情況可分別簡化為三角形分布、直角梯形分布或矩形分布，為現場試驗提供巷旁支護體的寬度下限。

將濟寧三號煤礦183上04工作面具體參數代入式(1)和式(2)，從墻體受力破壞的角度計算得到了巷道的寬度，從沿空留巷墻體穩定性要求的角度，一般要求寬高比不少于0.5，因此，當墻體高度為1.4 m時，墻體寬度不應低于0.7 m，考慮到旁巷支護體結構設計和更高的安全要求，183上04工作面沿空留巷旁巷支護體寬度取0.75 m。

2 不同支護體寬度對沿空留巷圍巖變性特征的影響

運用數值模擬方法，對不同寬度支護體對圍巖變性特征的影響進行研究，通過圍巖應力、頂底板及兩幫變形量分析，確定支護體寬度。依據濟寧三號煤礦183上04工作面地質條件，在巷內支護形式及參數確定的情況下，模型分為0.5 m、0.75 m、1 m和1.5m共4種支護體寬度進行模擬。

2.1 不同支護體寬度垂直應力分析

為了研究不同支護體寬度對巷道圍巖垂直應力的影響，列出4種模擬方案的垂直應力等值線圖，如圖2所示。由圖2可以看出，不同支護體寬度下的垂直應力分布規律基本一致，應力集中主要出現在支護體內部和煤幫深處約7～9 m范圍內。當支護體寬度從0.5 m增加到0.75 m時，煤幫深處最大垂直應力由31 MPa減少到29 MPa，下降了6%，支護體應力由5 MPa增加到6 MPa，增長了20%，增幅較為明顯；從0.75 m增加到1 m時，煤幫深處應力減少3%，支護體應力增加8%；支護體寬度繼續增加到1.5 m時，煤幫深處和支護體垂直應力仍有增加，但增幅已經趨于穩定。結果表明，隨著支護體寬度越大，支護體的垂直應力增大，承載能力增強，分擔了煤幫深處的壓力，減小煤幫深處的垂直應力，符合“硬支多載”規律；當支護體寬度達到一定值后，繼續增加支護體寬度，煤幫深處和支護體垂直應力的變化已不明顯，說明支護體寬度存在最優值；證明了支護體主要起到維護留巷圍巖穩定的作用，影響圍巖應力分布及峰值的主要因素是上覆巖層的大結構。

2.2 不同支護體寬度頂底板變形分析

為了研究不同支護體寬度對頂底板變形量的影響，列出4種模擬方案的巷道頂底板的變形曲線圖，如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知，隨著支護體寬度的增加，巷道頂底板變形量逐漸降低。分析巷道頂底板變形與支護體寬度的關系，支護體寬度由0.5 m增加到0.75 m時，巷道頂板的下沉量減少32～39 mm，平均減少35.5 mm，底板底鼓量減少28～32 mm，平均減少30 mm；由0.75 m增加到1 m時，巷道頂板的下沉量平均減少14.5 mm，底板下沉量約10 mm；繼續增加到1.5 m時，巷道頂板的下沉量平均減少13.5 mm，底板變形量減少10 mm。研究表明，支護體寬度與巷道頂底板變形量成反比的關系，表明支護體寬度的增加可以有效控制頂底板的變形；支護體寬度由0.5 m增加至0.75 m時，頂底板變形量減少最大，隨著支護體寬度進一步增加，頂底板變形量仍有小幅的下降，但下降幅度已經趨于穩定。同時，隨著支護體寬度增加，支護體頂底板變形量逐漸減少。支護體寬度由0.5 m時增加到1.5 m，支護體頂板變形量減少了30 mm左右；由0.75 m增加到1 m時，支護體頂板變形量減少了16.5 mm左右；繼續增加到1.5 m時，支護體頂板變形量繼續減少，但減少量基本趨于穩定；支護體厚度為0.75 m時，支護體頂板下沉量與該處巷道頂板下沉量基本一致，此時，支護體頂板下沉與小結構變形基本保持一致。支護體寬度繼續增加至1.5 m時，支護體頂板下沉量大于該處巷道頂板下沉量，在維護頂板完整性方面發揮的作用被削弱；支護體底部變形趨勢與巷道圍巖變形趨勢大致一樣。

圖2 不同支護寬度下的垂直應力等值線圖

圖3 巷道頂板變形曲線

圖4 巷道底板變形曲線

2.3 不同支護體寬度兩幫變形分析

為了研究不同支護體寬度對兩幫變形量的影響，列出4種模擬方案的兩幫變形曲線如圖5和圖6所示。

圖5 巷道煤幫變形曲線

圖6 支護體幫變形曲線

由圖5和圖6可以看出，隨著支護體寬度增加，巷道的兩幫變形量逐漸減小；煤幫側變形量沿底板至頂板逐漸增大，而支護體側變形量則為中間大、兩邊小分布狀態，煤幫側變形總體大于支護體幫部。支護體寬度由0.5 m增加到0.75 m時，煤幫部和支護體幫部變形量分別減少了約20 mm和19.5 mm；由0.75 m增加到1 m時，煤幫部和支護體幫部變形量分別減少了約10 mm、9.5 mm；繼續增加到1.5 m時，兩幫的變形量繼續減少，但下降幅度越來越小，變形逐步趨于穩定。由此可知，支護體寬度的增加可以有效控制巷道兩幫的變形量。因此，支護體寬度存在最優值。

綜上所述，沿空留巷巷旁支護體寬度的存在最優值。當寬度小于最優值時，巷道頂底板及兩幫的變形量較大，留巷效果較差；當寬度等于該值時，巷道頂底板及兩幫的變形量明顯減少；當寬度大于該值時，頂底板及兩幫的變形量并沒有發生明顯減小現象，變形逐步趨于穩定。這是由于巷道頂板處于巷旁支護體和煤幫支撐的給定變形的狀態，當頂板巖層活動穩定后，隨著巷旁支護體的寬度增加，頂板的變形量的下降幅度會越來越小，最后即使支護體寬度繼續增加，巷道位移變形也會逐步趨于穩定。另外，最優的支護體寬度既可以控制巷道的變形量，保證沿空留巷取得成功，又可以有效減少留巷的工期和費用，實現工作面的高產高效。因此，183上04工作面沿空留巷巷旁支護體的最優寬度為0.75 m。

4 工程實踐

通過對濟寧三號煤礦183上04工作面4個測站的變形觀測和實際數據分析可知，該沿空留巷巷道頂底板相對移近量均在380 mm以下，巷道圍巖總體變形量較小，未發生大的破壞變形；頂板活動劇烈時期分布也符合頂板應力分布規律。所以，183上04工作面沿空留巷旁巷支護體寬度選取實現最優。

5 結論

(1)通過對沿空留巷巷旁支護體寬高比的理論研究，建立巷旁支護體力學模型，推導出巷旁支護體寬度計算公式，從理論角度確定旁巷支護體的最優寬度。

(2)運用FLAC數值模擬軟件建立了0.5 m、0.75 m、1 m和1.5 m四種支護體寬度模型，對不同寬度支護體對圍巖變性特征的影響進行研究，通過圍巖應力、頂底板及兩幫變形量分析，對旁巷支護體最優寬度理論的可行性進行了驗證。

(3)最優旁巷支護體寬度的研究不僅提高了沿空留巷現場施工的安全性，也提高礦井生產經濟效益，對沿空留巷技術的發展研究具有一定借鑒意義。