深部厚硬頂板下充填面留巷大變形分析及控制

苗凱軍，屠世浩，劉 迅，紀欣卓

(1.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

沿空留巷作為一種無煤柱開采技術具有許多優點，可提高煤炭采出率、降低礦井掘進率、實現Y型通風解決瓦斯問題等。目前，該技術在條件較好的薄及中厚煤層中已日漸發展成熟[1]，但在深部和堅硬頂板等復雜條件下因礦壓顯現劇烈和強烈的開采擾動導致留巷圍巖發生大變形，以致于留巷技術在深部難以推廣[2-4]。近年來應國家對礦山綠色開采的要求，固體充填開采技術得到了迅速的發展和推廣[5]。憑借其較好的巖層控制效果和緩和的礦壓條件，有利于克服深部、堅硬頂板等復雜條件下沿空留巷無煤柱開采的技術難題[6]。對此，許多學者對充填開采條件下的沿空留巷技術進行了大量的研究和實踐。

黃艷利等[7]認為合理地組織采充留工藝和充實率較好的條件下巷旁充填體的形式和合理的支護方案是沿空留巷的施工關鍵。張吉雄等[8]通過建立夯實引起的側壓力對矸石墻穩定性影響的力學模型，確定了合理的巷旁矸石墻寬度。此外，對不同形式的巷旁支護體及其力學特性也已經有相關研究:巨峰等[9]通過數值模擬優化了矸石墻的強度、寬高比和采空區充實率;譚云亮等[10]提出了“柔-強”巷旁支護體的適應性;龔鵬[11]建立了充填區對巷旁支護體側壓力分析模型，分析了混泥土巷旁支護體的留巷特征;陳志維等[12]提出矸石帶與注漿聯合留巷技術可減小巷道變形量。上述研究表明，在沿空留巷技術中，采空區充實率和巷旁支護體的力學特性對留巷效果具有重要影響。

調研發現，因矸石供應量不穩定，面對深部厚硬頂板條件下充填面沿空留巷大變形的問題，盲目地提高護巷矸石墻強度、增加矸石墻寬度、加強巷內支護，不僅導致沿空留巷施工效率降低和成本增大，而且留巷效果仍然不能得到保證。

筆者以山東某“采選充”一體化礦井的沿空留巷為工程背景，對深部充填面沿空留巷的厚硬頂板運移特征進行了分析，采用等價采高理論得出了充實率和留巷頂板下沉量的幾何關系，提出了對應的留巷大變形控制對策，通過數值模擬和現場實測證明所提措施可有效控制留巷的大變形。

1 工程概況

研究礦井為山東某采選充一體化礦井，礦井開采水平為-810 m，地面標高為43 m。為實現矸石不出井、緩解礦井提升壓力，井下采用了“采選充+留”一體化開采模式[13]，實現了井下矸石分選并在充填面實行了沿空留巷。

1302N-2長壁充填工作面位于一采區，主采3上煤，工作面長85 m，煤層采高平均2.7 m。直接頂為20 m厚的粉砂巖，基本頂為4 m厚的細粒砂巖，直接底為1.5 m厚的泥巖。回采巷道凈寬5 m，凈高3.7 m。初次掘巷沿煤層頂板掘進，破泥巖底板成巷，采用錨網索聯合支護。對工作面運矸巷采用巷旁壘砌矸石墻的方式沿空留巷，充填材料為粒徑<50 mm的矸石，裝滿矸石的編織袋尺寸為0.3 m×0.5 m×0.2 m，壘筑寬為2～3 m的矸石墻。

目前對矸石墻廣泛采取的支護方式為“錨桿+金屬網+鋼帶+鋼筋梯梁”。據現場實測，矸石墻內部應力遠低于原巖應力[8]，通過在采空區側隨矸石墻壘筑敷設薄層復合材料實現采空區的密閉。

工作面端頭留巷側采取多種措施進行頂板管理。對頂板采取加強支護措施如圖1所示，除端頭支架外，對施工矸石墻處頂板，在端頭支架前采用鋼帶或回收的輸送機膠帶配合錨桿進行支護，簡稱為“皮錨帶支護”。在巷道超前范圍內對頂板補打錨索，上端頭7 m范圍內鋪設菱形網。留巷巷內，從矸石墻施工位置起10～20 m采用單體支護，單體支護之后支設φ22 cm的圓木墩柱隔離護巷矸石墻，在留巷前期支撐頂板以掩護矸石墻的留設，防止留巷失穩和躥矸傷人。

圖1 留巷側端頭支護Fig.1 Support diagram of retaining entry side

經現場調研發現，在充填留巷后，隨著工作面推進，工作面后方超過一定距離，頂板運移基本穩定，部分留巷區段出現了嚴重的大變形，嚴重影響了留巷巷道的使用。

2 厚硬頂板留巷大變形分析

本工程中的留巷大變形主要表現為頂板劇烈下沉、矸石墻側向大變形和強烈的底臌，位置主要分布于工作面充實率較低區域，發生于采空區頂板劇烈下沉階段。其中劇烈的底臌是由于深部開采的高原巖應力和強開采擾動特征與本工程的泥巖底板地質條件相疊加形成的。在巷道采取起底措施后，底板變形基本穩定，對留巷變形影響較小。因此，主要需分析頂板下沉和巷旁充填體的側向大變形。

對于長壁固體密實充填采煤沿空留巷，根據充填開采巖層移動特征，在充實率超過一定值后，采空區覆巖運移特征將呈兩帶發育，直接頂、基本頂無明顯破斷和垮落現象[14]。假設厚硬頂板整體向采空區發生回轉下沉，充填采空區近似均勻下沉，可建立厚硬頂板下充填開采沿空留巷結構力學模型(圖2)。根據沿空留巷頂板的變形特征，頂板在橫向可分為3個區:受彈性煤體支撐的彈性變形區A，受采空區充填體支撐的壓實變形區C，以及受塑性煤壁、巷內支護、護巷矸石墻、采空區充填體共同支撐、支護的變形協調區B。

圖2 厚硬頂板下充填開采沿空留巷結構力學模型Fig.2 Mechanical model of backfilling gob-side entry retaining under thick and hard roof

圖2中，L1為留巷煤幫P至煤體彈塑性邊界O的距離，m;L2為巷道跨度，m;L3為矸石墻寬度，m;L4為不夯實充填區寬度，m;L0為變形協調區長度，m。

B區巖梁直接處于留巷上方，其運移對沿空留巷起決定性作用，因此被稱為“關鍵塊”[15]。為實現對關鍵塊的控制作用，根據頂板“S-R”穩定性原理[16]，從采場角度可通過提高采空區充實率減小C區頂板的下沉量，進而增加頂板間的擠壓和咬合作用，間接限制了關鍵塊的回轉下沉量。采空區充填效果越好，頂板完整性越好，厚硬頂板沿空留巷的頂板下沉越符合本結構力學模型。

充填開采沿空留巷巷旁矸石墻與傳統的沿空留巷巷旁支護體不同，矸石墻不需要具備很大的強度去切斷頂板，僅需發揮結構性支撐作用減小頂板巖梁的跨度和維護頂板自身的完整性。而且，在頂板的給定變形下，受側限支護的矸石墻在有限的強度范圍內，其強度越大，側向變形量越小。因此，根據巷道圍巖控制的大小結構穩定性原理[17]，依次分析采空區充實率和矸石墻強度等因素對留巷大變形的影響。

2.1 充實率與頂板下沉量

根據等價采高理論[18]，工作面采高H由采空區頂板下沉量Δhg(包括頂板提前下沉量、欠接頂量、充填物料的壓縮變形量)和充填體壓實高度Hz組成，與充實率φ關系為

Hφ=Hz

(1)

H(1-φ)=Δhg

(2)

Q處沿空留巷頂板最大下沉量為Δhv，假設厚硬頂板整體發生回轉，則S處B區和C區的頂板下沉量相等，均為Δhg。根據圖2，變形量符合以下幾何關系:

(3)

留巷頂板最大下沉量與充實率的關系為

(4)

為保證充足的留巷斷面，工程要求頂板下沉量要小于ΔZ(頂板最大變形量),則充實率應滿足

(5)

2.2 矸石墻強度與側向變形分析

矸石墻作為護巷結構體，在構筑矸石墻之前，受采動影響頂板已經發生了微小下沉。護巷矸石墻施工接頂后，距工作面一定距離的留巷段頂板受來壓影響，將發生劇烈回轉下沉。劇烈的頂板回轉對矸石墻產生壓縮，待關鍵塊回轉完充填在采空區側的欠接頂空間之后，隨采空區充填體的壓實，留巷進入穩定變形階段，關鍵塊對矸石墻的壓縮作用也趨于穩定。因此，矸石墻構筑后在頂板發生回轉作用下受壓發生流變，矸石墻內充填材料必然發生側向移動。側向移動作用于矸石墻側限支護的“錨網帶梁”支護構件，隨即產生了矸石墻的側向大變形。因此需要增加其強度，減弱矸石墻受壓的流變特征。

2.3 矸石墻支護讓壓距離

工程實踐中發現，充實率確定的情況下，頂板下沉量變化較小，矸石墻受壓為給定變形狀態。在現有的支護密度下，矸石墻強度不變。矸石墻受壓發生流變過程中，“錨網帶梁”的豎向鋼帶全長接頂接底支護不利于側向變形的釋放。采取不同長度的鋼帶支護，矸石墻變形特征不同。因此將豎直鋼帶距離頂底板的距離之和稱為矸石墻支護的讓壓距離，確定強度的矸石墻下合理的讓壓距離有利于減小矸石墻的側向變形量。

由此得出，采空區充實率是厚硬頂板充填工作面沿空留巷大變形的主控因素，在充實率確定的情況下，矸石墻強度影響墻體整體變形的大小，矸石墻支護的讓壓距離有利于釋放流變變形。以本礦井為例，通過充填控制頂板最大變形量ΔZ為300 mm，根據一側采空煤柱彈塑性變形及應力分布規律[16]，塑性區寬度L1一般為3～20 m，充填開采時取最小值3 m，巷道跨度為5 m，護巷矸石墻寬度取2.2 m,不夯實距離取3 m，采高H取平均值為2.7 m，則采空區充實率需>82%。

3 留巷大變形控制對策

通過對厚硬頂板充填面沿空留巷大變形的原因分析可知，采空區充實率不足是沿空留巷發生大變形的根本原因。因此，提高采空區充實率是本工程中控制留巷大變形的主要手段。

對于傳統的充填開采，來自地面的矸石供應量充足，可保證工作面達到設計的充實率。然而，在采選充一體化礦井中，因礦井系統復雜，運矸系統運行穩定性較差，井下生產系統的產矸量、煤矸分離系統的分選量、煤矸物流系統的運輸量均存在一定的波動性，導致局部留巷側的充實率不足。因此，首先需明確本工程條件下不同充實率的留巷圍巖的應力位移規律，繼而在均衡礦井矸石充填量后提出了低充實率下的留巷大變形控制對策:① 優先加強留巷側采空區充填;② 提高矸石墻強度;③ 優化矸石墻支護參數。

由于充填采空區的不可接觸性，以及現場實測存在安全性差、觀測實驗費用昂貴的問題，本文采用FLAC3D軟件進行了數值模擬研究。

3.1 模型的建立

以研究的采選充一體化礦井留巷的充填工作面建立數值模型，模型長200 m，包括工作面長85 m，兩巷寬5 m，高取4 m。兩側留有煤柱，左側煤柱寬50 m，右側煤柱寬55 m，以消除邊界效應。沿工作面推進方向中部截取1 m，模型高83 m，建立模型如圖3所示。頂板有20 m厚的粉砂巖為直接頂，其上有細粒砂巖、粉砂巖、中粒砂巖、泥巖，底板包含泥巖、粉砂巖、細粒砂巖，在巖層間建立Interface模擬開挖后層理弱面對巖層位移和應力的影響[19]。對模型四周和底部施加位移邊界條件，依據工作面附近的地應力測試結果對頂部施加18.13 MPa的等效載荷，X方向施加最小主應力11.25 MPa，Y方向施加最大主應力20.96 MPa，Z方向施加中間主應力20.16 MPa。初始地應力生成均采用Mohr-Coulomb Model，煤層開采后采空區充填和巷旁矸石墻均采用Double-Yield Model模擬碎石的壓實過程[20]，采空區不同的充實率以充填體不同的最大體應變表征，參數見表1。以巖石力學實驗為基礎，通過經驗折減，煤巖層物理力學參數見表2。

圖3 頂底板特征及數值模型Fig.3 Roof and floor strata characteristics and numerical models

表1 雙屈服本構模型物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of double-yield model

3.2 模擬方案

模擬采取單因素分析法。研究方案見表3。為明確深部厚硬頂板不同充實率條件下的留巷圍巖的應力位移特征，因實際充填開采中充實率不能達到100%，工作面平均充實率一般>50%，并與垮落法管理頂板進行對比，于是，筆者提出：

(1)方案1：采空區充實率分別取0,50%,60%,70%,80%,90%。

表2 煤巖層物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

表3 數值模擬方案Table 3 Numerical simulation scheme

(2)方案2:優先加強留巷側采空區充填。工作面平均充實率為φ，長度為Ll的工作面沿走向分為提高充實率段Lt(充實率φt)和降低充實率段Lj(充實率φj)。在充填矸石量不足且固定的情況下，建立不同充實率段長度和充實率關系如下:

Lt+Lj=Ll

(6)

Ltφt+Ljφj=Llφ

(7)

工作面長度Ll取85 m，平均充實率φ取60%。綜合覆巖控制效果和經濟因素，根據工程經驗，φt取80%，以加強充填段長度Lt為變量，最大Lt需超過工作面長度的一半，即42.5 m，對Lt分別取6個長度參數:8,16,24,32,40,48 m，據此提出方案2,見表4。

(3)方案3:為控制矸石墻側向大變形，參考常用的巷旁支護技術，矸石墻強度一般<6 MPa，所以提出分別模擬巷旁支護體強度為2,3,4,5 MPa條件下的留巷效果。

表4 方案2各數值實驗詳細參數Table 4 Detailed parameters of each numerical experiment in the second scheme

(4)方案4:根據矸石袋無側限支護下的壓縮實驗[21]，最大垂直應變為0.17，建模巷高4 m，最大垂直變形為0.68 m，則取矸石墻支護讓壓距離分別為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 m。

3.3 模擬結果分析

3.3.1工作面充實率

方案1中不同充實率下直接頂應力分布如圖4所示。模型開挖后，對采空區采用Double-Yield Model進行充填，運行相同的計算時步后，通過對直接頂應力分布進行監測發現:隨著充實率的增大，工作面側向支承壓力逐漸降低，應力集中系數由垮落法開采時的2.20降低至1.42，采空區頂板受充填體支撐作用逐漸增大，在壓實較為充分的采空區中部，由13.08 MPa逐漸上升至19.85 MPa，充實率80%和90%時采空區中部支承壓力基本相等。

圖4 不同充實率下直接頂應力分布Fig.4 Stress distribution of direct roof under different backfilling percentage

工程中發現，充實率較低的情況下，對應留巷段的礦壓顯現較為劇烈，頂板下沉量較大，巷道變形劇烈，且難以補救。而充實率>80%后，巖層控制效果差異較小，工作面來壓較弱。不同充實率下直接頂位移特征如圖5 所示。關鍵塊運移特征整體表現為向采空區側發生回轉下沉，與結構力學模型中的頂板運移假設具有較好的一致性。充實率為0時，頂板下沉量達373 mm。隨著充實率增大，頂板下沉量逐漸減小，充實率由60%增大至90%，留巷頂板下沉量由275 mm降低至125 mm。

3.3.2留巷側加強充填

根據方案2(表4)對留巷側進行加強充填，模型開挖至應力平衡后，測線布置于煤層之上3 m的直接頂。不同加強充填段長度下覆巖應力云圖如圖6所示，圖6(a),(g)的采空區應力峰值位于采空區中部，由圖6(a)～(f)，隨著留巷側加強充填區域變長，由圖6(b)開始，留巷側加強充填區域開始表現出高支承應力，且由圖6(b)～(f)，高支撐應力區域長度逐漸變長，由圖6(c)開始出現高于原巖應力的承載區，且圖6(c)～(f)，高于原巖應力的承載區長度逐漸變長。

圖6 不同加強充填段長度下覆巖應力云圖Fig.6 Overburden stress cloud diagram at different lengths of strengthen backfilling section

提取測線數據，直接頂應力分布如圖7所示。對于加強充填段，除曲線A外，頂板垂直應力由留巷側向采空區側逐漸升高，且加強充填段長度大于24 m后，曲線C，D，E，F應力峰值超過原巖應力19.8 MPa。證明加強充實段需要大于一定的長度才能保證其充實率充分發揮對頂板的支撐作用，而不被矸石的流動特性所削弱。隨Lt的增大，頂板的垂直應力峰值向采空區中心轉移，有利于減小采空區充填體對矸石墻的側向擠壓作用。對于充實率降低段，其長度由77 m減小到37 m，對應充實率由58%降至40%，頂板的垂直應力逐漸降低。在工程中表現為，隨Lt的加長更有利于沿空留巷圍巖控制。然而工作面充實率不同的過渡段垂直應力的差值逐漸增大，會給工作面設備選型和頂板管理帶來影響。

圖7 直接頂應力分布Fig.7 Stress distribution of direct roof

由圖8可知，曲線A～F隨加強充填段的加長，留巷頂板下沉量逐漸減小，留巷頂板最大下沉量由310 mm減小到244 mm。與全工作面按60%充實率充填的曲線G相比，僅有曲線D,E,F更好地控制了留巷頂板下沉。結合圖7，除曲線A外，充填加強側頂板應力普遍高于曲線G，可見通過加強留巷側充填的措施，增強采空區充填體對頂板的支撐作用和減小留巷頂板下沉的下沉量均需加強充填段超過一定的長度。方案中，對于加強充填段長度，為減小頂板下沉量需大于32 m，為增強對留巷頂板的支撐作用需大于8 m。

3.3.3矸石墻強度

選取方案2中編號為D模擬條件，因其更好地控制了留巷頂板下沉。對巷旁矸石墻采用不同參數的Double-Yield Model進行模擬，通過標定其強度值，分別模擬矸石墻強度為2,3,4,5 MPa時的留巷效果。根據數值模擬結果可知，因矸石墻強度有限，沿空留巷頂板下沉量受矸石墻強度影響較小。由圖9可知，隨著矸石墻強度的增大，直接頂受矸石墻的支撐作用逐漸增大，但增幅較小。由圖10可知，矸石墻在壓應力下產生的側向變形量逐漸減小，在矸石墻中部，側向位移由395 mm減小至184 mm。

圖8 留巷頂板下沉量Fig.8 Direct roof displacement characteristics of retained roadway

圖9 直接頂應力分布Fig.9 Stress distribution of direct roof

圖10 矸石墻的側向變形量Fig.10 Lateral deformation of gangue lining wall

3.3.4矸石墻支護讓壓距離

選取方案2中編號為D模擬條件，矸石墻強度取5 MPa。因實際中護巷矸石墻內應力較小，留巷過程中鮮有鋼帶和錨桿的失效情況發生，所以采用Beam構件和Cable構件模擬鋼帶和錨桿的側向約束作用，構件間采用剛性聯結。通過減小Beam構件長度分別模擬鋼帶的支護讓壓距離為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6 m的情況。模型計算相同時步后，隨著讓壓距離的加大，如圖11所示，頂板對矸石墻的壓應力明顯減小。但是留巷頂板下沉量基本沒有變化。根據圖12統計，矸石墻側向的變形量明顯減小，讓壓距離由0.2 m增大至0.6 m，側向變形量由366 mm減小至210 mm，讓壓距離>0.4 m后側向變形量減小幅度降低。工程中因矸石墻施工初期阻擋矸石袋的需要，矸石袋高0.2 m，鋼帶距頂底板均讓出0.15～0.20 m的長度，支護的讓壓距離取0.3～0.4 m。

圖11 不同支護讓壓距離下頂板應力分布Fig.11 Stress distribution of roof under different support pressure relief distances

圖12 不同支護讓壓距離下矸石墻側向變形Fig.12 Lateral deformation of gangue lining wall under different support pressure relief distances

4 現場實測

充填工作面在實際充填過程中，由于矸石量供應不穩定，存在不同充實率的留巷段。本文分別對充實率為60%和充實率為80%的留巷段進行了為期60 d的留巷圍巖變形監測，其中工程條件1:充實率為60%的留巷段，矸石墻采取鋼帶全長支護，讓壓距離為0。工程條件2:充實率為80%的留巷段，矸石墻支護讓壓距離為0.4 m，支護方式如圖13所示。監測結果如圖14所示，從工程條件1到工程條件2，采取提高充實率和增大矸石墻讓壓支護距離后，巷道頂板下沉量由376 mm減小到329 mm，與結構力學模型所述充實率與頂板下沉量關系基本一致。矸石墻側向變形由347 mm減小至199 mm，控制效果較好，表明控制對策有效。巷道煤壁側位移量變化較小，對較大的底臌量采取了起底措施。

圖13 矸石墻的讓壓支護方案Fig.13 Pressure relief supporting scheme of gangue lining wall

圖14 充實率不同的留巷段變形監測Fig.14 Deformation monitoring of retained entry area under different engineer conditions

現場施工時，留巷寬度比原巷道擴大300 mm，預留出了足夠的矸石墻側向變形空間。此外，為減小夯實作用對矸石墻施工的影響，矸石墻施工位置一般為上巷，且靠近矸石墻的采空區側2～3架距離只卸矸，不進行夯實處理。

5 結論與展望

(1)在充實率較好的情況下，厚硬頂板整體向采空區側發生回轉，建立的厚硬頂板下充填開采沿空留巷結構力學模型可較好地描述采空區充實率和頂板下沉的關系，實測充實率為80%時頂板下沉量為329 mm，與理論計算結果具有較好的一致性。

(2)充實率是影響厚硬頂板下充填開采沿空留巷巷道變形的根本原因，提高采空區充實率是巷道大變形控制的主要手段。此外，增大矸石墻強度和確定矸石墻讓壓支護的合理距離有利于減小矸石墻的側向大變形。

(3)數值模擬表明，矸石有限的情況下，超過一定長度加強留巷側采空區充填有利于留巷圍巖的控制。對于加強充填段長度，當Lt大于一定值才能克服矸石自身的流動特性，起到對覆巖較好的承載作用。隨Lt增大，充填體對覆巖的支撐應力峰值向采空區移動，有利于減小對留巷施工的干擾。隨Lt增大，另一側充實率降低，導致充實率過渡段應力差值較大，會對設備選型和頂板管理產生影響。

(4)實測表明，采取巷旁加強充填、矸石墻支護合理讓壓的措施可有效控制留巷大變形，有效減小了頂板下沉量，顯著控制了矸石墻側向大變形。

為提高矸石墻強度，通過加強矸石墻側向支護，其成本高，效果差。因此需研發新型的矸石及聚合物充填材料，以期通過水泥等凝膠材料，配合破碎矸石中的大小骨料，形成井下高強度、低成本、易施工的混凝土材料。研究證明加強留巷側采空區充填的措施有效，工程中的矸石物流運輸的流量控制、過渡支架的設備配套等問題，需要進一步開展相關研究。