沿空留巷巷旁支護充填加固技術數值模擬研究

張寶君

（山西焦煤山煤國際霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

隨著煤炭開采技術的不斷進步，無煤柱沿空留巷技術得到較廣泛的應用，該技術不但可以提高煤炭采出率，而且減少回采巷道的掘進量，大大縮短了工作面接替時間，對煤炭實現安全高效開采具有重要的意義[1]。霍爾辛赫煤礦3 號煤層3501工作面開采即采用無煤柱沿空留巷技術。沿空留巷旁支護充填體的穩定性對沿空留巷具有關鍵的影響作用[2]，因此，采用數值模擬方法對巷旁充填體不同參數條件下巷道受力及變形規律進行研究，為沿空留巷的穩定提供理論依據[3]。

1 工程概況

霍爾辛赫礦3501 工作面位于三盤區北部，西部為3502 工作面，北部為未掘巷道，南部為3306工作面，東部為礦井開拓五條大巷及中部風井。3501 工作面煤層平均厚度2.8 m，煤層結構簡單，煤層偽頂為炭質泥巖，平均厚度0.9 m，黑灰色，中厚層狀，含煤屑，產大量植物化石；直接頂為細砂巖，平均厚度3.2 m 深灰色，厚層狀，見白云母，夾細砂質包體，含少量煤屑，見砂紋層理，產有少量植物化石；老頂為砂質泥巖，平均厚度2.4 m，灰色，薄層狀，成分以石英為主，長石次之，夾黑色砂、泥質紋線，含煤屑、夾煤線，具斜層理和交錯層理，局部具平行層理，分選不好；煤層直接底為砂質泥巖，平均厚度2.2 m，黑灰色，中厚層狀，砂質分布不均，見云母，含煤屑，產大量植物化石；老底為中砂巖，平均厚度為10.8 m，深灰色，厚層狀，間夾大量黑色泥質紋線。

2 巷旁充填體參數確定

2.1 模型建立

采用UDEC 數值模擬軟件建立霍爾辛赫礦3501 工作面數值模擬模型，尺寸為120 m×50 m，底部四周采用位移邊界，頂部施加9.7 MPa 上覆巖層均布載荷。根據霍爾辛赫煤礦煤巖層物理力學參數測試結果（引自本礦與中國礦業大學校企合作項目“回采工作面沿空留巷支護工藝優化技術研究報告”），數值計算模型采用的力學參數如表1、表2、表3 所示。

表1 煤巖體力學參數

表2 節理力學參數

表3 充填體模擬力學參數

2.2 充填體參數模擬方案

不同充填體參數對巷旁充填體的受力及位移影響也不同，針對充填體重要的三個參數充填體強度、充填體寬度、充填體位置進行組合確定9 個方案如表4 所示。

2.3 充填體數值模擬分析

（1）充填體塑性區分布規律

分析不同充填體參數下得到巷旁充填體塑性區分布特征，可以得到：水灰比相同時，充填體塑性區發育程度隨著充填體寬度的增加而減小，充填體寬度相同時，塑性區發育程度隨著水灰比的增大而增大；受到礦山壓力后，充填體主要發生拉伸破壞，當充填體寬度為1.6 m 時，塑性變形最嚴重，受到應力最大，此條件下水灰比也最大時，充填體發生較大的破壞。因此，根據充填體塑性破壞規律得到方案3 和方案5 較穩定。

（2）充填體裂隙發育規律

分析不同充填體參數下得到巷旁充填體裂隙發育規律，可以得到：充填體主要產生張拉裂隙，當充填體寬度1.6 m、水灰比為1∶1 時，充填體發生張拉破壞，剪切裂隙數量遠少于張拉裂隙；當充填體寬度2.4 m、水灰比1∶1、1.5∶1 時，充填體內部剪切裂隙明顯增多。根據充填體裂隙發育規律可以得到，方案5 裂隙發育程度較小。

（3）充填體垂直位移變化規律

分析不同充填體參數下得到垂直位移變化規律，可以得到：不同方案下充填體垂直位移均在充填體中部達到最大；當水灰比相同時，頂底板垂直位移隨著充填體寬度的減小而增大，水灰比1∶1時，充填體最大垂直位移300 mm；當充填體寬度相同時，垂直位移隨著水灰比增大而增大。根據充填體垂直位移變化規律，方案5 垂直位移較小。

（4）充填體應力分布規律

分析不同充填體參數下水平應力分布規律如圖1 所示，可以得到：水平應力均在充填體頂底部達到最大值，而在充填體中部處于應力降低狀態；當充填體寬度為2 m、水灰比為1.5∶1 時，水平應力變化幅度較小，充填體相對穩定。

圖1 不同方案下水平應力規律

分析不同充填體參數下垂直應力分布規律如圖2 所示，可以得到：垂直應力隨著水灰比的增大而增大，水灰比為1∶1、寬度為2.4 m 時，垂直應力變化幅度最為明顯。

圖2 不同方案下垂直應力規律

綜上所述，可以得到如下規律： 當水灰比越小、充填體寬度越大時，充填體強度越高，其變形量越小，充填體穩定性越好。對比不同模擬方案下塑性區、應力、變形分布規律，同時結合成本因素，最終確定充填體寬度為2 m，水灰比1.5∶1，將充填體布置于巷道內0.4 m 的支護方案。

3 巷旁充填體加固方案數值模擬分析

在充填體維持自身穩定基礎上，通過增加對拉錨桿等加固措施可以對巷旁充填體進行整體加固，形成更高承載力的充填體，因此采用數值模擬方法針對充填體加固技術參數進一步研究。設計充填體加固方案為以下9 個方案，如表5 所示。

表5 充填體加固技術數值模擬方案

通過分析相關數值模擬結果數據，可以得到如下結論：

1）通過分析不同方案下充填體塑性區分布規律可知，方案7 對拉錨桿直徑為24 mm、700 mm×700 mm 時，塑性破壞程度最小；方案4 錨桿直徑22 mm、700 mm×700 mm 時，塑性破壞次之，方案5 錨桿直徑22 mm、800 mm×800 mm 時，與方案4塑性破壞基本一致，因此方案4、5 均為合理方案。

2）通過分析不同方案下充填體頂板位移規律可知，方案5 與方案7 充填體的加固效果較好；

3）通過分析不同方案下充填體頂板應力分布規律可知，方案5 時，垂直應力變化幅度較小，即錨桿發生剪切破壞可能性較小。

因此，綜合三項分析，得到方案5 為最佳充填體加固方案，即錨桿直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm。

4 結論

通過對霍爾辛赫礦3501 工作面沿空留巷充填體支護參數及加固方案數值模擬研究，得出以下結論：

1）通過數值模擬分析了不同充填體技術參數下的充填體受力變形規律，最終確定充填體寬度為2 m，水灰比1.5∶1，將充填體布置于巷道內0.4 m 為最佳支護方案。

2）通過數值模擬分析了不同充填體加固方案下的充填體塑性區分布、應力分布及變形規律，確定加固方案為對拉錨桿直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm。