沿空留巷無煤柱開采力學模型及工程實踐

苗青旺

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 臨汾 041204）

煤炭資源作為我國主要的能源資源，對促進我國社會經濟的發展發揮著戰略意義[1-2]。但是，由于煤炭其不可再生性和賦存條件的復雜性，煤炭行業的可持續發展的實現要求煤炭資源在安全、高效開采的同時，提高煤炭資源的回采率。無煤柱開采中的沿空留巷技術通過將上區段的回采巷道留作下區段使用，既減少了巷道的掘進工作量，減少了區段煤柱造成的資源浪費，又避免了區段煤柱應力集中引起的頂板、圍巖失穩破壞現象，對煤炭行業的可持續發展和煤礦的安全生產具有重要的實際應用價值。

1 無煤柱開采技術的發展

無煤柱開采技術主要分為沿空掘巷和沿空留巷兩種方式，其中，沿空留巷無煤柱開采技術發展較快，在我國的各大礦區正得到廣泛的實踐應用[3-5]。

我國對沿空留巷技術和理論的研究開始于20世紀50年代，個別礦區在煤層賦存條件相對較好的區段應用沿空留巷技術，沿空留巷技術得到初步探索。20世紀70年代，隨著對巷道圍巖應力分布規律及采動引起的礦壓顯現規律研究的不斷深入，基于對回采巷道布置與礦上壓力顯現之間內在聯系的分析，部分重點煤礦開始應用沿空留巷，沿空掘巷技術得到進一步發展。20世紀90年代末，由于沿空留巷技術在主要礦區得到成功的實踐應用，業內開始制定相關的法律法規對沿空留巷技術進行系統的規范和部署，對沿空留巷技術在我國的推廣應用具有里程碑意義。21世紀以來，隨著以巷旁充填和錨桿支護為基礎的巷道圍巖控制技術的不斷完善，沿空留巷技術在各大礦區不斷攻克相關難題，得到廣泛應用和發展[6-7]。

2 沿空留巷圍巖結構體力學模型

沿空留巷開采過程中，在上區段工作面回采后，需要在回采巷道的采空區側通過充填體對采空區進行隔離，并對巷道進行穩定性維護。因此，下區段煤體、巷旁充填體和采空區矸石在基本頂來壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結構。該圍巖結構與上覆 巖層的相互作用對巷道的穩定性起著至關重要的作用，是決定沿空留巷成敗的關鍵因素。

2.1 沿空留巷圍巖結構體特征

從關鍵層理論分析的角度對沿空留巷上覆巖層與下區段實體煤、巷旁充填體和采空區矸石形成的“砌體梁”巷道圍巖結構進行力學建模分析。

圖1 沿空留巷圍巖結構示意圖

如圖1所示為沿空留巷圍巖結構，隨著上區段工作面不斷向前推進，基本頂在實體煤內發生斷裂，形成如圖1所示的結構模型。上覆關鍵層以實體煤幫和巷旁充填體為支撐點，其中巷道實體煤幫承受最大的應力集中作用，容易發生較大的變形，不利于巷道的使用。與此同時，關鍵塊體在回轉和下沉過程中發生觸矸，沿空留巷的巷道在上區段工作面回采、上覆巖層運動穩定后，下區段實體煤、巷旁充填體以及采空區矸石等共同承受由于上覆巖層運動而引起的礦山壓力。因此，從圍巖結構體的宏觀角度看，科學合理的巷旁充填體以及穩定煤幫的巷內支護對沿空巷道的穩定性控制起著重要作用。

2.2 沿空留巷圍巖結構體力學模型的建立

圖2 沿空留巷圍巖結構力學模型

如圖2所示，將模型結構簡化成彈性結構，因此，可以建立沿空留巷彈性基礎力學模型。下區段實體煤、巷旁充填體和采空區矸石共同支撐和控制上覆基本頂巖層彎曲下沉引起的承載力。

實體煤煤幫上方頂板的最終下沉量yc為：

巷旁充填體上方頂板最終下沉量ym為：

基本頂平均下沉量y為：

式中：Sk為巷幫煤體塑性區寬度，m；Hk為巷道寬度，m；Ck為充填體寬度，m；LE為巖梁寬度，近似為基本頂周期來壓步距，m。yg為沿空留巷上覆基本頂巖梁末端無阻礙沉降值，mm；mZ為直接頂厚度，m；KA為巖石碎脹系數。

從對沿空留巷圍巖結構體力學模型的分析可知，沿空留巷的穩定性與基本頂巖層的運動密切相關，同時，下區段實體煤的受力變形規律和巷旁充填體的穩定性對回采巷道的使用發揮著至關重要的作用。

3 工程實踐

3.1 工程概況

以山西潞安集團蒲縣伊田煤業2#煤層的1103工作面的沿空留巷的巷道支護設計為工程背景，其中，回采巷道的剖面圖為矩形，寬度為4m，高度為2.5m，該煤層埋深在180m左右，煤層傾角3～5°的緩傾斜煤層，煤層平均厚度為1.36m，煤層及頂底板巖層的巖性及厚度見表1。

表1 煤層及頂底板巖層的巖性

3.2 巷道支護設計

本文從對實體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護進行巷道穩定性分析。

巷內支護的基本形式為高強螺紋鋼錨桿和錨索支護方式。通過錨桿的初始支護作用有效擴散于錨桿周圍的巖體中，從而控制圍巖中新生裂紋的產生和裂紋的進一步擴展，以及節理裂隙、弱結構面等的破壞。根據錨桿支護的經驗，在結合該煤層具體地質條件的基礎上，確定頂板錨桿的直徑20mm，長度2.4m，預緊力矩300N·m，排距900mm×1000mm；實體煤幫錨桿間、排距均為1000mm；錨索直徑φ18.9mm，長度6.3m，每排2根錨索，間距1.8m，排距3m，預緊力為350kN。

充填式巷旁支護是沿空留巷多種支護形式中支護效果較好的一種支護形式，但是對充填體的強度、性能等要求較高。在工作面頂板垮落過程中要求巷旁充填體要有夠的強度以應對直接頂巖層的跨落沖擊作用。另外，巷旁充填體也應該具有較好的變形性能，以適應基本頂巖層的回轉下沉作用。

3.3 支護效果監測

通過在沿空留巷的巷道內安設巷道位移監測點，實時監測1103工作面回采期間巷道的變形規律。其中，測站1在采煤工作面前方50m處，監測工作面前方10～50m范圍內巷道巷道在超前支承壓力影響下的變形規律；測站2在采煤工作面后方10m處，用于監測工作面推過后10～50m范圍內沿空留巷的變形規律。

圖3 監測點的監測曲線

如圖3（a）所示，工作面前方巷道受超前支承壓力的影響，隨著工作面的推進，在工作面前方10～30m的范圍內巷道變形量較大；兩幫移近量為25mm，其中巷旁充填體的變形量為5mm；頂底板移近量為32mm，頂板下沉量為11mm，底板向上的移近量為21mm。巷道變形仍以實體煤幫與底板變形量為主。如圖3（b）所示，兩幫移近量為20mm，巷旁充填體的變形量為2mm，實體煤幫向巷道的移近量為18mm；頂底移近量為25mm，頂板下沉量為15mm。

4 結束語

沿空留巷開采過程中，下區段煤體、巷旁充填體和采空區矸石在基本頂來壓作用下，將形成“煤體－充填體－矸石”的沿空留巷的巷道圍巖結構。

通過對山西潞安集團蒲縣伊田煤業2#煤層的1103工作面（上區段）的沿空留巷的過程中實體煤煤幫、頂板和巷旁充填體的支護進行巷道穩定性分析，進一步驗證了該圍巖結構與上覆巖層的相互作用對巷道的穩定性的作用，是決定沿空留巷成敗的關鍵因素。