大断面沿空留巷充填体承载特性数值模拟研究

赵 利，温 华

(1.华晋焦煤有限责任公司 沙曲二矿，山西 柳林 033315； 2.山西焦煤集团公司， 山西 太原 030024)



·试验研究·

大断面沿空留巷充填体承载特性数值模拟研究

赵 利1，温 华2

(1.华晋焦煤有限责任公司 沙曲二矿，山西 柳林 033315； 2.山西焦煤集团公司， 山西 太原 030024)

沙曲矿为高瓦斯矿井，采用传统的U+L型通风时存在工作面瓦斯超限频发和局部瓦斯聚集的现象。为实现无煤柱开采，增加煤炭产出率，同时改善采煤工作面瓦斯聚集现象，在24207工作面进行了沿空留巷试验。本文通过理论分析，研究了沿空留巷巷旁充填体作用机理，提出了对巷旁充填体的技术要求，并建立了沿空留巷顶板力学模型，在此基础上研究确定了充填墙体的受载特性，初步确定了在试验巷道地质赋存条件下合理的充填体宽度。运用数值模拟软件FLAC3D对不同宽度充填墙体的承载特性进行了研究，通过对比分析沿空留巷墙体受力和变形情况，确定充填墙体合理宽度为3.0～4.0 m.在24207工作面胶带巷进行工业性试验后，针对巷道变形情况进行了长期的矿压观测，结果表明，巷道围岩变形得到了较好的控制，可为相似条件下沿空留巷的设计和实施提供依据。

沿空留巷；巷旁充填体；承载特性；数值模拟软件；合理宽度；工业性试验；巷旁支护

沿空留巷技术是沿采空区边缘人工构筑支撑墙体将回采完成段的回采巷道保留下来，形成沿空留巷，作为治理采煤工作面卸压瓦斯的工作空间，并与采区巷道构成“二进一回”Y型通风巷道系统的一种无煤柱开采技术。 Y型通风方式可以从根本上消除传统综采工作面广泛采用的U型通风开采的一些重大安全隐患，简化U型通风一面四巷的传统瓦斯治理模式。近年来，沿空留巷治理瓦斯技术由于其技术优越性和巨大的社会经济效益已经得到了越来越多的应用和推广[1-4].

沙曲矿为高瓦斯矿井，2#、3#、4#、5#、6#煤层为近距离煤层群，煤层瓦斯含量高，煤炭开采时瓦斯涌出量大。首采4#煤层开采时，采煤工作面采用传统的U+L通风方式，采煤工作面瓦斯超限现象频繁，支架架尾到切顶线经常出现局部瓦斯积聚，严重威胁着矿井的安全生产。

本文结合24207工作面地质赋存条件，通过理论分析与数值模拟相结合并进行工程实践，有效控制了巷道变形，为相似地质条件下沿空留巷的设计和实施提供依据和参考。

1 工程概况

24207工作面位于北二采区，走向长度1 663 m，倾斜长度260 m.工作面3#+4#合并层煤层厚度在3.6～4.2 m，平均厚度为4.17 m. 工作面底板标高预计在360～450 m，工作面上覆地表均为黄土覆盖区，地面标高为866～1 001 m，预计盖山厚度为421～621 m.

工作面伪顶不发育，局部有0.2 m的泥岩，3#+4#煤直接顶为灰色中细砂质泥岩，厚度5.5 m，基本顶为4.5 m厚的灰白色中砂岩。3#+4#煤层直接底为1.1 m灰色中砂岩，有团块状黄铁矿，基本底为2.5 m厚的粉砂岩，再下为5#煤层的直接顶，2 m的泥岩。

根据矿井建设对4#煤层顶底板揭露情况来看，在部分地段顶底板稳定，压力正常，但在褶曲构造发育的个别地段，由于顶板压力大，常造成片帮冒顶，已形成巷道大量开裂、掉块，巷道底鼓严重。

2 沿空留巷充填体承载规律

2.1 沿空留巷巷旁充填体作用机理

巷旁充填随回采工作面的推进而逐段实施，其作用与工作面后方沿空留巷侧向顶板运动规律密切关联。顶板前期活动阶段以旋转下沉为主，来压强度较小，充填体的作用力主要是平衡巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的重量。为保持巷道顶板的完整性，增加直接顶的自稳能力，要求充填体与巷内支护共同作用，保持直接顶与基本顶紧贴。

顶板岩层过渡期活动阶段，基本顶破断、失稳、旋转下沉剧烈。由于直接顶及一定范围内的基本顶垮落破碎，体积增大，充填采空区后，减少了冒落矸石与基本顶之间的间隙，为基本顶形成稳定结构提供了条件，但在基本顶岩块的“大结构”形成之前，充填体应具有足够的可缩量以适应基本顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩(基本顶岩梁及冒落矸石)的承载能力，这也是支架围岩共同作用的体现；同时，充填体还应具有足够的支护阻力参与顶板运动及平衡，以缩短过渡期顶板剧烈活动的时间，减缓留巷顶板过大的下沉量[5].

基本顶岩块形成“大结构”后，顶板岩层进入后期活动阶段，充填体的作用是维持基本顶“大结构”的稳定，其临界支护阻力为平衡冒落带对应范围内的岩层的重量。

近期的研究表明，当充填体早强，刚度大，承载能力高时，能够适应“硬支多载”的顶板下沉规律时，反过来可以促成基本顶沿充填体边缘切顶，使侧向顶板及时及早垮冒，从而形成对巷道维护有利的外部结构环境，减缓巷道的动载，沿空留巷很快进入稳定状态，因此，早撑、早强、大刚度的巷帮充填墙体是沿空留巷的关键技术[2，6].

对于较大采高的工作面实施沿空留巷，还需保证墙体在及时承载后具备足够的稳定性，避免在侧向悬臂旋转和残留顶板二次破断的过程中发生大量破裂以致倾斜失稳，这是与常规中小采高沿空留巷的最大区别[7，8].

2.2 大骨料巷旁充填材料性能

留巷墙体充填材料的基本组分为水泥、粉煤灰、砂石骨料、复合外加剂和水，其主体原料均为来源广泛的地方材料，并利用煤矿电厂发电产生的粉煤灰。

分别对CHCT膏体混凝土留巷充填材料、CHCT膏体混凝土留巷充填材料添加4 mm及添加30 mm碎石进行泵送试验。添加不同粒径碎石的混凝土充填材料的强度测试结果见表1、2，由表1、2可以看出，CHCT膏体混凝土留巷充填材料添加30 mm碎石后抗压强度提高约30%，可直接降低留巷充填材料成本费用约15%.

表1 添加4 mm碎石的混凝土充填材料强度指标表

表2 添加30 mm碎石的混凝土充填材料强度指标表

国产混凝土泵对大骨料混凝土的泵送能力优越，能够实现30 mm以内的大骨料混凝土充填材料连续泵送。选用方圆HBMD40-10-110S矿用充填泵，采用30 mm大骨料混凝土充填，显著提高了墙体的承载能力，保证了强扰动环境中充填体的整体稳定性。2.3 充填体载荷计算

工作面推过之后，顶板急剧下沉，在巷旁充填墙体的阻止下，旋转下沉岩梁在采空区侧某处达到了极限力矩而折断，而顶板岩层断裂后形成的侧向悬臂结构则成为充填体的主要施载体(图1)[4]. 在充填材料与承载能力确定的条件下，墙体稳定的前提是其承受的最大压力小于墙体的承载能力，即σ≤[σ][9].将顶板岩层摩擦力作为安全储备，同时把悬伸的顶板岩层看成梁，梁上的载荷均匀分布，则可以得到：

图1 沿空留巷力学模型图

(1)

式中：

γi—岩层分层的体积力；

hi—分层悬梁厚度；

Li—顶板岩层悬臂总长度；

l—顶板断裂线至巷道煤帮距离；

k—安全系数；

σ—充填体载荷；

B—沿空留巷宽度；

x—充填墙体宽度。

于是可以得出：

(2)

可见，采空侧顶板岩层的悬臂长度越长、工作面的采高越高、巷旁墙体的承载能力越小，则墙体的宽度需求越高。其中，顶板岩层侧向悬臂长度可以按照下式确定:

(3)

式中：

S—工作面的长度；

L′—采场基本顶的周期来压步距：

H—基本顶的厚度；

Rt—基本顶的抗拉强度；

Q—基本顶单位面积承受的载荷。

将工作面长、垮落带顶板分层厚度、充填墙体承载强度等参数代入上式，计算得出x=3.14 m，即巷旁充填墙体的宽度不应小于3.14 m.

3 不同宽度墙体承载特性模拟分析

数值计算方法作为一种解决采矿与岩土力学问题的有力工具，在解析存在困难的时候，有着突出的优越性，它可以考虑众多的影响因素，进行多方案的快速比较，在参数敏感性分析中具有明显优势，同时有的软件还具有强大的前处理和后处理功能，显著提高了输入和输出结果的可视化程度。FLAC3D是基于有限差分的岩土体模拟软件，具有计算精度高、速度快等特点，在矿山工程中得到了广泛应用[10].利用FLAC3D对巷旁支护高水材料充填体的宽度进行对比分析，为充填体宽度的确定提供依据和参考，并验证理论计算的合理性。

3.1 计算模型

数值计算模型模拟煤层厚度3.0 m，计算模型尺寸为长×宽×高=185 m×100 m×56 m，上边界载荷按采深430 m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=4.5 m×3.0 m(中线)，巷道支护参数按照井下实际参数选取。数值计算模型见图2，3.

图2 数值计算模型图

图3 模型网格图

模拟基于锚杆索支护形式，主要针对留巷回采期间采用不同的墙体宽度分别进行模拟分析，比较当墙体宽度为2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m时墙体的承载与变形、破坏的特征，从而得出墙体最优宽度。

3.2 模拟结果及分析

采用2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m 4种不同宽度的充填墙体，留巷后围岩应力分布特征见图4.

图4 不同墙体宽度巷道围岩应力分布图

由图4可得出以下结论：

1) 就沿空留巷而言，应力分布特征存在一致性，即在充填体上方顶板岩层和实体煤侧深部及上方岩层水平应力较高，数值在25 MPa以上，而巷道直接顶浅部由于松散破碎严重，应力得到释放，应力值较低；垂直应力主要集中分布在充填墙体内部及上方顶板以及实体煤侧深部及上方岩层中，数值达到20 MPa以上。

2) 采用2.5 m宽度墙体留巷后，其顶板岩层出现较大的水平应力，且应力分布向实体煤侧及其顶板岩层延伸，至距巷道4 m处出现应力最大值，最大应力值达到50 MPa以上；受顶板活动的影响，承载墙体中部出现垂直应力集中区，应力值可达22 MPa，而实体煤侧距巷道5 m处最大应力值则达到30 MPa以上。

3) 采用3.0 m宽度墙体留巷后，墙体内水平应力较小，仍以受垂直压力为主，顶板应力分布也较2.5 m墙体有所缓和。

4) 采用3.5 m宽度的墙体，留巷后应力值未发生明显变化，但应力集中区域则有较为明显的减小，实体煤侧应力进一步向深部转移。

5) 采用4.0 m宽度墙体留巷后，墙体内并未出现水平应力集中，而其上方顶板由于受采空区顶板旋转挤压的影响，水平应力较大。需要注意的是，此时墙体内部及顶板的应力集中区域与采用3.5 m墙体时相比有所扩大，且开始向底板岩层转移。墙体内垂直应力最大达25 MPa，出现于形变较小的中部，实体煤帮垂直应力集中区转移至煤体深部距巷道5.5 m以外，最大值达30 MPa.

巷道两帮及底板的变形量对比见图5～7.

图5 留巷墙体侧表面变形量对比图

图6 留巷非回采帮表面变形量对比图

图7 留巷底鼓量对比图

从图5～7中的曲线可以看出，留巷的实体煤帮的变形量受墙体宽度变化的影响较小，而巷道墙体侧和底板的变形受其影响则较大。墙体侧巷帮的变形量随着墙体宽度的增加有较为明显的减小，当墙体宽度由3.0 m增加至3.5 m时，变形值减小的幅度较大。同样，当墙体宽度由3.0 m增加至3.5 m时，底鼓量减小的幅度也较采用其它宽度的墙体时大。

由此可以认为，沿空留巷充填墙体宽度的变化对巷道围岩的应力分布与变形有较为明显的影响，随着墙体宽度的增加，巷道围岩应力与变形均有所改善。同时，墙体宽度应存在1个最优值，当宽度小于最优值时，墙体宽度的增加可明显改善巷道围岩的应力与变形，而当墙体宽度大于最优值时，这种仅靠增加墙体宽度而使巷道维护状况得到改善的作用便不再明显。根据以上对数值模拟结果的各种分析，可以确定墙体宽度的最优值应为3.0～4.0 m.

4 现场试验及沿空留巷围岩控制效果分析

4.1 沿空留巷参数

通过模拟分析，充填体内所受到的最大垂直应力平均为15～25 MPa，而根据支护体载荷计算以及充填材料的强度试验，其最大承载极限可达到22 MPa以上，力学计算得到巷旁墙体宽度不应小于3.14 m，参照工程类比无煤柱开采经验，一般充填留巷墙体宽度与采高比在1～1.5，本次24207工作面为3#、4#煤层合并开采，留巷墙体高度∈(3.5～4.2 m)，综合安全系数等多种因素最终确定本工作面留巷充填墙体宽度为4.0 m，高度与工作面采高相同。

4.2 巷道矿压观测

为了观测在24207工作面沿空留巷期间围岩活动规律，考察巷道围岩变形和充填体的变形，研究支护参数的合理性，在沿空留巷过程中设置相应的测站，对巷道表面位移、巷旁充填体变形进行观测。

测站布置于工作面后方0～260 m，观测工作与回采同步进行，在留巷充填长度达到220 m时统一安装，并及时进行观测。在回采期间，测站多次受巷内施工影响，遭到破坏后，在原有测站的基础上重新施工短锚杆继续观测。24207沿空留巷两帮变形量-距工作面距离曲线图，顶底移近量-距工作面距离曲线图分别见图8，9.

图8 24207沿空留巷两帮变形量-距工作面距离曲线图

由图8和图9可以看出：1) 顶底变形持续周期大于两帮，但剧烈程度小于两帮。2) 底鼓量大于顶

板下沉量，底鼓量占顶底移近总量的58%，符合沿空留巷的围岩变形规律。3) 顶底最大移近量为597 mm，顶板未出现剧烈下沉和明显开裂，底板也未出现过大底鼓，表明采用的充填体宽度能适应此类开采条件下的沿空留巷工程。

巷道周边变形情况总体为两帮的最终变形量665 mm、顶底最大移近量为597 mm，变形稳定后巷道断面可维持在7.9 m2以上。

5 结 论

通过分析大断面沿空留巷充填体支护机理，结合理论计算和数值模拟研究得出沿空留巷充填体的合理宽度并进行了现场工业性试验，得出以下结论。

1) 通过顶板活动过程中巷旁墙体作用的分析，提出了对巷旁充填墙体的技术要求；建立了沿空留巷力学模型并计算得出了巷旁墙体参数的确定方法。

2) 利用岩土工程数值分析软件FLAC3D进行了不同宽度沿空留巷充填体作用下，巷道围岩变形及充填体承载特征的模拟研究。由数值模拟结果可知，充填体宽度为3.0～4.0 m时，能兼顾留巷稳定性和提高经济效益的要求。

3) 在24207胶带巷现场试验，通过现场矿压监测，得到巷道围岩的变形情况，两帮的最终变形量665 mm、顶底最大移近量为597 mm，变形稳定后巷道断面可维持在7.9 m2以上。未出现剧烈变形，说明所采用的充填墙体宽度能满足围岩控制的要求。

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Numerical Simulation Study of Filling Body Bearing Characteristics in Large Section Gob-side Entry Retaining

ZHAO Li, WEN Hua

Shaqu Mine is a high-gas coal mine, the traditional U+L type ventilation has the phenomenon of frequent gas outburst and local gas accumulation in working face. In order to realize without coal pillar mining, increase the coal output rate, and reduce the gas content in the coal mining face, the test of gob-side entry retaining is carried out in 24207 working face. The function mechanism of gob-side entry retaining filling body beside roadway is studied by theoretical analysis, and the technical requirements of filling body beside roadway are put forward. The mechanics model of gob-side entry retaining roof is established. On this basis, bearing characteristics of filling wall is ensured, the reasonable filling width under the conditions of the geological conditions of the test roadway is preliminarily determined. The numerical simulation software FLAC3D is used to study the load-bearing characteristics of the filling walls with different widths. By comparing and analysis the force and deformation of gob-side entry retaining wall, the reasonable width of the filling wall is determined to be 3.0～4.0 m. Industrial test is carried out in 24207 working face conveyor tunnel side, by mine pressure observation of roadway deformation situation for a long time, the result shows that the deformation of roadway surrounding rock is well controlled, which can provide the basis for the design and implementation of gob-side entry retaining under similar conditions.

Gob-side entry retaining; Filling body beside roadway; Bearing characteristics; Numerical simulation software; Reasonable width; Industrial test; Support beside roadway

2016-05-21

赵 利(1973—)，男，山西清徐人，2012年毕业于黑龙江科技大学，工程师，主要从事采煤管理工作

(E-mail)641159866@qq.com

TD322

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1672-0652(2016)07-0019-06