薄煤层沿空留巷巷旁充填体宽度模拟分析

李家卓，刘 杰，谭文峰，韩 伟

（1.山东科技大学，山东青岛 266510;2.山东省滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿，山东滕州 277500; 3.山东新巨龙能源有限责任公司，山东巨野 274918）

薄煤层沿空留巷巷旁充填体宽度模拟分析

李家卓1，刘 杰2，谭文峰3，韩 伟2

（1.山东科技大学，山东青岛 266510;2.山东省滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿，山东滕州 277500; 3.山东新巨龙能源有限责任公司，山东巨野 274918）

针对目前薄煤层沿空留巷特点，结合某矿具体条件，研究了一套包括膏体材料组分及配比、充填工艺、巷旁支护、巷内支护在内的一整套薄煤层沿空留巷技术，并运用数值模拟方法对巷旁充填体宽度进行了进一步研究，在该矿取得了较好的经济技术效果。研究结论对于类似条件下的薄煤层开采具有一定的参考价值。

薄煤层;沿空留巷;充填工艺;联合支护;充填体宽度

沿空留巷就是在工作面后方沿采空区边界维护住已经使用过的回采巷道为下一区段煤层开采服务，该项技术已经成为煤矿开采技术的一项重大改革。沿空留巷技术能够实现Y型通风方式、解决工作面瓦斯超限问题，还能具有合理开发煤炭资源、提高煤炭资源采出率、减少巷道掘进量、缓解采掘接替矛盾、防止孤岛工作面产生、缩短搬家时间、防止发火等优势，对改善矿井技术经济效益、增强矿井安全生产极为有利［1］。但沿空留巷的稳定性原理及其控制技术还不成熟，具有普遍适用性的规律有待于进一步探索，同时沿空留巷又存在顶板活动剧烈、顶板下沉量大、采空区有害气体和积水易涌入巷道等问题。本文在研究留巷支护技术发展历程的基础上，提出了膏体材料巷旁充填沿空留巷新技术，可有效解决以上留巷的不足。

1 工作面概况

工作面开采标高为－385.5～－400.7m，走向和倾向长度分别为882m和150m，面积132300m2，平均采高0.85m。直接顶为灰黑色泥岩至泥质粉砂岩，厚度0.94～5.5m。基本顶为灰－灰白色细砂岩，局部为中粒砂岩，厚3.0～7.0m，坚固性系数f=5～6。直接底为深灰色粉砂岩，厚度为1.2～1.6m，坚固性系数f=3.0。老底为浅灰－灰色细砂岩，厚度为4.8m，f=5～6.0。

该工作面采用单一走向长壁综合机械化开采方法，割煤高度控制在1.2±0.2m，循环进尺0.6m。该工作面存在上隅角瓦斯积聚、工作面瓦斯含量超标、采掘接替紧张、煤炭采出率低等问题，严重影响矿井生产，为此，需要进行巷旁充填沿空留巷技术，实现矿井安全高效高采出率生产。

2 1705东轨道巷留巷方案

（1）为保持工作面留巷充填段顶板的完整性，减小悬臂顶板对充填体的压力，在工作面上端头超前主动支护，超前煤壁5m提前开帮，宽度为1.6m。采用锚杆、锚索、钢带及金属网联合支护，锚杆采用φ18mm×1800mm的螺纹锚杆，锚索采用φ17.8mm×6500mm预应力锚索，呈三角布置，排距3m，托盘为工字钢托盘，托盘长度800mm，钢带为可回收钢带，金属网为菱形网，规格为1600mm×1600mm［2］。

（2）采用沈阳天安机械厂制造的充填支架充填，1号、3号支架当模板，2号支架当挡板，3个支架形成充填模板。

3 巷内支护

巷道顶板需要加强支护［3－5］，选用φ20mm× 2000mm高强度锚杆，间排距0.8m×0.8m;帮锚杆选用 φ18mm×1800mm锚杆，间排距0.8m× 0.8m;锚索选用拉力不低于200kN的φ17.8mm× 6500mm锚索，排距 2.4m，距离巷道左右帮各0.8m;金属网采用10号铁丝编制成菱形网或方格网;钢带使用普通新W型钢带或回收钢带。

支护断面如图1所示。

图1 留巷支护断面

4 巷旁支护

4.1 充填材料与设备

常用充填材料可分为3大类:惰性材料、胶凝材料和改性材料。巷旁充填体的组成成份为水和充填材料［1］。综合考虑本矿情况选择水泥作为胶凝材料，粉煤灰作为有胶凝性能的活性混合材料，矸石粉、砂子、瓜子石作为惰性材料，并加入了其他改性材料，按照表1配比制成巷旁充填材料。

表1 充填材料配比

工作面采用德国BSM1002E新型充填泵充填。在1705东运巷布置一充填泵对1705东上巷进行充填;另在1705东轨道巷安设一充填泵对1705东下巷进行充填。

4.2 充填工艺

巷旁充填系统如图2所示。

图2 巷旁充填系统

（1）沿空留巷工艺流程 充填段超前开缺口→锚网带支护、金属铰接顶梁支护→ 工作面正常割煤、移架→堆砌矸石墙，支设模板、充填 （达到充填步距2.4m时）。

（2）充填工艺流程 架棚清理→支模→搅拌输送→充填清洗→拆模

5 充填体宽度数值模拟

5.1 模型建立

计算模型坐标系，以垂直煤层回采方向为x方向;平行煤层回采推进方向为y方向，推进方向为正;以铅直方向为z方向，向上为正，坐标系方向规定符合右手法则。

根据这一坐标系规定，计算模型沿x轴方向的长度约为105m，上区段工作面部分约75m，下区段工作面部分约30m;y方向的长度约为180m，沿z轴方向的高度为55m。煤岩层近似看作水平，煤层平均厚度取 1.3m，开采煤层平均埋深为400m。

模型的边界条件设置为:在模型的四个侧面采用法向约束，顶面为应力和位移自由边界，施加垂直应力;底面为x，y，z全约束。建立模型 （x－z平面），如图3所示。

图3 计算模型（x－z平面）

单元总数为54000个，节点总数为58497个。整个模型如图4所示。

图4 数值计算模型

计算用煤岩层物理力学参数依据本矿煤、岩物理力学参数测试结果，充填体参数来源于实验室力学试验，参数见表2。

表2 煤岩层力学参数

5.2 模拟方案与结果分析

模拟方案为:Ⅰ巷旁充填体宽度1m;Ⅱ巷旁充填体宽度1.5m;Ⅲ巷旁充填体宽度2m。

（1）巷道两帮水平位移 巷道两帮水平位移曲线如图5～7所示。

图5 巷道两帮水平位移（方案Ⅰ）

方案Ⅰ 煤体水平变形超过180mm，充填体水平变形超过100mm;煤体和充填体已经被压坏，产生塑性流动，所以在工作面推过监测点约35m后，两帮变形持续增大。

方案Ⅱ 两帮移近量较小，并且工作面推过75m左右，两帮变形趋于稳定，不会出现产生持续应变的塑性流动状态。

方案Ⅲ 两帮水平位移的规律同方案Ⅱ中的基本一致，不同之处在于，方案Ⅲ的水平位移量较之方案Ⅱ更小，对围岩的控制效果更好，但总体来说，二者相差不大。

（2）巷道顶底板移近 将方案Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ中巷道中部顶底板位移情况作对比，如图8，图9。

图6 巷道两帮水平位移（方案Ⅱ）

图7 巷道两帮水平位移（方案Ⅲ）

图8 巷道中部顶板垂直位移

图9 巷道中部底板垂直位移

从图8中的曲线可以看出，顶板下沉方案Ⅰ最大，方案Ⅱ其次，方案Ⅲ最小，随着充填体宽度的增加，巷道的顶板沉降量会减小;从充填体与煤体变形协调方面来讲，方案Ⅰ最差，方案Ⅱ，Ⅲ相差不大。由图9可知，3个方案中煤体侧底板最大垂直位移量以方案Ⅲ最小、方案Ⅱ居中、方案Ⅰ最大，其中方案Ⅱ，Ⅲ的底板垂直位移量相差不大，均为90～100mm，方案Ⅰ的底板垂直位移量为62mm左右。顶底板位移变化来分析，方案Ⅰ中的充填体遭到破坏，方案Ⅲ比方案Ⅱ的顶板控制效果要好，但方案Ⅱ和Ⅲ均能满足安全生产要求。

7 结论

（1）工作面运输巷在巷旁充填支护基础上进行了创新，提出了提前开帮固顶技术和附加矸石带与膏体充填体组成不等强度巷旁支护体支护技术，应用效果良好，实现了Y型通风，解决了本工作面瓦斯超限问题，工作面采出率将达到97%，多回收煤柱33737t，综合经济效益提高1757.3万元。

（2）应用研发的膏体胶结充填材料进行巷旁充填结合巷旁锚网索+钢带和巷内锚杆、锚索、钢带的联合支护，成功实现了薄煤层综采工作面沿空留巷。

（3）经数值模拟研究得出工作面运输巷合理的巷旁充填体宽度为1.5m。

［1］郭育光，柏建彪，侯朝炯.沿空留巷巷旁充填体主要参数研究［J］.中国矿业大学学报，1992，21（4）:1－11.

［2］华心祝，马俊枫，许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（12）:2107－2112.

［3］宋振骐.实用矿山压力控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1988.

［4］黄玉诚，孙恒虎.沿空留巷护巷带参数的设计方法［J］.煤炭学报，1997，22（2）:127－131.

［5］康红普，王金华，等.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

Simulation of Roadway-side Stow ing Body'sWidth in Retaining Roadway along Gob in Thin Coal-seam

LIJia-zhuo1，LIU Jie2，TANWen-feng3，HANWei2

（1.Shandong University of Science＆Technology，Qingdao 266510，China;2.Jingqiu Colliery，Guozhuang Mining Co.，Ltd，Tengzhou City of Shandong Province，Tengzhou 277500，China; 3.Shandong Xinjulong Energy Co.，Ltd，Juye 274918，China）

Based on condition of amine，a whole set of technology of retaining roadway along gob including pastematerial component，proportioning，stowing technique，roadway and roadway-side supporting was developed.Numerical simulation was applied to obtaining width of stowing body.This technology made good economical and technical effect.Resultsmight provide reference for thin coal-seam mining with similar condition.

thin coal-seam;retaining roadway along gob;stowing technique;combined supporting;width of stowing body

TD353.7

A

1006-6225（2011）04-0058-03

2011－03－14

山东科技大学研究生创新基金资助项目 （YCA100304）

李家卓 （1986－），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

［责任编辑:邹正立］