沿空留巷巷旁支护体稳定性及围岩控制技术

李保顺，龙 军，李幸宇

(1.平顶山天安煤业股份有限公司二矿，河南平顶山467000;2.四川煤田地质研究院，四川成都611331)

沿空留巷巷旁支护体稳定性及围岩控制技术

李保顺1，龙 军2，李幸宇1

(1.平顶山天安煤业股份有限公司二矿，河南平顶山467000;2.四川煤田地质研究院，四川成都611331)

Stability and Control Technology of Roadway-side Supporting Body in Retaining Roadway along Gob

沿空留巷巷旁支护体的结构稳定性关系着整个沿空巷道支护体系的系统可靠性。在分析平顶山天安煤业股份有限公司二矿 (以下简称平煤股份二矿)生产地质条件基础上，通过数值模拟的方法研究了高水速凝材料构筑巷旁支护体在不同水灰比和宽度条件下的变形特征及应力分布规律，分析了在经济合理的条件下充填体力学性能对支护体结构稳定性具有显著影响，支护体宽度存在一个合理的取值范围。现场工业性试验表明选取的力学参数合理，巷旁支护体变形量较小，实现了沿空留巷的围岩稳定。

沿空留巷;巷旁支护;围岩控制;数值模拟

沿空留巷是在工作面回采过程中，通过有效的巷旁支护和巷内支护技术，将本工作面的回采巷道保留下来，作为邻近工作面的一条回采巷道使用。巷旁支护作为沿空留巷的一个关键组成部分，客观要求其具有足够的支护阻力、能够适应大变形，同时具有低成本的特点。传统的巷旁支护如木垛、矸石、密集木支柱以及混凝土块等因其自身力学性质成为长期以来制约沿空留巷技术应用的主要因素［1－3］，使得沿空留巷只能在一些条件相对较好的薄及中厚煤层中应用。针对传统巷旁支护存在的问题，国内外相关科研院所开展了大量新材料的研究开发工作，最终研制成功高水速凝材料作为巷旁充填材料［4］，有效地改善了沿空留巷巷旁支护体的结构稳定性。但是目前关于高水速凝材料构筑巷旁充填体的具体参数少有研究，有必要对影响其结构稳定性的相关参数展开系统详细的研究。

1 工程地质条件

平煤股份二矿庚20－F23070采煤工作面位于二矿庚三采区中部东侧，采深375～465m，可采走向长577～588m，主采庚20煤层，倾角7～12°，煤层含2层夹矸，属复杂结构煤层。中上层夹矸0～0.3m，下层夹矸0.4～1.6m，2层夹矸合计平均厚0.7m，对开采煤质影响较大。煤层为肥煤、末状。工作面位置关系见图1所示。

图1 工作面位置关系

试验巷道断面为倒梯形，原巷道宽4.7m，中线高度3m。顶板为深灰色厚层状石灰岩，平均厚2.3m，局部裂隙发育，坚硬性脆，其上为1.25～2m的灰色砂质泥岩，质地较硬，再上为0.9m厚的庚19煤层，松软，底板为灰色砂质泥岩，平均厚6.5m，其下为石灰岩，平均厚11.6m。机巷原支护形式为顶板采用20mm×2000mm建筑螺纹钢等强锚杆支护、两帮采用20mm×2000 mm管缝式锚杆支护、两帮铺设了菱形金属网，巷道断面及支护如图2所示。

2 数值模拟模型的建立

图2 庚20－F23070工作面机巷支护

为了详细分析沿空留巷巷旁充填墙体对巷道围岩稳定性的影响规律，根据平煤股份二矿庚20－F23070工作面生产地质条件，建立相应的数值力学分析模型，如图3所示。将巷道两侧10m范围内的煤体划分为0.5m×0.25m(宽×高)的网格;巷道顶板划分为0.5m×0.25m(宽×高)的网格;巷道底板划分为0.5m×0.25m(宽×高)的网格，上覆岩层及下覆岩层划分为1.0m×0.25m(宽×高)的网格。计算模型尺寸为长×宽=180m×61m，上边界载荷按采深400m计算，底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定，巷道宽×高=4.5m× 3.0m。

图3 数值计算力学模型

材料本构模型为摩尔－库仑模型。由于巷道围岩局部进入峰后塑性变形阶段，具有应变软化性能，模拟充填体部分采用应变软化模型。

数值模拟中各岩层、煤层的力学参数通过庚20－F23070机巷以往相关力学性能测试，结合矿井已有地质资料，最终得到各岩层以及结构面的物理力学参数，见表1。

表1 块体力学参数

3 数值模拟结果分析

为探讨巷旁充填沿空留巷顶板的稳定性与充填墙体的强度和几何尺寸的关系，根据平煤股份二矿庚20－F23070工作面采高情况和高水速凝材料的特性，利用FLAC数值计算软件对不同水灰比和充填墙体宽度展开研究，具体方案见表2，高水速凝材料不同水灰比条件下力学性能见表3。

表2 数值计算方案

表3 高水速凝材料净浆单轴抗压强度测试数据

3.1 充填体强度对围岩稳定性的影响

模型1，2，3的充填体宽度均为2.0m，模型1，2，3的水灰比分别为2.5∶1，2.0∶1，1.5∶1。

为研究不同充填体强度对沿空留巷围岩稳定性的影响，对沿空巷道侧和充填体侧围岩变形进行监测，如图4～图6所示，其中测点1，2，3，4，5，6，7分别对应巷道底板、顶板、实煤体帮、充填体内侧、充填体下部底板、充填体上方顶板、充填体外侧。

图4 模型1的巷道围岩变形曲线

模型1 当计算到17645步时，整个系统因为充填体的失稳而失稳。充填体在形成初期，充填体上承受的载荷很小，最终垂直方向上应力平均值上升到19MPa，之后剧烈上升到21MPa。由于充填体具有塑性软化特性，进入塑性变形阶段后，其抗变形性能略微降低，由21MPa降低到17MPa。

图5 模型2的巷道围岩变形曲线

图6 模型3的巷道围岩变形曲线

在充填体结构失稳时，巷道变形量占到充填体总宽度的接近3/5，此时充填体已经无法承受横向过大的应变，与此同时，充填体的横向过大变形致使巷道实际面积严重减小，无法满足正常的通风行人要求。由此可知，在该巷道宽度 (2.0m)，模型1选用的水灰比条件下充填体强度不能满足实际生产需要。

模型2 当计算到14821步时，整个支护－围岩系统最终稳定下来，充填体并未出现失稳变形。通过与模型1比较，虽然充填体宽度相同，但两者的围岩控制效果相差很大。充填体两帮移近量减少近200mm，巷道顶板下沉量减少近70mm。模型1充填体在顶板剧烈活动后很快失稳，而模型2中的充填体是稳定的。模型2充填体内侧变形656mm，可以保证正常的巷道通风行人要求，整体围岩控制效果较好。

模型3 当计算到15897步时，整个支护－围岩系统保持稳定状态，充填体以稳定的结构形态存在。通过与模型2比较，充填体内侧移近量减少近136mm，充填体外侧移近量减少近141mm，巷道顶板下沉量减少36mm，实体煤帮位移减少15mm。充填体整体变形量占充填体宽度30%左右，保持在正常的变形范围内。

可以看出充填材料的力学性能对沿空留巷的围岩控制作用是十分明显的。水灰比越小，高水速凝材料的力学性质越大，对围岩控制效果越明显。

3.2 充填体宽度对围岩稳定性的影响

模型3，4，5，6的水灰比均为1.5∶1，模型3，4，5，6的宽度分别为 2.0m，1.5m，2.5m，3.0m。不同充填体宽度条件下巷道围岩变形状况如图7所示，巷道围岩变形量见表4所示。

表4 不同充填体宽度条件下巷道围岩变形量

综合模型3，4，5，6的模拟可以看出，充填体的宽度过小和水灰比过大都会严重影响沿空留巷的护巷效果。由充填体的失稳状况可以看出，充填体宽度为2.0m，水灰比为1.5∶1时能够保证较好的围岩控制效果。

4 现场应用

将以上确定的参数在现场应用，观测结果表明本文的设计是可行的。图8、图9为工作面后方充填体纵向变形与工作面距离的关系。

由图8，图9可见，巷旁支护体纵向变形是巷旁支护体与围岩相互作用关系在巷旁支护体上的反映，与围岩变形规律基本一致，可分为4个阶段:

图7 不同充填体宽度条件下巷道围岩变形

第1阶段 －5～－10m，因弧形三角块保护，顶板下沉量小，支护体承受载荷小，且巷旁支护体有一定的早期支护阻力，因而充填体的纵向变形量与巷道变形量相比要小，且变形速度相对较慢。

图8 工作面后方充填体纵向变形与工作面距离的关系

图9 工作面后方充填体纵向变形速度与工作面距离的关系

第2阶段 －10～－60m，在这一阶段，顶板活动开始剧烈，顶底板移近量以及移近速度开始加大，支护体承受载荷增加，充填体变形加剧。此范围内，支护体既要能适应上位岩层下沉变形，又要能控制上位岩层间不要离层，这就要求巷旁充填体具有很好的可缩性能。

第3阶段 －60～－80m，在这一范围内，围岩活动渐缓，充填体变形速度迅速下降。

第4阶段 －80m以后，巷旁支护体变形随围岩活动稳定而趋于稳定，纵向变形速度均降至0.4mm/d以下。

5 结论

充填体材料的力学性能对沿空留巷的护巷效果影响大，其次是充填体的宽度。沿空留巷充填体充填材料的水灰比应该控制在2∶1以下，充填体合理宽度应该在2.0m以上。最终确定合理的水灰比为1.5∶1;充填体宽度为2.0m;当水灰比为1.5∶1，充填体宽度为2.0m情况下，充填体是稳定的，其巷道顶板下沉达到 346mm，煤帮位移26mm，有效地控制了沿空留巷的围岩变形。

［1］赵红超，陈 勇.沿空留巷整体浇筑护巷带围岩控制技术［J］.煤矿开采，2011，16(3):95－97.

［2］孙恒虎，赵炳利.沿空留巷的理论与实践［M］.北京:煤炭工业出版社，1993.

［3］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(4):1－11.

［4］柏建彪，周华强，侯朝炯，等.沿空留巷巷旁支护技术的发展［J］.中国矿业大学学报，2004，33(2):183－186.

［责任编辑:姜鹏飞］

TD353

B

1006-6225(2012)04-0066-04

2012－02－10

李保顺 (1964－)，男，河南扶沟人，工程师，总办室首席工程师，一直从事煤矿井下施工的技术和管理工作。