沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用

张自政,柏建彪,王卫军，陈 勇，于宪阳

(1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000; 3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用

张自政1，2,柏建彪3,王卫军1，陈 勇3，于宪阳1

(1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2.辽宁工程技术大学 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心，辽宁 阜新 123000; 3.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

针对综采放顶煤、复合顶板等松软破碎顶板沿空留巷直接顶稳定控制难题，根据沿空留巷顶板活动的时空特征，建立了沿空留巷充填区域直接顶弹性损伤力学模型，推导了充填区域直接顶应力分布表达式，研究了充填区域直接顶应力分布演化规律，进而得到了充填区域直接顶拉应力范围和水平错动范围计算式及相应的演化规律。结果表明：充填区域直接顶受力状态受基本顶回转下沉角和直接顶损伤变量的影响，随着基本顶回转下沉角的增加，拉应力作用范围逐渐减小，水平错动范围逐渐增大。结合新元煤矿3107工作面沿空留巷的工程地质条件，提出了分区域动态加固沿空留巷充填区域直接顶的控制对策，工程应用表明，沿空留巷充填区域顶板下沉量得到了有效地控制，沿空留巷围岩稳定性较好。

沿空留巷;充填区域;直接顶;受力状态;变分法

沿空留巷作为无煤柱开采的重要技术路径，其具有降低巷道掘进率、缓解采掘接替紧张、提高煤炭采出率、消除多煤层开采煤柱区域的应力集中效应、实现工作面Y型通风、解决隅角瓦斯积聚、降低工作面温度、改善作业环境等优点[1-4]。随着煤矿巷内锚杆支护技术的加强和巷旁充填技术的发展，沿空留巷技术在顶板条件较好的矿区已经实现广泛应用，而综采放顶煤[5-8]、松软顶板[9]、复合顶板[10]等条件下的沿空留巷正逐步开展。

当开展巷旁充填沿空留巷时，巷旁充填体上方的充填区域直接顶起着向下传递基本顶对巷旁充填体的载荷和旋转变形、向上传递巷旁充填体对基本顶的支撑作用，该区域直接顶稳定性差。因此，充填区域直接顶的稳定状况是综采放顶煤、复合顶板等松软破碎顶板沿空留巷能否成功的关键之一。部分学者针对沿空留巷直接顶或者基本顶的变形规律进行了较多的研究[11-14]，但都是着眼于顶板下沉量的影响因素及影响规律，顶板的应力分布演化规律甚少研究。基于此，本文以山西省阳煤集团新元煤矿高瓦斯突出煤层沿空留巷为工程背景，将沿空留巷不同时期基本顶对直接顶的作用视为给定变形，采用弹性损伤力学的方法，研究不同时期沿空留巷充填区域直接顶的应力分布和受力状态，揭示沿空留巷充填区域直接顶变形的力学机制，研究结果对开发沿空留巷充填区域直接顶的稳定控制技术提供了依据，有助于提高较差顶板条件下的沿空留巷技术的工程应用与推广。

1 沿空留巷充填区域直接顶不同时期的应力解析

1.1 沿空留巷充填区域直接顶活动的时空特征

孙恒虎[15]、李化敏[16]、漆泰岳[17]、陈勇[18]等学者根据沿空留巷顶板活动特征，分别提出了沿空留巷围岩活动的时空划分。根据诸位学者的研究成果可知：

(1)直接顶首先在采空区一侧发生破断(此时直接顶处于一端固支的悬臂梁状态)，然后在实煤体上方发生第2次破断(此时直接顶处于一端简支的悬臂梁状态);

(2)当直接顶垮落可以充满采空区时，基本顶岩层会形成稳定的“砌体梁”结构，如图1(a)所示;当直接顶垮落无法充满采空区的时候，下位基本顶会继续垮落直至充满采空区，此时上位基本顶最终会在沿空留巷巷道上方形成稳定的“砌体梁”结构，如图1(b)所示。

图1 沿空留巷顶板结构Fig.1 Roof structure in gob-side entry retaining

因此，基于沿空留巷充填区域直接顶在不同时期的活动特点，可以将沿空留巷充填区域反复受载直接顶受载阶段分为工作面超前采动影响阶段、液压支架支撑阶段、无巷旁充填体支撑阶段(临时支护阶段)、巷旁充填体增阻支撑阶段和巷旁充填体稳定支撑阶段。

1.2 沿空留巷充填区域直接顶力学模型

在沿空留巷过程中，直接顶首先受到超前支承应力作用，岩体逐渐积累了损伤，而后当直接顶受到基本顶“给定变形”和下方巷内支护阻力与巷旁支护阻力作用时，积聚大量的弹性变形能，随着直接顶的变形，弹性变形能会逐步释放直至直接顶变形稳定。因此，可近似认为直接顶为损伤变形体，利用能量变分理论求解充填区域直接顶的应力分布问题。

根据沿空留巷顶板活动规律，基本顶以“给定变形”方式作用于下方直接顶。由于基本顶的刚度远大于直接顶和实体煤，因此沿空留巷直接顶上边界为基本顶施加“给定变形”的位移边界，下边界受到巷内支护阻力p1、充填区域锚杆锚索支护阻力p2、巷旁支护阻力q以及极限平衡区范围内的直接顶所受支承应力σyf的作用。巷道顶板左边界可视为固定边界，右边界巷旁充填体，同时与采空区冒落矸石接触，破碎矸石作用于直接顶的水平推力为p3，这样可建立直接顶一端固支悬臂梁模型如图2所示，其中直接顶厚度为hi。

图2 沿空留巷直接顶力学模型Fig.2 Mechanical model of immediate roof in gob-side entry retaining

巷道开挖后，实煤体帮出现应力集中，实煤体帮出现弹塑性分区;工作面回采期间，受采动支承应力影响，实煤体帮应力集中系数增大，实煤体帮塑性区进一步向深部发展直至达到应力峰值位置，即直接顶固支端位置。根据极限平衡区理论，实煤体帮峰值应力所处位置L1可以采用式(1)[19]计算

式中，Cf为分界面的黏聚力，MPa;φf为分界面内摩擦角，(°);λ为侧压系数;hr为巷道高度，m;k0为实煤体帮侧向支承应力集中系数;H0为沿空留巷巷道顶板处的埋深，m;px为实体煤帮支护强度。

实煤体支承应力σyf可以根据式(2)[19]计算

1.3 沿空留巷充填区域直接顶应力的位移变分法

在一般应变状态下，直接顶储存的形变势能为

由于直接顶在Z方向(工作面开采方向)可视为无限长，本问题为平面应变问题，采用位移变分法求解该问题[20]。直接顶储存的形变势能采用位移分量可表示为

假设直接顶位移分量u,v发生了位移边界条件所允许的微小变化δu,δv，则得到拉格朗日位移变分方程为

取直接顶位移分量表达式为

将式(6)代入式(5)，可得直接顶位移变分方程为

根据直接顶力学模型，得到其边界条件如下：

体力分量：X=0，Y=-ρg;

面力边界条件：

实际上，如果位移分量仅取少数的待定系数，将无法求得直接顶精确的应力解析解[20]。因此，为了获取较为精确的应力解析解，可以取位移分量表达式为

式中，L0=L1+a+b。

显然，式(8)满足问题的位移边界条件，可用里茨位移变分法求解，将式(8)代入式(4)得直接顶应变能为

根据式(9)积分结果，可计算得到式(7)左边各偏导结果为

根据式(7)和边界条件可求得式(7)等号右侧为

联立式(10)～(13)可以得到S1，S2，B1，B2的四元一次方程组。采用Matlab解之，可得S1，S2，B1，B2的解析解，限于篇幅，这里不再展开。将S1，S2，B1，B2代入式(8)即可得到位移分量u，v。

根据几何方程及物理方程，可知直接顶应力分量为

当考虑直接顶损伤时，根据连续介质损伤力学，式(14)可以改写为

式中，Di为直接顶损伤变量，可以根据直接顶岩样在卸围压试验过程中弹性模量的损伤规律确定[21]。

根据式(13)，式(15)可以改写为

根据式(16)可知，沿空留巷充填区域直接顶应力分布主要与基本顶回转下沉角、直接顶厚度、采高、直接顶损伤变量等因素有关;基本顶回转下沉角改变致使充填区域直接顶的应力分布迥异。

2 不同时期沿空留巷充填区域直接顶的应力分布特征

2.1 工程背景

山西省阳煤集团新元煤业有限公司3107工作面辅助进风巷沿空留巷工程为背景。该工作面平均埋深500 m，倾斜长度240 m，走向长度1 592 m，煤层倾角平均为4°，煤层平均厚度为2.8 m，3107辅助进风巷断面为宽×高=4.8 m×3.0 m，沿3号煤层顶板掘进，沿空留巷采用水灰比1.5∶1的高水充填材料在采空区构筑巷旁充填体，巷旁充填体宽度为2.0 m，留巷宽度为5.2 m，3107辅助进风巷采用锚网索支护。直接顶为平均厚度7.1 m的砂质泥岩，基本顶为平均厚度5.4 m的中砂岩，直接底为平均厚度1.5 m的泥岩，基本底为平均厚度2.1 m的砂质泥岩。

2.2 不同时期充填区域直接顶的应力分布特征

结合新元煤矿3107工作面实际生产地质条件，实煤体帮侧压系数λ为1.2，侧向支承应力集中系数k0为2.0，巷道顶采用锚网索支护，巷内顶板支护强度p1为0.2 MPa，实煤体帮支护强度px为0.1 MPa，直接顶为7.1 m厚的砂质泥岩，上覆岩层平均容重γ为2.5×104N/m3，分界面黏聚力Ci为1.35 MPa，内摩擦角φi为13.13°，3107工作面采用ZY6800/17/35掩护式液压支架，液压支架支护强度最大为1.0 MPa;3107工作面巷旁充填体采用高水材料构筑，巷旁充填体支护强度最大为8 MPa。根据室内岩石力学试验，直接顶黏聚力Ci为2.7 MPa，内摩擦角φi为26.259°，弹性模量E为4.96 GPa，泊松比μ为0.21。将以上数据代入式(1)，(2)可以计算得到L1=12.75 m，系数A0=5.871×106，A1=0.13，A2=-5.788×106。

考虑到不同时期沿空留巷充填区域直接顶常见的支护技术和支护强度的差异性，在以上4个时期p2，p3，q典型取值见表1。

表1不同时期p2，p3，q典型取值
Table1Typicalvaluesofp2,p3,qduringfourdifferentstagesMPa

根据众多沿空留巷工程实践，在沿空留巷全过程中基本顶回转下沉角θ最大可达3°～6°，取工作面液压支架支撑阶段基本顶回转下沉角θ为1°、无巷旁充填体支撑阶段基本顶回转下沉角θ为2°、巷旁充填体增阻支撑阶段基本顶回转下沉角θ为3°、巷旁充填体稳定支撑阶段基本顶回转下沉角θ为4°;根据直接顶岩样室内试验结果，取工作面液压支架支撑阶段直接顶损伤变量为0.069、无巷旁充填体支撑阶段直接顶损伤变量为0.174、巷旁充填体增阻支撑阶段直接顶损伤变量为0.3、巷旁充填体稳定支撑阶段直接顶损伤变量为0.35。将以上结果代入式(16)可以得到充填区域直接顶垂直应力和水平应力分布特征分别如图3～6所示，图中垂直应力拉应力为“+”，压应力为“-”;水平应力向巷内一侧为“-”，向采空区一侧为“+”，到巷内边缘距离均为往采空区一侧与沿空留巷巷道边缘距离。

图3 工作面液压支架支撑阶段充填区域直接顶垂直 应力和水平应力分布Fig.3 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during working face shield support period

图4 无巷旁充填体支撑阶段充填区域直接顶垂直应力和 水平应力分布Fig.4 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during period without roadside backfill body

图5 巷旁充填体增阻支撑阶段充填区域直接顶垂直应力 和水平应力分布Fig.5 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during roadside backfill body resistance increasing period

图6 巷旁充填体稳定支撑阶段充填区域直接顶垂直应力 和水平应力分布Fig.6 Vertical stress and horizontal stress of immediate roof above roadside backfill area during period with constant roadside backfill body resistance

由图3～6可知，工作面液压支架支撑阶段、无巷旁充填体支撑阶段、巷旁充填体增阻支撑阶段、巷旁充填体稳定支撑阶段充填区域直接顶垂直应力和水平应力分布有以下特征：

(1)在充填区域直接顶厚度方向上，存在一个垂直应力零点，即垂直应力由拉应力过渡为压应力的临界点，充填区域直接顶存在一定厚度的拉应力作用范围;往采空区方向随着到巷内边缘距离的增大，处于拉应力作用范围的充填区域直接顶的垂直应力逐渐增大，处于压应力作用范围的充填区域直接顶垂直应力也是逐渐增大。

(2)在充填区域直接顶厚度方向上，至少存在一个水平应力零点，即直接顶水平应力方向发生转向(由朝向巷内一侧变为朝向采空区一侧);在液压支架支撑阶段和无巷旁充填体支撑阶段均只有一个水平应力零点，水平应力零点位置由直接顶中部厚度以下逐渐上升到中部厚度以上;在巷旁充填体增阻支撑阶段和巷旁充填体稳定支撑阶段均有两个水平应力零点，分别位于直接顶中部厚度上方和下方;往采空区方向随着到巷内边缘距离的增大，方向朝向巷内一侧的水平应力作用范围的充填区域直接顶的水平应力逐渐减小，方向朝向采空区一侧的水平应力作用范围的充填区域直接顶的水平应力逐渐增大。

3 不同时期沿空留巷充填区域直接顶的受力状态

充填区域直接顶水平应力出现转向表明直接顶岩体将出现层间的水平错动，如图7所示。为了进一步分析充填区域直接顶受力状态，可以根据式(16)求得充填区域直接顶的垂直应力和水平应力的零点位置，进而确定充填区域直接顶拉应力作用范围和水平错动范围，图7中充填区域水平错动下坐标dc1和上坐标dc2差值即为水平错动范围dc。

图7 充填区域直接顶水平错动示意Fig.7 Horizontal dislocation region of immediate roof above roadside backfill area

3.1 充填区域直接顶拉应力作用范围

以充填区域中部为例(x=L1+a+b/2=L0-b/2)，令式(16)中的等式右侧的垂直应力σy=0有

可以看出，式(17)是关于y(直接顶厚度方向)的一元二次方程，其有2个数值解，舍去负解，可以求得充填区域直接顶拉应力作用范围dt，

3.2 充填区域直接顶水平错动范围

以充填区域中部为例(x=L1+a+b/2=L0-b/2)，令式(16)中的等式右侧的水平应力σx=0有

可以看出，式(19)是关于y(直接顶厚度方向)的一元二次方程，其有两个数值解，当两个数值解均为正值时，两个数值解之差即为充填区域直接顶水平错动范围。因此，可以求得充填区域直接顶水平错动范围dc，即

3.3 沿空留巷充填区域直接顶受力状态演化规律

3.3.1沿空留巷充填区域直接顶拉应力作用范围演化规律

结合新元煤矿3107工作面生产地质条件，当基本顶回转下沉角变化时，代入不同回转下沉角可得充填区域直接顶拉应力作用范围，结果如下图8所示。

由图8可知，沿空留巷充填区域直接顶拉应力作用范围有以下演化规律：

(1)无论哪个阶段，随着基本顶回转下沉角的增加，充填区域直接顶拉应力作用范围都是逐渐减小，这是由于随着基本顶回转下沉角的增加，直接顶变形产生的附加水平应力增大，直接顶三向受力状态改善的缘故;当基本顶回转下沉角超过3°后，沿空留巷充填区域直接顶拉应力作用范围迅速减小;当基本顶回转下沉角达到4°时，充填区域直接顶拉应力作用范围基本接近0。

(2)考虑到沿空留巷中基本顶回转下沉角是逐渐增大的，沿空留巷充填区域直接顶拉应力作用范围大小关系是：工作面液压支架支撑阶段大于无巷旁充填体支撑阶段、无巷旁充填体支撑阶段大于巷旁充填体增阻支撑阶段、巷旁充填体增阻支撑阶段大于巷旁充填体稳定支撑阶段。

(3)工作面液压支架支撑阶段基本顶回转下沉角θ为1°时，充填区域直接顶拉应力作用范围是2.18 m;无巷旁充填体支撑阶段基本顶回转下沉角θ为2°，充填区域直接顶拉应力作用范围是1.39 m;巷旁充填体增阻支撑阶段基本顶回转下沉角θ为3°，充填区域直接顶拉应力作用范围是1.05 m;巷旁充填体稳定支撑阶段基本顶回转下沉角θ为4°，充填区域直接顶拉应力作用范围是0.1 m。

3.3.2沿空留巷充填区域直接顶水平错动范围演化规律

结合新元煤矿3107工作面生产地质条件，当基本顶回转下沉角变化时，代入不同回转下沉角可得充填区域直接顶水平错动范围，结果如图9所示。

由图9可知，沿空留巷充填区域直接顶水平错动范围有以下演化规律：

图8 基本顶回转下沉角对充填区域直接顶拉应力作用范围Fig.8 Tensile stress depth of immediate roof above roadside backfill area with respect to different main roof rotation angle

图9 基本顶回转下沉角对充填区域直接顶水平错动范围Fig.9 Horizontal dislocation region of immediate roof above roadside backfill area with respect to different main roof rotation angle

(1)无论哪个阶段，随着基本顶回转下沉角的增加，充填区域直接顶水平错动范围逐渐增大并趋于稳定，这是由于随着顶板回转下沉角的增加，直接顶上部受基本顶挤压变形产生的朝向巷内一侧水平应力增大的缘故;充填区域直接顶下部水平应力转向点呈现逐渐减小后趋于稳定，上部水平应力转向点呈现逐渐增大后趋于稳定;沿空留巷充填区域直接顶水平错动范围剧烈增加发生在工作面液压支架支撑阶段到无巷旁充填体支撑阶段。

(2)考虑到沿空留巷中基本顶回转下沉角是逐渐增大的，沿空留巷充填区域直接顶拉应力作用范围大小关系是：工作面液压支架支撑阶段小于无巷旁充填体支撑阶段、无巷旁充填体支撑阶段小于巷旁充填体增阻支撑阶段、巷旁充填体增阻支撑阶段小于巷旁充填体稳定支撑阶段。

(3)工作面液压支架支撑阶段基本顶回转下沉角θ为1°时，厚度方向上充填区域直接顶水平错动上下坐标是3.19～5.15 m(水平错动范围1.96 m);无巷旁充填体支撑阶段基本顶回转下沉角θ为2°，厚度方向上充填区域直接顶水平错动上下坐标是2.97～6.02 m(水平错动范围3.05 m);巷旁充填体增阻支撑阶段基本顶回转下沉角θ为3°，厚度方向上充填区域直接顶水平错动上下坐标是2.94～6.11 m(水平错动范围3.17 m);巷旁充填体稳定支撑阶段基本顶回转下沉角θ为4°，厚度方向上充填区域直接顶水平错动上下坐标是2.92～6.2 m(水平错动范围3.28 m)。

(4)沿空留巷充填区域直接顶水平错动范围与巷旁充填体的增阻速度、巷旁充填体稳定支护强度有关。以巷旁充填体平均支护强度大小表征巷旁充填体增阻速度，取基本顶回转下沉角为3°，代入不同巷旁充填体平均支护强度可得巷旁充填体增阻支撑阶段充填区域直接顶水平错动范围，结果如图10所示。

由图10可知，巷旁充填体增阻速度越大(巷旁充填体平均支护强度越大)，充填区域直接顶水平错动下坐标基本不变、上坐标逐渐减小，即充填区域直接顶水平错动范围减小。

4 工程应用

4.1 控制对策

研究表明：沿空留巷充填区域直接顶浅部受拉应力作用，同时充填区域直接顶受水平应力换向产生的水平层间错动作用;较大的巷旁充填体增阻速度和较高的巷旁充填体支护强度有助于减小充填区域直接顶水平错动范围;基本顶回转下沉角的减小也会减小充填区域直接顶拉应力作用范围和水平错动范围。

图10 巷旁充填体增阻支撑阶段巷旁充填体增阻速度对 充填区域直接顶拉应力作用范围Fig.10 Horizontal dislocation region of immediate roof above roa- dside backfill area during roadside backfill body resistance inc- reasing period with respect to different resistance increasing rate

据此，提出了分区域动态加固充填区域直接顶的控制对策，如下：工作面液压支架支撑阶段采用锚杆锚索支护，提高充填区域直接顶围压减小拉应力作用，提高充填区域直接顶和基本顶的层间结合力抑制充填区域直接顶的水平错动;无巷旁充填体支撑阶段，提高充填区域周边开挖区域的支护强度，即采用高阻力单体液压支护补强巷内支护和采用充填液压支架适当提高对顶板的支护强度;巷旁充填体增阻支撑阶段，采用增阻速度快和支护强度高的巷旁充填材料，减小充填区域直接顶在较低支护强度下发生的变形破坏。

4.2 工程应用

根据新元煤矿3107工作面实际地质条件，确定工作面液压支架支撑阶段、无巷旁充填体支撑阶段、巷旁充填体增阻支撑阶段、巷旁充填体稳定支撑阶段等四个阶段的典型参数(基本顶回转下沉角)，代入式(19)和(20)可以得到不同阶段充填区域直接顶拉应力作用范围和水平错动的范围，结果见表2。

表23107工作面4个阶段计算结果
Table2Calculationresultsduringfourdifferentstagesof3107workingface

阶段基本顶回转下沉角/(°)拉应力作用范围/m水平错动范围(水平错动最大深度)/m工作面液压支架支撑阶段1218196(515)无巷旁充填体支撑阶段2139305(602)巷旁充填体增阻支撑阶段3105317(611)巷旁充填体稳定支撑阶段4010328(620)

在新元煤矿3107工作面辅助进风巷进行了高水材料巷旁充填沿空留巷工业性试验，考虑到拉应力作用最大范围为2.18 m，充填区域直接顶补打锚杆长度确定为2.4 m;考虑到水平错动范围最大深度为6.2 m以及锚索锚固长度，充填区域顶板锚索长度确定为8.3 m。因此，3107工作面辅助进风巷沿空留巷具体的围岩控制方案如下：

(1)巷内补强支护：顶板补强一排3根φ21.6 mm×L8 300 mm的锚索，补强锚索间排距为1 750 mm×1 600 mm;实煤体帮每两排锚杆补打一排2根φ21.6 mm×L4 300 mm锚索，靠近顶板补强锚索向上倾斜10°，距顶板800 mm，靠近底板补强锚索垂直打设，距底板800 mm。

(2)充填区域直接顶支护：每割1刀煤在充填区域顶板补打1排φ20 mm×L2 400 mm的BHRB335左旋无纵肋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm×800 mm，每2排锚杆之间打2根φ21.6 mm×L8 300 mm锚索，每排最外边上的锚杆分别向采空区侧倾斜15°，其余锚杆均垂直顶板施工;在待充填区域外侧布置两架ZZC8300/22/35型四柱支撑掩护式充填挡矸支架，支架宽度1.5 m，顶梁长5 326 mm，尾梁长1 389 mm，控顶距577～1 077 mm。

(3)巷旁充填体构筑：3107辅助进风巷沿空留巷巷旁充填体采用水灰比1.5∶1的高水材料构筑而成，巷旁充填体宽度2.0 m，高度为采高2.8 m，一次充填长度控制在3.2～4.0 m，即每割4～5刀煤充填一次;巷旁充填体内预埋φ22 mm对拉锚杆以提高巷旁充填体支护强度，预埋的对拉锚杆间排距为750 mm×800 mm。

(4)巷内临时加强支护：在工作面后方100 m范围内采用单体液压支柱配π型梁临时加强支护，架设3排间距为1 500 mm的单体液压支柱。充填区域直接顶支护和沿空留巷效果如图11所示。

图11 充填区域直接顶支护和沿空留巷效果Fig.11 Reinforcement of immediate roof above roadside backfill area and gob-side entry retaining effect

3107工作面辅助进风巷在沿空留巷期间采用了充填区域直接顶分区域动态加固技术，在沿空留巷150 m后围岩变形趋于稳定，顶板下沉量277 mm，实煤体帮移近量541 mm，充填体帮移近量114 mm，底鼓量达到984 mm;巷旁充填体载荷在工作面后方90 m左右达到最大值12.75 MPa，在工作面后方150 m左右稳定在10.2 MPa，沿空留巷围岩稳定性较好，充填区域直接顶得到有效控制。

5 结 论

(1)根据沿空留巷顶板活动规律，将沿空留巷充填区域视为弹性损伤变形体，用位移变分法推导了基本顶给定变形条件下充填区域直接顶的应力计算式，得到了不同时期沿空留巷充填区域直接顶的应力分布规律。

(2)根据沿空留巷充填区域直接顶应力计算式，给出了充填区域直接顶拉应力作用范围和水平错动范围的表达式及其演化规律，为沿空留巷充填区域直接顶稳定控制方案提供了依据。

(3)无论处于那个阶段沿空留巷充填区域直接顶浅部岩层均处于拉应力作用范围，且随着基本顶回转下沉角的增加，拉应力作用范围逐渐减小，水平错动范围逐渐增大。

(4)新元煤矿3107工作面沿空留巷实践表明：沿空留巷充填区域直接顶采用分区域动态加固技术有效地控制了充填区域顶板下沉量和巷旁充填体载荷，增强了沿空留巷整体实施效果。

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Studyonstressstateofimmediateroofabovebackfillareaingob-sideentryretaininganditsapplication

ZHANG Zizheng1,2，BAI Jianbiao3，WANG Weijun1，CHEN Yong3,YU Xianyang1

(1.WorkSafetyKeyLabonPreventionandControlofGasandRoofDisastersforSouthernGoalMines，HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China; 2.ResearchCenterofCoalResourcesSafeMiningandCleanUtilization，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China; 3.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

In order to overcome the problems with the immediate roof control of gob-side entry retaining (GER) in a fully-mechanized top-coal caving longwall,a compound roof longwall and other soft cracked longwall,an elastic damage mechanics model of immediate roof above roadside backfill area (IRRBA) in GER was established,the stress distribution expression of IRRBA in GER was deduced,and the stress distribution evolution of IRRBA in GER was researched based on the space-time movement characteristics of IRRBA in GER.Then,the tensile stress depth and horizontal dislocation region calculation formulas of IRRBA in GER,and the corresponding evolution laws were obtained.Results show that the stress state of IRRBA in GER are associated with the main roof rotation angle and the immediate roof damage variable,and that the tensile stress depth decreases and the horizontal dislocation region increases with the increase of main roof rotation angle.Combined with the 3107 longwall engineering geological conditions of Xinyuan Colliery,the dynamic regional consolidation control countermeasures for IRRBA in GER were put forward.Field practice shows that the application of control countermeasures has achieved an expected effects for the subsidence of IRRBA and surrounding rock stability control in GER.

gob-side entry retaining;bckfill area;immediate roof;stress state;variational method

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1629

TD322

:A

:0253-9993(2017)08-1960-11

国家自然科学基金资助项目(51574227，51434006)；辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心开放基金资助课题(LNTU16KF04)

张自政(1988—)，男，河南信阳人，讲师，博士。E-mail：Zhang-zi-zheng@163.com

张自政,柏建彪,王卫军，等.沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用[J].煤炭学报,2017,42(8):1960-1970.

ZHANG Zizheng，BAI Jianbiao，WANG Weijun，et al.Study on stress state of immediate roof above backfill area in gob-side entry retaining and its application[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1960-1970.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1629