凉水井煤矿沿空留巷可行性及参数数值模拟研究
2014-12-30司文张慧君
司文+张慧君
摘 要：该文对凉水井煤矿实施沿空留巷的可行性进行了研究，结合凉水井煤矿的实际地质条件，通过数值模拟研究巷旁充填体的宽度及巷道支护参数，对沿空留巷的实施提供了可靠的理论指导基础，为节约煤炭资源并提高经济效益指明了方向。
关键词：沿空留巷 巷旁充填 支护参数 FLAC5.0 数值模拟
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0096-02
1 凉水井煤矿开采现状
凉水井煤矿主采煤层为4-2煤层，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夹矸0～3层，夹矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，岩性多为泥岩和粉砂岩。目前4-2煤工作面设计长度为240 m，相邻工作面间距为20 m，回采过程中实际留设煤柱14.6 m。煤层顶底板情况如表1所示。
2 实行沿空留巷的必要性
（1）4-2煤层为凉水井煤矿主采煤层，煤炭赋存条件稳定且储量丰富，采取沿空留巷后可以减少14.6 m煤柱中的煤炭损失，提高凉水井煤矿原煤回采率，增加了煤炭产量，经济效益明显。
（2）沿空留巷可以少掘一条顺槽，不仅降低掘进成本，而且加快了工作面的布置，有助于缓解采掘接替紧张，为综采工作面接替创造条件。
（3）采取沿空留巷后，由于没有了区段隔离煤柱，避免了在隔离煤柱处形成高应力集中区，为下部薄煤层开采创造了良好的条件。
3 沿空留巷的主要形式
为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱，采用一定的技术手段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。
3.1 砌体墙法
主要是紧靠采空区砌筑一道隔离采空区的密闭墙体。此方法操作工序简单，而且容易实现，但该方法存在的问题为不能解决墙体与顶板的接顶问题，往往会造成顶板过量离层使得支护效果不佳。
3.2 高水材料高效充填支护法
随工作面在采空区所在一侧构筑巷帮充填体形成巷帮支护带。该支护方法一般使用材料强度低，用量大且不能有效控制直接顶的离层和及时切断直接顶，不利于保持巷道的稳定性。同时，由于成本高，支护效果差，现场实际应用很少见。
3.3 现浇混凝土隔墙法
在采空区一侧浇筑混凝土隔离墙，此方法适应性广，承载力高，能够形成足够的切顶强度，安全可靠，留巷工序可以实现高度的机械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，现在已经被广泛接受。
3.4 封闭模铸砌体混凝土法
封闭注浆指的是将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内，形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构，砌体预制混凝土块可以对顶板提供及时强大的被动初撑力，有效减小了混凝土墙体的厚度，留巷施工快速，效果直观。由于封闭模铸砌体技术具有施工方便简单，支护强度高，密闭性好，设备投资小的优点，任何矿都很容易上马，因此，此技术得到了普遍的应用。
凉水井煤矿煤层埋深较浅，巷道受较小的地应力影响，不会产生高压蠕变、流变等失稳现象，而且巷道顶底板均为厚砂岩岩层，围岩强度大且结构完整，由于具有厚且坚硬的直接顶，可以在采空区切顶垮落后形成具有较高强度的支撑梁结构，为沿空留巷创造了良好的条件。
4 沿空留巷可行性及参数的数值模拟研究
采用FLAC5.0数值模拟软件对沿空留巷宽度进行研究，从而为留巷施工参数设计提供指导性建议。
4.1 数值模型的建立
沿空留巷巷内采用锚杆支护作为基本支护形式，因此巷道开挖后采用锚杆（索）的支护形式进行数值计算分析，具体支护参数为：顶板锚杆7根，长度1.8 m，直径18 mm，锚索3根，长度7.5 m，直径15.24 mm，右侧帮部锚杆3根，长度1.8 m，直径18 mm。
分别对沿空留巷巷旁充填体宽度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m进行数值模拟计算。
4.2 数值模拟结果分析
在数值模拟计算过程中选取了巷道四周中点为位移监测点，对不同充填体宽度条件下巷道顶底板及两帮位移做了重点监测。
3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，巷道整体结构完整，并且随着巷旁充填体宽度的进一步增加，巷道围岩位移量变化微小，对增强巷道稳定性没有实质性进展。
随着巷旁充填体宽度的增加，实体煤一侧的压力逐渐降低，同样以3 m宽度为临界宽度，充填体宽度小于3 m时，实体煤一侧压力出现集中应力峰值，而充填体宽度大于3 m时，实体煤一侧应力集中现象消失。
沿空留巷成功与否关键在于巷旁充填体的强度是否足够，增加巷旁充填体的宽度有利于回采后巷道的稳定，但是当充填体达到一定宽度以后，继续加大充填体的宽度对维护巷道没有根本性作用。
5 结语
（1）采用沿空留巷技术可以提高原煤回采率，增加煤炭产量，同时由于不留区段隔离煤柱，降低了下部薄煤层开采集中应力，为下部薄煤层开采创造了有利条件，在凉水井煤矿实施沿空留巷具有必要性。
（2）凉水井煤矿的顶板以砂岩为主，围岩结构稳定且具有较高强度，为沿空留巷的实施提供了有利条件。
（3）数值模拟结果显示：3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，此结论对凉水井煤矿沿空留巷设计参数提供了指导性建议。
（4）沿空留巷成功的关键在于巷旁充填体的强度是否足够，同时采用高强、高预应力支护方式对巷道及时进行主动支护，提高巷道围岩整体完整性和强度，有利于留巷后期巷道的整体稳定。
参考文献
[1] 柏建彪，侯朝炯.复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（1）：53-56.
[2] 张东升，缪协兴，茅献彪.综放沿空留巷顶板活动规律的模拟分析[J].中国矿业大学学报，2001（3）：261-264.
[3] 王卫军，李树清.深井煤层巷道围岩控制技术及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（10）：2102-2107.
[4] 张农，李桂臣，许兴亮.泥质巷道围岩控制理论与实践[M].徐州中国矿业大学出版社，2011.
[5] 张农，王成，高明仕.淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策[J].岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2421-2428.
[6] 康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34（9）：1153-1159.
[7] 张农，李学华，高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2004，22（12）：2100-2105.endprint
摘 要：该文对凉水井煤矿实施沿空留巷的可行性进行了研究，结合凉水井煤矿的实际地质条件，通过数值模拟研究巷旁充填体的宽度及巷道支护参数，对沿空留巷的实施提供了可靠的理论指导基础，为节约煤炭资源并提高经济效益指明了方向。
关键词：沿空留巷 巷旁充填 支护参数 FLAC5.0 数值模拟
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0096-02
1 凉水井煤矿开采现状
凉水井煤矿主采煤层为4-2煤层，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夹矸0～3层，夹矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，岩性多为泥岩和粉砂岩。目前4-2煤工作面设计长度为240 m，相邻工作面间距为20 m，回采过程中实际留设煤柱14.6 m。煤层顶底板情况如表1所示。
2 实行沿空留巷的必要性
（1）4-2煤层为凉水井煤矿主采煤层，煤炭赋存条件稳定且储量丰富，采取沿空留巷后可以减少14.6 m煤柱中的煤炭损失，提高凉水井煤矿原煤回采率，增加了煤炭产量，经济效益明显。
（2）沿空留巷可以少掘一条顺槽，不仅降低掘进成本，而且加快了工作面的布置，有助于缓解采掘接替紧张，为综采工作面接替创造条件。
（3）采取沿空留巷后，由于没有了区段隔离煤柱，避免了在隔离煤柱处形成高应力集中区，为下部薄煤层开采创造了良好的条件。
3 沿空留巷的主要形式
为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱，采用一定的技术手段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。
3.1 砌体墙法
主要是紧靠采空区砌筑一道隔离采空区的密闭墙体。此方法操作工序简单，而且容易实现，但该方法存在的问题为不能解决墙体与顶板的接顶问题，往往会造成顶板过量离层使得支护效果不佳。
3.2 高水材料高效充填支护法
随工作面在采空区所在一侧构筑巷帮充填体形成巷帮支护带。该支护方法一般使用材料强度低，用量大且不能有效控制直接顶的离层和及时切断直接顶，不利于保持巷道的稳定性。同时，由于成本高，支护效果差，现场实际应用很少见。
3.3 现浇混凝土隔墙法
在采空区一侧浇筑混凝土隔离墙，此方法适应性广，承载力高，能够形成足够的切顶强度，安全可靠，留巷工序可以实现高度的机械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，现在已经被广泛接受。
3.4 封闭模铸砌体混凝土法
封闭注浆指的是将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内，形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构，砌体预制混凝土块可以对顶板提供及时强大的被动初撑力，有效减小了混凝土墙体的厚度，留巷施工快速，效果直观。由于封闭模铸砌体技术具有施工方便简单，支护强度高，密闭性好，设备投资小的优点，任何矿都很容易上马，因此，此技术得到了普遍的应用。
凉水井煤矿煤层埋深较浅，巷道受较小的地应力影响，不会产生高压蠕变、流变等失稳现象，而且巷道顶底板均为厚砂岩岩层，围岩强度大且结构完整，由于具有厚且坚硬的直接顶，可以在采空区切顶垮落后形成具有较高强度的支撑梁结构，为沿空留巷创造了良好的条件。
4 沿空留巷可行性及参数的数值模拟研究
采用FLAC5.0数值模拟软件对沿空留巷宽度进行研究，从而为留巷施工参数设计提供指导性建议。
4.1 数值模型的建立
沿空留巷巷内采用锚杆支护作为基本支护形式，因此巷道开挖后采用锚杆（索）的支护形式进行数值计算分析，具体支护参数为：顶板锚杆7根，长度1.8 m，直径18 mm，锚索3根，长度7.5 m，直径15.24 mm，右侧帮部锚杆3根，长度1.8 m，直径18 mm。
分别对沿空留巷巷旁充填体宽度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m进行数值模拟计算。
4.2 数值模拟结果分析
在数值模拟计算过程中选取了巷道四周中点为位移监测点，对不同充填体宽度条件下巷道顶底板及两帮位移做了重点监测。
3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，巷道整体结构完整，并且随着巷旁充填体宽度的进一步增加，巷道围岩位移量变化微小，对增强巷道稳定性没有实质性进展。
随着巷旁充填体宽度的增加，实体煤一侧的压力逐渐降低，同样以3 m宽度为临界宽度，充填体宽度小于3 m时，实体煤一侧压力出现集中应力峰值，而充填体宽度大于3 m时，实体煤一侧应力集中现象消失。
沿空留巷成功与否关键在于巷旁充填体的强度是否足够，增加巷旁充填体的宽度有利于回采后巷道的稳定，但是当充填体达到一定宽度以后，继续加大充填体的宽度对维护巷道没有根本性作用。
5 结语
（1）采用沿空留巷技术可以提高原煤回采率，增加煤炭产量，同时由于不留区段隔离煤柱，降低了下部薄煤层开采集中应力，为下部薄煤层开采创造了有利条件，在凉水井煤矿实施沿空留巷具有必要性。
（2）凉水井煤矿的顶板以砂岩为主，围岩结构稳定且具有较高强度，为沿空留巷的实施提供了有利条件。
（3）数值模拟结果显示：3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，此结论对凉水井煤矿沿空留巷设计参数提供了指导性建议。
（4）沿空留巷成功的关键在于巷旁充填体的强度是否足够，同时采用高强、高预应力支护方式对巷道及时进行主动支护，提高巷道围岩整体完整性和强度，有利于留巷后期巷道的整体稳定。
参考文献
[1] 柏建彪，侯朝炯.复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（1）：53-56.
[2] 张东升，缪协兴，茅献彪.综放沿空留巷顶板活动规律的模拟分析[J].中国矿业大学学报，2001（3）：261-264.
[3] 王卫军，李树清.深井煤层巷道围岩控制技术及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（10）：2102-2107.
[4] 张农，李桂臣，许兴亮.泥质巷道围岩控制理论与实践[M].徐州中国矿业大学出版社，2011.
[5] 张农，王成，高明仕.淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策[J].岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2421-2428.
[6] 康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34（9）：1153-1159.
[7] 张农，李学华，高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2004，22（12）：2100-2105.endprint
摘 要：该文对凉水井煤矿实施沿空留巷的可行性进行了研究，结合凉水井煤矿的实际地质条件，通过数值模拟研究巷旁充填体的宽度及巷道支护参数，对沿空留巷的实施提供了可靠的理论指导基础，为节约煤炭资源并提高经济效益指明了方向。
关键词：沿空留巷 巷旁充填 支护参数 FLAC5.0 数值模拟
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0096-02
1 凉水井煤矿开采现状
凉水井煤矿主采煤层为4-2煤层，厚度0.30～4.20，平均厚度2.98 m，含夹矸0～3层，夹矸厚度0.06～0.75 m，一般厚度0.20 m左右，岩性多为泥岩和粉砂岩。目前4-2煤工作面设计长度为240 m，相邻工作面间距为20 m，回采过程中实际留设煤柱14.6 m。煤层顶底板情况如表1所示。
2 实行沿空留巷的必要性
（1）4-2煤层为凉水井煤矿主采煤层，煤炭赋存条件稳定且储量丰富，采取沿空留巷后可以减少14.6 m煤柱中的煤炭损失，提高凉水井煤矿原煤回采率，增加了煤炭产量，经济效益明显。
（2）沿空留巷可以少掘一条顺槽，不仅降低掘进成本，而且加快了工作面的布置，有助于缓解采掘接替紧张，为综采工作面接替创造条件。
（3）采取沿空留巷后，由于没有了区段隔离煤柱，避免了在隔离煤柱处形成高应力集中区，为下部薄煤层开采创造了良好的条件。
3 沿空留巷的主要形式
为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱，采用一定的技术手段将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷。
3.1 砌体墙法
主要是紧靠采空区砌筑一道隔离采空区的密闭墙体。此方法操作工序简单，而且容易实现，但该方法存在的问题为不能解决墙体与顶板的接顶问题，往往会造成顶板过量离层使得支护效果不佳。
3.2 高水材料高效充填支护法
随工作面在采空区所在一侧构筑巷帮充填体形成巷帮支护带。该支护方法一般使用材料强度低，用量大且不能有效控制直接顶的离层和及时切断直接顶，不利于保持巷道的稳定性。同时，由于成本高，支护效果差，现场实际应用很少见。
3.3 现浇混凝土隔墙法
在采空区一侧浇筑混凝土隔离墙，此方法适应性广，承载力高，能够形成足够的切顶强度，安全可靠，留巷工序可以实现高度的机械化，可以采用大型自移式沿空留巷充填支架，提高沿空留巷的安全性，现在已经被广泛接受。
3.4 封闭模铸砌体混凝土法
封闭注浆指的是将砌体干砌成到一个封闭的袋模具内形成一个袋模包裹的干砌体结构，然后通过高压将水泥浆体注入这个封闭到袋模中的干砌体的细小空隙内，形成一个具有强力支撑力的新的混凝土结构，砌体预制混凝土块可以对顶板提供及时强大的被动初撑力，有效减小了混凝土墙体的厚度，留巷施工快速，效果直观。由于封闭模铸砌体技术具有施工方便简单，支护强度高，密闭性好，设备投资小的优点，任何矿都很容易上马，因此，此技术得到了普遍的应用。
凉水井煤矿煤层埋深较浅，巷道受较小的地应力影响，不会产生高压蠕变、流变等失稳现象，而且巷道顶底板均为厚砂岩岩层，围岩强度大且结构完整，由于具有厚且坚硬的直接顶，可以在采空区切顶垮落后形成具有较高强度的支撑梁结构，为沿空留巷创造了良好的条件。
4 沿空留巷可行性及参数的数值模拟研究
采用FLAC5.0数值模拟软件对沿空留巷宽度进行研究，从而为留巷施工参数设计提供指导性建议。
4.1 数值模型的建立
沿空留巷巷内采用锚杆支护作为基本支护形式，因此巷道开挖后采用锚杆（索）的支护形式进行数值计算分析，具体支护参数为：顶板锚杆7根，长度1.8 m，直径18 mm，锚索3根，长度7.5 m，直径15.24 mm，右侧帮部锚杆3根，长度1.8 m，直径18 mm。
分别对沿空留巷巷旁充填体宽度1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m进行数值模拟计算。
4.2 数值模拟结果分析
在数值模拟计算过程中选取了巷道四周中点为位移监测点，对不同充填体宽度条件下巷道顶底板及两帮位移做了重点监测。
3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，巷道整体结构完整，并且随着巷旁充填体宽度的进一步增加，巷道围岩位移量变化微小，对增强巷道稳定性没有实质性进展。
随着巷旁充填体宽度的增加，实体煤一侧的压力逐渐降低，同样以3 m宽度为临界宽度，充填体宽度小于3 m时，实体煤一侧压力出现集中应力峰值，而充填体宽度大于3 m时，实体煤一侧应力集中现象消失。
沿空留巷成功与否关键在于巷旁充填体的强度是否足够，增加巷旁充填体的宽度有利于回采后巷道的稳定，但是当充填体达到一定宽度以后，继续加大充填体的宽度对维护巷道没有根本性作用。
5 结语
（1）采用沿空留巷技术可以提高原煤回采率，增加煤炭产量，同时由于不留区段隔离煤柱，降低了下部薄煤层开采集中应力，为下部薄煤层开采创造了有利条件，在凉水井煤矿实施沿空留巷具有必要性。
（2）凉水井煤矿的顶板以砂岩为主，围岩结构稳定且具有较高强度，为沿空留巷的实施提供了有利条件。
（3）数值模拟结果显示：3 m的巷旁充填体宽度为沿空留巷成功与否的临界宽度，充填体宽度小于3 m时，巷道顶板下沉剧烈，充填墙体坍塌破坏;充填体宽度大于3 m时，巷道顶板得到明显控制，此结论对凉水井煤矿沿空留巷设计参数提供了指导性建议。
（4）沿空留巷成功的关键在于巷旁充填体的强度是否足够，同时采用高强、高预应力支护方式对巷道及时进行主动支护，提高巷道围岩整体完整性和强度，有利于留巷后期巷道的整体稳定。
参考文献
[1] 柏建彪，侯朝炯.复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（1）：53-56.
[2] 张东升，缪协兴，茅献彪.综放沿空留巷顶板活动规律的模拟分析[J].中国矿业大学学报，2001（3）：261-264.
[3] 王卫军，李树清.深井煤层巷道围岩控制技术及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（10）：2102-2107.
[4] 张农，李桂臣，许兴亮.泥质巷道围岩控制理论与实践[M].徐州中国矿业大学出版社，2011.
[5] 张农，王成，高明仕.淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策[J].岩石力学与工程学报，2009，28（12）：2421-2428.
[6] 康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34（9）：1153-1159.
[7] 张农，李学华，高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2004，22（12）：2100-2105.endprint
