坚硬顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度优化研究

何风贞，阚甲广，杨 森，华心祝，李迎富，王化洋

（1.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室矿业工程学院，江苏徐州221116；2.安徽理工大学能源与安全工程学院，安徽淮南232001）



坚硬顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度优化研究

何风贞1，阚甲广1，杨 森1，华心祝2，李迎富2，王化洋1

（1.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室矿业工程学院，江苏徐州221116；2.安徽理工大学能源与安全工程学院，安徽淮南232001）

巷旁充填体宽度是沿空留巷体系的一个重要参数，决定着留巷体系的稳定。不同顶板条件下，巷旁充填体具有不同的合理宽度。根据沙曲煤矿沿空留巷的工程地质情况，对坚硬顶板条件下沿空留巷巷旁充填体合理宽度优化进行研究，采用理论计算确定充填体宽度范围在（1.65m，3.75m）内，通过数值模拟选择合理宽度值为3.0m，并通过工程实践对确定的充填体合理宽度值进行验证，工程实践中留巷体系整体变形量小，能够保证留巷具有有效的使用断面，留巷能够成功。分析表明：在坚硬顶板条件下，巷旁充填体宽度具有一定的选择范围，在该范围内选择合理的巷旁充填体宽度能够有效降低留巷体系的变形量，提升留巷体系的稳定性，该种方式确定的坚硬顶板条件下沿空留巷巷旁充填体合理宽度能够运用于类似条件矿井。

坚硬顶板；沿空留巷；巷旁充填体；合理宽度

沿空留巷是实现无煤柱与瓦斯共采的关键途径，具有提高煤炭资源采出率，降低矿井掘进率，解决瓦斯问题，消除煤柱护巷时煤柱下方产生的应力集中对下部煤层开采造成的影响等优点［1］。巷旁充填体是沿空留巷体系的重要组成部分，充填体宽度是否合理直接决定着留巷是否能够成功［2］。充填体宽度过宽会增加工人劳动强度和煤矿生产成本，充填体宽度过窄则会严重影响留巷体系的稳定性，造成围岩变形量大，留巷难以成功［3-4］。

国内众多学者和工程技术人员针对多种工程技术条件下留巷充填体合理宽度进行了深入的研究。李迎富、华心祝［5］通过对关键块稳定性的力学分析，确定了二次留巷巷旁充填体的合理宽度。陈勇、柏建彪［6］等通过数值模拟和现场试验，分析充填体宽度与留巷围岩应力和变形的关系，确定了合理的巷旁充填体宽度。张东升、缪协兴［7］等用数值模拟和相似材料模拟，研究充填体宽度与顶板活动规律之间的关系，确定了综放沿空留巷巷旁充填体的合理宽度。谢文兵［8］等对综放开采下沿空留巷充填体的宽度确定进行研究，重点分析充填体宽高比对留巷体系的影响。

但是随着采深增加，沿空留巷仍面临着围岩难以支护的技术难题［9］。特别是坚硬顶板条件下顶板来压剧烈，工程难度大。而现有的研究对坚硬顶板条件下的巷旁充填体合理宽度的确定研究较少，坚硬顶板条件下留巷充填体变形破坏严重的问题一直难以解决，因此对该条件下沿空留巷巷旁充填体合理宽度进行优化研究对提升沿空留巷体系稳定性有着重要作用。本文以沙曲煤矿为工程实例，通过理论计算、数值模拟和现场实测相结合的方法，对坚硬顶板下巷旁充填体合理宽度优化进行研究。

1　工程概况

留巷工作面埋深376～428m，平均埋深为400m，工作面长度为210m，工作面煤层平均厚度4m，为中厚煤层，煤层倾角3～7°，平均5°左右。直接顶为1m厚的粉砂岩，坚固性系数f=6，基本顶为4.5m厚的砂岩，坚固性系数f=7.5，属于坚硬顶板；直接底为泥质砂岩或粉砂岩，厚度为4.5m；老底为砂岩，厚度为4.5m。该工作面为综采面，掘进期间巷道支护采用锚网索支护形式，回采前对留巷进行补强加固。巷旁充填体采用CHCT膏体混凝土留巷充填材料添加30mm碎石，为提升充填墙体强度，在充填墙体内合理布筋。

2　巷旁充填体合理宽度力学计算

回采期间，随着巷道一侧煤体的采出，侧向顶板悬露面积增加，顶板侧向弯曲下沉，出现断裂。沿空留巷顶板侧向断裂模型如图1所示。

图1　沿空留巷顶板侧向断裂模型

图中a为巷旁充填体宽度；b为巷宽；x0为基本顶断裂基点到煤壁的水平距离，断裂点位于煤帮的弹塑性交界处；L为基本顶侧向关键块长度；h为基本顶厚度；h1为直接顶厚度；m为煤层厚度；h2为直接底厚度。

沿空留巷初期，基本顶侧向破断之前，上方岩层产生的应力主要由基本顶承担，充填墙体仅承担附近区域直接顶重量，此时巷旁充填体受力按照式

（1）计算:

式中，a1为充填墙体最低宽度；n为采高的倍数，一般为4～8；γ0为直接顶的体积力；x0按照式（2）计算［10］（或通过矿井生产探测钻孔确定）:

式中，λ为侧压系数；m1为巷道高度；c0为煤层与顶底板的黏聚力；ϕ0为煤层与顶底板交界面的内摩擦角；k为应力集中系数；H为巷道埋深；γ为上覆岩层平均容重；Px为煤帮支护阻力。

为保证留巷初期巷旁充填体的稳定且不发生破坏性变形，巷旁充填体受力应满足式（3）

式中，σ2为巷旁充填体的初期强度。

由式（3）可得留巷初期巷旁充填体宽度应满足式（4）所示条件

当直接顶垮落，基本顶发生破断时充填体在采空区侧受力最为显著，此时巷旁充填体采空侧受力按式（5）计算［11］

式中，t为直接顶碎胀系数；E，E1，E2分别为煤层等效弹性模量、直接顶等效弹性模量、直接底等效弹性模量；L按式（6）计算［12］

在直接顶垮落，基本顶发生破断期间，为保证充填体不发生破坏性变形，充填体在采空区侧受力应满足式（7）所示条件:

式中，σt为充填体最终强度。

由式（5）和式（7）可得基本顶断裂期间巷旁充填体宽度应满足式（8）:

由式（4）和式（8）可得巷旁充填体合理宽度范围在（a1，a2）内。

根据矿井生产和顶板管理，基本顶周期来压步距最大为25m（由矿井具体生产确定），计算巷旁充填体宽度范围的其他参数如下:λ=0.4，b=4m，c0=1.5MPa，n=6，γ=γ0=25kN/m3，k=2.3，ϕ0=35°，Px=0.15MPa，H=400m，S0=210m，E =80MPa，E1=130MPa，E2=160MPa，t=1.1，h2=4.5m，巷旁充填材料为膏体混凝土材料，充填体1d后的初期强度σ1能达到3.5MPa，充填墙体的后期强度最大可达到20MPa。根据式（4）和式（8）得到沙曲煤矿坚硬顶板下巷旁充填墙体的宽度应在（1.65m，3.75m）内。

3　充填体合理宽度数值模拟分析

3.1模型建立

根据矿井地质资料，利用FLAC3D软件建立计算模型，模型计算采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则。模型尺寸为:长×宽×高=200m× 60m×43.5m，模型分为 7层，模型上方施加9.96MPa的垂直应力，模型的侧压系数为0.4，模型左右两侧水平位移和底部垂直位移固定。模拟中充填墙体宽度分别设定为 2.0m，2.5m，3.0m，3.5m。模型各分层岩体性质如表1所示。

表1　模型各岩层特征

3.2数值模拟结果分析

3.2.1不同宽度条件下留巷体系变形

图2为不同宽度条件下留巷体系变形直观图。

从图2可以看出，当充填体宽度为2.0m和2.5m时巷旁体系变形较大，留巷体系稳定性差；当充填墙体宽度为3.0m和3.5m时充填墙体变形量、顶板下沉量及煤壁侧向变形量小，留巷体系整体能够保持稳定状态。

3.2.2不同宽度条件下充填体中垂直应力

图2　不同充填体宽度下留巷体系变形直观

图3 不同宽度条件下充填体垂直应力

图3为充填体垂直应力随宽度变化曲线。从图3可知，充填体中最大承载能力和高应力承载区随着充填体宽度的增加而增加。当充填体宽度由2.5m增加到3.0m时，充填体中最大垂直应力由9.0MPa增加到12.3MPa，增加了36.7%，当宽度由3.0m增加到3.5m时，充填墙体的最大垂直应力仅提升了9.8%。这表明当宽度增加到一定值后充填墙体的承载能力和抗变形能力得到较大提升，能够承载较大的垂直应力且不发生较大变形。

3.2.3实体煤帮垂直应力分析

图4为不同宽度条件下实体煤帮中垂直应力变化曲线，由图4可知，在距离煤壁3m处开始出现较高的垂直应力，随着充填体宽度的增加，煤体中距煤壁3m处的垂直应力随之减小。当充填体宽度由2.5m增加到3.0m时，煤体中距煤壁3m处的垂直应力由22MPa降低为16MPa，减小了27.2%，当充填体宽度由3.0m增加到3.5m时煤体中距煤壁3m处的垂直应力仅降低了6.7%。这表明当充填增加到合理宽度值3.0m时充填体能够对顶板提供较大的支撑力，使得煤体上方基本顶受力均匀，从而减小了基本顶下沉在煤帮中形成的应力集中程度。

图4　实体煤帮中垂直应力变化曲线

3.2.4不同宽度条件下顶板和充填体下沉量分析

图5为直接顶下沉量和充填体垂向位移。

图5　直接顶下沉量和充填体垂向位移

由图5可知，充填体宽度达到合理宽度值时，直接顶下沉量和巷旁充填体的垂向位移迅速减小。当巷旁充填体宽度由2.5m增加到3.0m时直接顶和充填体的下沉量明显减小；当巷旁充填体宽度继续增加，直接顶和充填体下沉量减小幅度明显降低。表明充填体宽度达到合理值（3m）时充填体的整体承载能力和稳定性增强，承受来自顶板较大荷载时不发生破坏性变形，对顶板有较强的支撑力。

3.2.5不同宽度条件下煤壁和充填体侧向变形

图6为煤壁和充填体侧向变形曲线。

由图6可知，当充填墙体宽度由2.5m增加到3.0m时，煤壁和充填墙体的侧向变形均明显减小。当充填墙体宽度由3.0m增加到3.5m时充填体和煤壁的侧向变形减小幅度较小。这表明当巷旁充填体宽度达到合理值时，能够有效地控制巷道整体变形量，使巷道的整体变形量明显减小，从而保证留巷体系具有有效的使用断面。

4　工程实践

图6　煤壁和充填体侧向变形曲线

根据以上理论分析和数值模拟结果，在沙曲煤矿进行工业性试验。根据理论分析，确定试验留巷体系巷旁充填墙体的合理宽度为3m。在试验中布置测点对留巷体系的变形量和充填墙体中的垂直应力进行监测，监测结果如图7和图8所示。

图7　巷道变形曲线

图8　不同宽度充填墙体中横向垂直应力

根据图7和图8所示，在监测期内工作面后方27m范围内，基本顶最大下沉量为86mm，充填墙体最大下沉量为140mm，两帮侧向位移总量接近150mm，巷道总体变形情况与数值模拟（图5、图6）基本一致；根据对充填墙体垂直应力监测，在基本顶下沉初期充填墙体就能提供预期的支撑力，巷旁充填体中最大垂直应力16MPa，略微大于数值模拟中充填墙体中垂直应力最大值，但充填墙体未发生破坏性变形。观测数据表明当充填墙体宽度为3.0m时，留巷体系变形量与数值模拟值结果相近，围岩活动稳定后，留巷体系最终能满足矿井生产需要。

5　结 论

（1）在坚硬顶板条件下，沿空留巷巷旁充填体宽度存在一个合理值。理论分析和数值模拟结果表明，沙曲煤矿巷旁充填墙体宽度合理值为3.0m。

（2）坚硬顶板条件下，合理的充填墙体宽度能够大幅提高充填体承载能力和稳定性，进而抑制顶板下沉和巷道两帮变形。同时合理的宽度能够使实体煤帮内垂直应力减小，降低煤帮因高应力而产生的破坏性变形。

（3）工程实践表明采用该种方法确定的沙曲煤矿坚硬顶板条件下沿空留巷巷旁充填体宽度是合理的。合理的充填墙体宽度（3.0m）下，留巷体系整体变形量小，留巷体系的稳定性显著提高，留巷的成功率得到提升，满足了矿井的高效、安全生产的要求。

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［责任编辑：于健浩］

Optimal Studying of Rational Roadside Packing Width of Gob-side Entry Retaining under Harden Roof

HE Feng-zhen1，KAN Jia-guang1，YANG Sen1，HUA Xin-zhu2，LI Ying-fu2，WANG Hua-yang1
（1.Education Ministry Key Laboratory of Deep Coal Resources Mining，Mining Engineering School，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China；2.Energy and Safety School，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China）

Roadside packing width is an important parameter of gob-side entry retaining system，it is important for gob-side entry retaining system stability.Roadside packing width has different rational width under different roof situation.According geological situation of gob-side entry retaining of Shaqu coal mine，the optimal roadside packing rational width of gob-side entry retaining under harden roof was studied，the rational width scope is 1.65m to 3.75m after theoretical calculated，the rational width is 3.0m by numerical simulation，the width was verified by in practical，the total deformation of gob-side entry retaining system was small，an valid section could be ensured and gob-side retaining would be successfully.After analysis，the roadside packing width has some choose scope under harden roof，and gob-side entry retaining deformation could be decreased effectively by rational width of roadside packing width，then the stability would be improved，it references for similar situation.

harden roof，gob-side entry retaining，roadside packing width；rational width

TD823.7

A

1006-6225（2016）04-0056-04

2016-01-05

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.015

国家自然科学基金资助项目（51274010）；江苏省基础研究计划（BK20151145）；煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室开放基金（JYBSYS2015203）

何风贞（1989-），男，河南平顶山人，在读硕士研究生，从事巷道围岩控制方向的研究。

［引用格式］何风贞，阚甲广，杨 森，等.坚硬顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度优化研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：56-59，72.