蘭花寶欣煤業(yè)沿空留巷充填墻體合理寬度研究

王 超

（山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042400）

1 工程概況

蘭花寶欣煤業(yè)3209 綜采工作面開采3#煤層，3#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度2.05 m。頂板巖性為粉砂巖、泥巖，底板巖性為泥巖或粉砂巖。3209 綜采工作面地面標(biāo)高為+1155～+1200 m，井下標(biāo)高為+740～+672 m。工作面東側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為原3207 采空區(qū)，西側(cè)為南翼運(yùn)輸巷、北翼2#煤總回風(fēng)巷、北翼3#煤總回風(fēng)巷、北翼軌道大巷，北側(cè)為采空區(qū)BYCK-01（2005 年5 月—9 月）。

為減少煤炭資源的浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益，考慮在3209 工作面回采后，將3209 軌道順槽保留作為下一采面的進(jìn)風(fēng)巷使用。為確保沿空留巷的穩(wěn)定性，需對巷旁柔模充填墻體的合理寬度[1-5]進(jìn)行確定。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

為確定充填體的合理寬度，根據(jù)3209 綜采工作面的實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立了不同充填體寬度（1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m）的計算模型，模擬分析工作面開挖后不同寬度墻體及巷道的應(yīng)力、位移演化規(guī)律。模型尺寸統(tǒng)一為長×寬×高=300 m×100 m×80 m；在模型上邊界施加9.9 MPa 的垂直均布載荷，以模擬覆巖壓力，模型四周及下邊界采用位移邊界條件約束；模擬單元均遵循摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。模擬中煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)果分析

1）應(yīng)力分析

工作面推進(jìn)過程中，不同寬度墻體的巷道應(yīng)力云圖如圖1。

圖1 不同寬度墻體的巷道應(yīng)力云圖

由圖1 可知，隨著工作面的推進(jìn)，不同工況下巷道上方均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力釋放區(qū)。充填墻體寬度分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 時，對應(yīng)的巷道頂板垂直應(yīng)力分別為3.7 MPa、2.6 MPa、1.7 MPa 及1.4 MPa，較上一寬度的降低率分別為29.7%、34.6%、17.6%；而巷道副幫存在明顯的垂直應(yīng)力集中，其應(yīng)力值分別為23 MPa、19 MPa、21 MPa 及22 MPa，在生產(chǎn)時應(yīng)對副幫加強(qiáng)支護(hù)；充填墻體的垂直應(yīng)力分別為8 MPa、6 MPa、4 MPa及5 MPa，巷道底板的應(yīng)力較小，變化規(guī)律基本一致。

2）位移分析

隨著工作面的推進(jìn)，不同寬度墻體的巷道位移演化云圖如圖2。

圖2 不同寬度墻體的巷道位移演化云圖

由圖2 可知，充填墻體寬度分別為1.0 m、1.2 m、1.5 m、2.0 m 時，對應(yīng)的巷道頂板下沉量分別為500 mm、380 mm、230 mm、200 mm，較上一寬度的降低率分別為24.0%、39.5%、13.0%；巷道副幫水平方向的變形量分別為223 mm、185 mm、200 mm 及170 mm，基本相差不大。

綜合數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著充填墻體寬度的增加，巷道頂板的應(yīng)力集中程度及頂板下沉量均逐漸降低，但當(dāng)充填墻體寬度由1.5 m 增加至2.0 m 時，頂板垂直應(yīng)力及下沉量的降低幅度不明顯，繼續(xù)增加墻體寬度對巷道穩(wěn)定性的影響不再明顯。1.5 m 的墻體寬度已能滿足安全生產(chǎn)需求，因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本及巷道穩(wěn)定性需求等因素，確定3209 軌道順槽沿空留巷的巷旁充填墻體寬度為1.5 m。

3 充填墻體寬度理論驗(yàn)算

3.1 墻體載荷計算

充填墻體的載荷力學(xué)模型如圖3。墻體及巷道上方的巖體發(fā)生離層斷裂，并回轉(zhuǎn)下沉，引起一定強(qiáng)度的礦壓顯現(xiàn)，可采用“分離巖塊法”對充填墻體的寬度進(jìn)行驗(yàn)算。充填墻體承受的載荷q可由下式計算：

圖3 “分離巖塊法”計算模型

式中：h為工作面采高，取2.05 m；θ為離層巖塊的剪切角，取26°；bB為巷道寬度，取5.0 m；x為充填墻體寬度，取1.5 m；bC為充填墻體外側(cè)的懸頂距，取0.3 m；γs為巖塊的平均容重，取24 kN/m3；α為工作面內(nèi)煤層的傾角，取3°。

將3209 綜采工作面的相關(guān)參數(shù)代入式（1）進(jìn)行計算得出，當(dāng)充填墻體寬度為1.5 m 時，其承受的載荷為836.7 kPa。則作用在單位長度、寬度1.5 m 的墻體壓力為：836.7 kPa×1 m×1.5 m=1 255.05 kN。

受采動影響，取3 倍的安全系數(shù)，則作用在充填墻體上方的壓力：1 255.05 kN×3=3 765.15 kN。

3.2 墻體承載力驗(yàn)算

充填墻體的承載能力可由下式計算：

式中：N2為巷旁充填墻體的承載能力，kN；fc為充填體混凝土材料的抗壓強(qiáng)度，取19.1 MPa；Ac為單位長度柔模內(nèi)混凝土截面積，取1.5 m2。

將相關(guān)參數(shù)代入上式，巷旁充填墻體的承載能力為25 785 kN，采用“分離巖塊法”得出墻體礦壓為3 765.15 kN。充填墻體的承載能力遠(yuǎn)大于留巷礦壓強(qiáng)度，1.5 m 巷旁充填墻體寬度合理。

4 工程應(yīng)用

4.1 巷旁充填墻體參數(shù)

在3209 軌道順槽巷內(nèi)澆筑墻體，墻體寬度為1.5 m，底板向下掏槽200 mm 并清理干凈后開始施工。為防止充填墻體發(fā)生較大的變形，在充填體內(nèi)設(shè)置錨栓，錨栓直徑為22 mm，長度為1100 mm，每排布置5 根，間排距均為800 mm；巷內(nèi)每排布置4 根單體支柱進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，第一根單體支柱在距副幫800 mm 處布置，其余單體支柱的間距依次為1000 mm、1700 mm、1000 mm，單體支柱的排距為1600 mm，切眼口至留巷200 m 時，視頂板情況進(jìn)行回收留巷單體柱。具體布置參數(shù)如圖4。

圖4 沿空留巷支護(hù)斷面圖（mm）

4.2 充填墻體混凝土輸送

用于澆筑巷旁充填墻體的材料為混凝土，其主要成分為水泥、砂子及碎石子，先在地面將各組分進(jìn)行配比，隨后通過輸送機(jī)運(yùn)輸至井下進(jìn)行濕料攪拌。井下料漿制備站的總長度為30 m，每小時可生產(chǎn)50 m3的料漿，輸送距離最遠(yuǎn)可達(dá)到500 m。

4.3 礦壓觀測

選取充填墻體中部的錨桿進(jìn)行受力監(jiān)測分析，如圖5。工作面推進(jìn)剛過充填體時，墻體中部錨桿的軸向應(yīng)力約為13 kN，工作面推進(jìn)0～50 m 后，錨桿軸力開始迅速增大，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的軸力約為85 kN，表明巷旁充填墻體為受采動影響而發(fā)生破壞，承載性能較強(qiáng)。留巷段穩(wěn)定后的頂板最大下沉量約為250 mm，充填墻體的變形量約為80 mm，巷道副幫的變形量約為140 mm，整體變形量較小，滿足井下安全高效生產(chǎn)需求，驗(yàn)證了1.5 m 寬度墻體的適用性。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

3209 綜采工作面的留巷長度約為1000 m，掘進(jìn)巷道每米的費(fèi)用約為3400 元，而每米沿空留巷的直接費(fèi)用約為6300 元，則每米巷道的成本增加了2900 元，共計增加成本290 萬元；沿空留巷可回收15 m 的煤柱，約為14.6 萬t，按每噸煤炭230元進(jìn)行估算，可創(chuàng)收3358 萬元，減去沿空留巷前期購置設(shè)備及材料成本600 萬元，產(chǎn)生的效益達(dá)到了2758 萬元，可大幅提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立不同寬度巷旁墻體的留巷模型，對比分析了不同充填墻體寬度下的巷道應(yīng)力及位移分布情況，得出合理的巷旁充填墻體寬度為1.5 m。

2）采用“分離巖塊法”計算得出巷旁充填墻體上方的礦壓為3 765.15 kN/m，而充填墻體的承載能力為25 785 kN/m，遠(yuǎn)大于留巷礦壓強(qiáng)度，驗(yàn)證了1.5 m 巷旁充填墻體寬度的合理性。。

3）現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，工作面推進(jìn)后，充填墻體中間錨桿的軸力穩(wěn)定在85 kN 左右；巷道穩(wěn)定后的頂板最大下沉量約為250 mm，充填墻體的變形量約為80 mm，巷道副幫的變形量約為140 mm，整體變形量較小，滿足井下安全高效生產(chǎn)需求。

4）采用1.5 m 寬度的充填墻體進(jìn)行沿空留巷后，產(chǎn)生的效益達(dá)到了2758萬元，具有良好的推廣前景。