深部開采沿空留巷充填體寬度確定及圍巖控制效果分析

白清才

【摘 要】 沿空留巷開采技術具有良好的經濟效益和社會效益，但隨著開采深度不斷延伸，留巷填充寬度的確定問題逐漸涌現。為科學解決以上問題，文章以某礦沿空留巷回采技術為依托，采用數值模擬的方法進行分析，得出填充寬度3m最佳。鑒于安全考慮現場設置填充寬度3.5m，通過施工后對巷道圍巖進行考察，考察結果顯示，填充寬度安全可靠。

【關鍵詞】 沿空留巷;數值模擬;填充寬度;效果考察

【中圖分類號】 TD713 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0010-02

1工程背景

某礦2311工作面臨近面為2309工作面，主采煤層為3#煤層，平均煤層厚度6m，面長1250m，面寬190m，采用綜合機械化放頂煤開采方式，工作面平均埋深1400m。2309工作面已經采完，原工作面面長1250m，面寬200m，2309運輸巷為靠近2311工作面回風巷一端。巷道布置圖如圖1所示。原2309運輸巷寬6m，高3.5m，為半圓結構。現擬將2309運輸巷進行重新支護，作為2311綜放面回風巷。

2沿空留巷圍巖應力分析

為確定沿空留巷的填充寬度以及填充后巷道圍巖支護措施，本文進行了不填充、填充2m、填充3m和填充4m時巷道圍巖應變模擬研究，采用耦合模擬軟件COMSOL進行數值模擬。假設填充物均勻，填充材料均勻，所有材料的模擬均在彈性范圍內，不考慮多孔介質內部滲流現象，不考慮溫度對模型的力學改性現象。采用彈性固體應力模型進行模擬。煤層頂板為粉砂巖，底板為泥巖，各個巖層力學參數如表1所示。模擬結果如圖2、圖3所示。

圖2模擬了經過10個月后，沿空留巷周圍巖石應力的分布云圖。假設巷道周圍煤巖為彈性介質，巷道周圍巖石應力為1.0×108～2.0×108Pa。圖3模擬了頂板在不同填充厚度時，頂板巖石應力演化曲線，分別模擬了0個月、1個月、2個月、3個月、4個月、5個月、6個月、7個月、8個月、9個月、10個月共計11個時間點巷道頂板應力分布曲線圖。

由圖3可知，當沿空留巷中無填充時，整個巷道以及采空區頂板受到約1.68×108Pa的應力，底板受到約1.8×108Pa的應力，應力峰值突破頂、底板巖石的彈性極限，現場為全部垮塌散落狀態。當巷道填充寬度為2m時，應力基本全部集中在了填充柱上，有效地控制了巷道頂板應力分布集中的現象，應力大面積集中區域處于填充柱體中部，應力集中區呈矩形狀態。當巷道填充3m時，應力集中區域依舊分布在填充柱體上，應力大面積集中區域位于填充柱中部，集中片區呈葫蘆形狀。當填充寬度達到4m時，頂部應力集中區出現大面積分區，即采空區，填充柱體承受了大部分應力，填充柱體應力集中區出現水平兩側分離現象。填充柱水平方向中部出現應力下降的現象。因此，實際會出現失穩的情況。

通過分析圖3可知，無支護情況下，初始頂板應力隨著距離巷幫長度增大呈現上升趨勢，到達2m范圍后基本穩定在平穩點0.88×108Pa上。隨著時間的推移1月時間點時，頂板應力在2.3m位置點增加到1.3×108Pa這個最高點上后出現下降又上升最后趨于平穩的狀態;2月、3月、4月、5月、6月、7月、8月應力曲線分布和1月一致，但隨著時間推移，后期波動漸漸趨于平緩。9月時又再次出現大幅波動，并且所有波動點達到最高點，10月又開始下降到平穩點。推測9月出現大面積破裂現象。分析填充2m、3m、4m的曲線演化圖可知，巷道頂板應力基本出現由左向右下降的趨勢，但填充寬度為3m的曲線應力變化整體較為平緩。

綜上所述，填充寬度2m時，應力過于集中于填充柱，容易造成填充柱過早垮塌;填充寬度為4m時，容易造成填充過渡，造成工程浪費的現象。因此建議填充寬度為3m。

3沿空留巷填充寬度確定及圍巖控制措施

通過數值模擬可知，沿空留巷填充寬度為3m最佳。但由于實際工程會出現填充質量不佳的情況，因此將填充寬度設定為3.5m，填充材料為水泥漿和磚混結構，填充方式如圖4所示，兩側用磚混結構建造0.5m的墻面結構，然后在中間灌漿，為保證整體結構受力均勻性，頂部建造管棚結構，保證整體的應力分布均勻。為防止圍巖垮塌，在靠近巷道一側進行工字鋼支架結構安置，排間距0.4m。

填充完成后，未填充靠近采面一邊采用錨固噴漿技術，保證整個巷道完整性。實施完成后巷道安設了頂板離層儀等設備進行圍巖應力變化實時觀測。通過后期效果考察，沿空留巷填充帶實施完成后，10個月的時間內巷道未出現應力大幅變化、巷道大面積垮落的現象。沿空留巷填充寬度3.5m安全可靠。

4結論

由于沿空留巷回采技術可有效回收預留煤柱、節省單獨掘進一條巷道的開支的優點，因此具有良好的經濟效益和社會效益。本文以深部沿空留巷開采技術為研究對象，進行了數值模擬結合現場的研究得出以下結論：

模擬得出填充寬度2m出現應力過于集中于填充柱的現象，填充4m存在工程量浪費現象，因此填充寬度為3m。

由于現場存在填充材料不均勻的現象，建填充跨度調整到3.5m，通過現場施工并進行后期效果考察可知，填充寬度3.5m安全可靠。

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