沿空留巷巷旁支护体最优宽度研究

2019-06-05杨福禹张振扬任振群郝生雷周江阔

中国煤炭 2019年5期

杨福禹张振扬任振群郝生雷周江阔

(兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿，山东省济宁市，272069)

近年来，沿空留巷是我国无煤柱护巷技术研究的重要组成部分，沿空留巷技术能够实现煤炭采出率的提高、巷道掘进量的降低、解决采掘接替的矛盾、增加煤矿的服务年限，避免煤炭资源的大量损失，其技术优势和经济效益显著。但是，随着沿空留巷技术在我国近水平煤层的广泛应用，成本高、巷旁支护强度低、巷道变形大、效果差等问题成为制约沿空留巷技术研究的瓶颈。

针对现阶段沿空留巷技术存在的诸多问题，本文以济宁三号煤矿183上04工作面沿空留巷为研究背景，通过建立力学模型和数值模拟分析，确定沿空留巷巷旁支护体最优宽度，对济宁三号煤矿沿空留巷经济技术指标及安全生产提供一定的借鉴，且对沿空留巷技术的发展研究具有一定启示。

1 沿空留巷巷旁支护体宽度理论研究

巷旁支护体的宽度是影响支护体稳定性的关键，支护体宽度与其稳定性一般成正比关系，但宽度的增加会造成留巷成本增加，施工效率降低。巷旁支护体的宽度选择目前没有统一标准，一般采用经验类比法来确定。根据国内外支护体宽高比的经验，巷旁支护体的宽度通常为采高的0.6～0.9倍。巷旁支护体的合理宽度的确定，需要充分考虑旁巷支护体宽度对自身稳定性的影响，避免因支护体宽度的过小而产生的支护体拉坏或压坏变形失稳。根据巷旁支护体与围岩相互作用关系建立巷旁支护体力学模型，如图1所示。

图1 巷旁支护体力学模型

通过分析和计算，可得巷旁支护体宽度B的最小值。

巷道侧拉应力达到破坏极限时：

式中：h——墙体高度，m；

f——支护体与顶板间摩擦系数；

q1——巷道侧顶板载荷集度，MPa；

q2——采空侧顶板载荷集度，MPa；

Rt——支护体抗拉强度，MPa。

采空侧压应力达到破坏极限时：

式中：Rc——支护体抗压强度，MPa。

实际计算时，可根据同类型顶板条件下所测的矿压资料，采用类比法来简化支护体上不均布载荷，根据不同情况可分别简化为三角形分布、直角梯形分布或矩形分布，为现场试验提供巷旁支护体的宽度下限。

将济宁三号煤矿183上04工作面具体参数代入式(1)和式(2)，从墙体受力破坏的角度计算得到了巷道的宽度，从沿空留巷墙体稳定性要求的角度，一般要求宽高比不少于0.5，因此，当墙体高度为1.4 m时，墙体宽度不应低于0.7 m，考虑到旁巷支护体结构设计和更高的安全要求，183上04工作面沿空留巷旁巷支护体宽度取0.75 m。

2 不同支护体宽度对沿空留巷围岩变性特征的影响

运用数值模拟方法，对不同宽度支护体对围岩变性特征的影响进行研究，通过围岩应力、顶底板及两帮变形量分析，确定支护体宽度。依据济宁三号煤矿183上04工作面地质条件，在巷内支护形式及参数确定的情况下，模型分为0.5 m、0.75 m、1 m和1.5m共4种支护体宽度进行模拟。

2.1 不同支护体宽度垂直应力分析

为了研究不同支护体宽度对巷道围岩垂直应力的影响，列出4种模拟方案的垂直应力等值线图，如图2所示。由图2可以看出，不同支护体宽度下的垂直应力分布规律基本一致，应力集中主要出现在支护体内部和煤帮深处约7～9 m范围内。当支护体宽度从0.5 m增加到0.75 m时，煤帮深处最大垂直应力由31 MPa减少到29 MPa，下降了6%，支护体应力由5 MPa增加到6 MPa，增长了20%，增幅较为明显；从0.75 m增加到1 m时，煤帮深处应力减少3%，支护体应力增加8%；支护体宽度继续增加到1.5 m时，煤帮深处和支护体垂直应力仍有增加，但增幅已经趋于稳定。结果表明，随着支护体宽度越大，支护体的垂直应力增大，承载能力增强，分担了煤帮深处的压力，减小煤帮深处的垂直应力，符合“硬支多载”规律；当支护体宽度达到一定值后，继续增加支护体宽度，煤帮深处和支护体垂直应力的变化已不明显，说明支护体宽度存在最优值；证明了支护体主要起到维护留巷围岩稳定的作用，影响围岩应力分布及峰值的主要因素是上覆岩层的大结构。

2.2 不同支护体宽度顶底板变形分析

为了研究不同支护体宽度对顶底板变形量的影响，列出4种模拟方案的巷道顶底板的变形曲线图，如图3和图4所示。

由图3和图4可知，随着支护体宽度的增加，巷道顶底板变形量逐渐降低。分析巷道顶底板变形与支护体宽度的关系，支护体宽度由0.5 m增加到0.75 m时，巷道顶板的下沉量减少32～39 mm，平均减少35.5 mm，底板底鼓量减少28～32 mm，平均减少30 mm；由0.75 m增加到1 m时，巷道顶板的下沉量平均减少14.5 mm，底板下沉量约10 mm；继续增加到1.5 m时，巷道顶板的下沉量平均减少13.5 mm，底板变形量减少10 mm。研究表明，支护体宽度与巷道顶底板变形量成反比的关系，表明支护体宽度的增加可以有效控制顶底板的变形；支护体宽度由0.5 m增加至0.75 m时，顶底板变形量减少最大，随着支护体宽度进一步增加，顶底板变形量仍有小幅的下降，但下降幅度已经趋于稳定。同时，随着支护体宽度增加，支护体顶底板变形量逐渐减少。支护体宽度由0.5 m时增加到1.5 m，支护体顶板变形量减少了30 mm左右；由0.75 m增加到1 m时，支护体顶板变形量减少了16.5 mm左右；继续增加到1.5 m时，支护体顶板变形量继续减少，但减少量基本趋于稳定；支护体厚度为0.75 m时，支护体顶板下沉量与该处巷道顶板下沉量基本一致，此时，支护体顶板下沉与小结构变形基本保持一致。支护体宽度继续增加至1.5 m时，支护体顶板下沉量大于该处巷道顶板下沉量，在维护顶板完整性方面发挥的作用被削弱；支护体底部变形趋势与巷道围岩变形趋势大致一样。

图2 不同支护宽度下的垂直应力等值线图

图3 巷道顶板变形曲线

图4 巷道底板变形曲线

2.3 不同支护体宽度两帮变形分析

为了研究不同支护体宽度对两帮变形量的影响，列出4种模拟方案的两帮变形曲线如图5和图6所示。

图5 巷道煤帮变形曲线

图6 支护体帮变形曲线

由图5和图6可以看出，随着支护体宽度增加，巷道的两帮变形量逐渐减小；煤帮侧变形量沿底板至顶板逐渐增大，而支护体侧变形量则为中间大、两边小分布状态，煤帮侧变形总体大于支护体帮部。支护体宽度由0.5 m增加到0.75 m时，煤帮部和支护体帮部变形量分别减少了约20 mm和19.5 mm；由0.75 m增加到1 m时，煤帮部和支护体帮部变形量分别减少了约10 mm、9.5 mm；继续增加到1.5 m时，两帮的变形量继续减少，但下降幅度越来越小，变形逐步趋于稳定。由此可知，支护体宽度的增加可以有效控制巷道两帮的变形量。因此，支护体宽度存在最优值。

综上所述，沿空留巷巷旁支护体宽度的存在最优值。当宽度小于最优值时，巷道顶底板及两帮的变形量较大，留巷效果较差；当宽度等于该值时，巷道顶底板及两帮的变形量明显减少；当宽度大于该值时，顶底板及两帮的变形量并没有发生明显减小现象，变形逐步趋于稳定。这是由于巷道顶板处于巷旁支护体和煤帮支撑的给定变形的状态，当顶板岩层活动稳定后，随着巷旁支护体的宽度增加，顶板的变形量的下降幅度会越来越小，最后即使支护体宽度继续增加，巷道位移变形也会逐步趋于稳定。另外，最优的支护体宽度既可以控制巷道的变形量，保证沿空留巷取得成功，又可以有效减少留巷的工期和费用，实现工作面的高产高效。因此，183上04工作面沿空留巷巷旁支护体的最优宽度为0.75 m。