沿空留巷巷旁充填体宽度合理化研究

裴守仁

（汾西矿业集团孝义煤矿管理分公司,山西 孝义 032300）

沿空留巷在我国井工煤矿的应用较为广泛,其技术优势所带来的提高煤炭资源回收率及减少巷道掘进工程量等优点十分明显,同时,膏体充填法近年来也不断应用于沿空留巷的巷旁支护。而膏体充填技术的应用,其关键技术之一就是对充填体宽度值进行合理设计［1－3］。为解决这一问题,针对实际面临的沿空留巷实践需求,对其工程中巷旁充填体的宽度值进行设计,以期提供合理的设计值,对工程实践进行指导应用。

1 工程简介

本课题选择的具体工程实践地点为18205工作面,该面煤层平均厚度3.29m,平均倾角5°；直接顶为石灰岩,厚2.42m,老顶为粉砂岩,厚4.21m；18205工作面为3条平巷布置,本工程实践即选取轨道平巷进行沿空留巷试验,本巷道原高3.5m,宽5.5m,为大断面巷道,并对巷道进行了锚杆索配合托架及金属网支护。回采后,计划采用充填法保留18205轨道平巷,但留巷后的巷道尺寸由原来的5.5m缩至4.6m,即充填墙体应向原巷道空间内错入0.9m。

2 沿空留巷围岩变形分析

工作面回采之后由于上覆岩层的剧烈下沉,使巷道处于恶劣的围岩条件,沿空留巷的技术要求使其必须在巷道围岩发生较大位移之前就实施完毕。根据图1所示的沿空留巷围岩结构模型示意图,工作面回采后,老顶沿工作面倾向方向发生断裂,巷道围岩变形受上覆老顶关键块体B的回转下沉影响,造成顶板下沉,巷帮受挤压向巷道空间鼓出,其中,顶板下沉量的形成包括多个方面：巷道掘进后原始变形量、老顶断裂后形成的回转下沉量以及围岩松动破坏后的扩容变形量等［4］。沿空留巷后的巷道变形量变化受上区段工作面的推采影响较大,其中,拖后工作面推进10m～20m时变形速度较大,拖后工作面推进0m～60m阶段所形成的巷道变形占到总变形量的80%,是控制沿空留巷围岩变形的关键阶段［5］。

图1 沿空留巷围岩结构模型

3 模拟分析充填体合理宽度值

3.1 UDEC数值模型构建

根据工程试验点的实际地质条件,设计出5个UDEC数值模拟方案,5个方案主要区别在设计的充填体宽度,分别为3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m。围岩本构关系采用Mohr－Coulomb模型,煤岩体和力学参数见第110页表1、表2。

3.2 模拟结果分析

按照建立模型、块体及节理赋值、初始平衡计算、巷道开挖及支护、二次平衡计算、工作面回采及沿空留巷充填、再次平衡计算等工作顺序,得出掘巷后巷道围岩塑性区如第110页图2所示,5个数值模拟方案对应的充填效果及围岩状态如图3～图7所示。

表1 模拟煤岩层力学参数

表2 模拟煤岩层节理面力学参数

图2 掘巷后巷道围岩塑性区

图3 充填体宽度3.5 m

图4 充填体宽度3.0m

图5 充填体宽度2.5 m

图6 充填体宽度2.0m

图7 充填体宽度1.5 m

由以上模拟结果及测线记录结果分析可知：1）充填墙体的宽度因素对巷道断面的变化影响较大,其中,墙体宽度越小,对巷道围岩控制越不利,墙体宽度越大,巷道围岩越可控,其中,墙体宽度低于2.0m时其墙体自身无法保持稳定状态,对巷道的整体控制效果极差,而充填体宽度在2.5m及以上时充填体自身形态及巷道断面收缩得到有效控制；2）模拟结果显示,随着充填体宽度的减小,巷道围岩塑性区不断向深部发展,受扰动范围不断增大,顶板回转下沉对煤体扰动范围增大,过窄的充填体宽度使巷道围岩发生塑性破坏,失去支承能力,不利于巷道煤帮的稳定性控制；3）充填体宽度低于2.0m时采空区内顶板不易破碎垮落,主要是由于充填体自身变形大,切顶能力不足,导致采空区内顶板不易破碎垮落,导致顶板压力不能及时释放或转移,使巷道围岩长期处于应力集中区,恶化了充填体及巷道围岩的受力状态,使巷道变形持续发展,及至不可控状态。

提取4条测线记录的巷道围岩位移数据,作出巷道顶底板移近量曲线图及两帮移近量曲线图,如图8、第111页图9所示。

图8 巷道顶板移近量曲线

图9 巷道两帮移近量曲线

由图8可知：1）不同方案的顶底板移近量差别较大,且同一方案的顶底板移近量沿巷道宽度方向数值差异也较大,模拟图中左帮处移近量较小,右帮处移近量较大,且其两帮处顶底板移近量的比值介于2～4之间,充填墙体宽度越小,该比值就越大,表明巷道顶板下沉量受上方老顶关键块回转下沉影响显著,离实体煤侧越近越小,反之越大；2）通过计算,5个方案对应的顶底板移近量最大值占巷道原始高度的比例分别为 9.2%、14.3%、15.9%、20.7%和26.1%,充填体宽度过窄时巷道顶板下沉量及底鼓量过大,断面收缩严重,导致实际生产中巷道高度不能满足使用要求。

由图9可知：1）不同方案的两帮移近量差别较大,表现为在巷帮中部移近量较大、鼓帮,上下移近量较小,表明巷道两帮移近量主要是由于煤帮及支护体受压后向巷道空间挤压变形造成的,且鼓帮的程度最大发生在巷帮中部；2）5个方案对应的两帮移近量最大值占巷道宽度的比例分别为5.3%、6.8%、7.7%、10.1%和11.6%,充填体宽度过窄时两帮鼓帮程度严重,断面收缩严重,实际使用时巷道宽度不能满足要求。

由以上分析结果作图10所示曲线关系,5个方案的顶底板移近量平均值占巷道高度的比例分别为7%、10%、12%、16%和18%,两帮移近量平均值占巷道宽度的比例分别为3%、4%、5%、7%和9%,当充填墙体宽度由2.5m向1.5m递减时,位移变化曲线及塑性区扩展深度曲线较陡,表明巷道围岩变形失稳概率更大,而充填墙体宽度3.5m至2.5m时,巷道围岩控制效果较好,表明充填墙体宽2.5m是一个变化范围的区分值,应以此为依据进行充填体宽度设计。

图10 巷道围岩移近量及煤帮塑性区宽度曲线

由以上数值模拟结果可知,充填体宽度设计为2.5m左右较为合理。当充填体宽度大于该尺寸时,巷道维护效果较好,但是充填体尺寸大,消耗料浆过多,经济上不合理；当充填体宽度小于该尺寸时,巷道围岩控制效果较差,且为了达到更好的维护效果,往往需要通过提高料浆的凝固强度来实现,同样增加了成本,在技术和经济方面均不甚合理。最终设计的充填体宽度为2.5m。

4 工程实践应用

采用设计的充填参数及针对性支护参数进行沿空留巷后,对现场巷道的位移变形进行实测分析：18205轨道平巷沿空留巷后实测顶板离层值平均为27mm,最大值不超过41mm,顶板离层控制效果良好；而18205轨道平巷沿空留巷后实测顶底板移近量控制在29mm～175mm,两帮移近量控制在3mm～255mm,巷道顶、帮未见不可控变形,支护效果良好,围岩相对稳定,表明18205轨道平巷沿空留巷巷旁充填体宽度设计为2.5m,并实施合理的充填浆料配比及内外加固措施,能够实现初始的工程目的,确保安全高效生产。

5 结论

18205轨道平巷选定混凝土膏体材料进行充填,巷旁充填体的宽度值是关键的控制参数。经过研究分析,当充填体宽度设计值低于2.5m时,其自身强度差,稳定性低,切顶效果差,不能确保沿空留巷后的围岩稳定及巷道使用；而充填体宽度设计值提高到2.5m以上时,其自身稳定程度及巷道围岩控制程度均显著提高,能够确保沿空留巷后巷道的正常功能,但充填墙体过宽也会造成材料及工时的无谓消耗,所以本工程确定18205轨道平巷沿空留巷巷旁充填体宽度设计为2.5m。

现场实测沿空巷道顶板离层值平均为27mm,最大值不超过41mm,顶底板移近量控制在29mm～175mm,两帮移近量控制在3mm～255mm,巷道围岩控制效果良好,表明18205轨道平巷沿空留巷巷旁充填体宽度设计为2.5m,并实施合理的充填浆料配比及内外加固措施,能够实现初始的工程目的,确保安全高效生产。

参考文献：

［1］ 张吉雄,姜海强,缪协兴,等.密实充填采煤沿空留巷巷旁支护体合理宽度研究［J］.采矿与安全工程学报,2013,30（2）：159－164.

［2］ 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计［J］.岩石力学与工程学报,2000,19（5）：651－654.

［3］ 陈勇,柏建彪,徐营,等.沿空留巷巷旁支护体宽度的合理确定［J］.煤炭工程,2012（5）：4－7.

［4］ 康红普,牛多龙,张镇,等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术［J］.岩石力学与工程学报,2010,29（10）：1977－1987.

［5］ 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社,2003：224－227.